唐 強(qiáng)，葉志鋒

(南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，南京 210016)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，航空發(fā)動(dòng)機(jī)在向高性能方向發(fā)展的同時(shí)朝著低污染、低噪聲方向發(fā)展，以滿足新一代民用飛機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的需求［1-7］。研究表明:發(fā)動(dòng)機(jī)在整個(gè)工作過(guò)程中，燃燒室溫度始終保持在1 670～1 900 K時(shí)會(huì)生成較少的NOx和CO。所以，控制NOx和CO生成的方法是改進(jìn)燃燒室部件，將燃燒室中燃料和空氣的燃燒溫度控制在上述范圍。為此，航空發(fā)動(dòng)機(jī)專家們嘗試開發(fā)了空氣和燃料分級(jí)燃燒技術(shù)。這種技術(shù)是通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改善，根據(jù)不同的工作狀態(tài)，燃油可進(jìn)行自主控制與分配，使得燃燒室的各個(gè)部分都能在最高效率的工況下工作，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)整體燃燒效率最佳、排放最低，同時(shí)達(dá)到優(yōu)化燃油使用或分配效率的目的。國(guó)內(nèi)雖然對(duì)于分級(jí)燃燒技術(shù)的研究已積累了一定的基礎(chǔ)，但是對(duì)于配套的燃油分配器的研究尚未深入開展，因此本文將對(duì)分級(jí)燃燒的燃油分配器進(jìn)行研究。

1 分級(jí)燃燒燃油分配系統(tǒng)原理

傳統(tǒng)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)配備單級(jí)燃燒室，通過(guò)一個(gè)燃油分布器實(shí)現(xiàn)主、副兩條油路的控制，無(wú)法滿足分級(jí)燃燒的要求。因而本文設(shè)計(jì)了一種新型的燃油分配控制系統(tǒng)［8］，如圖1所示。其中HMU為發(fā)動(dòng)機(jī)燃油調(diào)節(jié)組件，提供發(fā)動(dòng)機(jī)控制的高壓控制油、低壓油和發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒所需的計(jì)量油。EEC發(fā)動(dòng)機(jī)采用電子控制，控制著電磁閥、電液伺服閥等一系列執(zhí)行元件。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，燃油分配器預(yù)燃級(jí)油路常開，主燃級(jí)和預(yù)燃級(jí)之間的燃油分配由分配活門連續(xù)控制，分級(jí)活門由開關(guān)量控制，主燃級(jí)通過(guò)燃油分級(jí)活門分為2級(jí)。假識(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)處于低工況時(shí)，燃燒室僅有預(yù)燃級(jí)工作，那么計(jì)量油通過(guò)分配器計(jì)量活門后只流過(guò)預(yù)燃級(jí)的油路進(jìn)入燃燒室，此時(shí)主燃級(jí)Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)油路關(guān)閉。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于中間工況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)燃級(jí)工作和主燃級(jí)Ⅰ級(jí)工作，此時(shí)主燃級(jí)Ⅰ級(jí)油路打開，計(jì)量油流經(jīng)燃油分配器分成2路，流入預(yù)燃級(jí)油路和主燃級(jí)I級(jí)油路，供給發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室燃燒。而在發(fā)動(dòng)機(jī)高工況時(shí)，燃燒室預(yù)燃級(jí)和主燃級(jí)Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)同時(shí)工作，此時(shí)電控系統(tǒng)控制電磁閥通過(guò)燃油分級(jí)活門打開主燃級(jí)Ⅱ級(jí)油路，計(jì)量油通過(guò)預(yù)燃級(jí)、主燃級(jí)I級(jí)和主燃級(jí)II級(jí)進(jìn)入燃燒室。雖然在高工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的主燃級(jí)I級(jí)和Ⅱ級(jí)同時(shí)工作，但是，隨著具體工況的不同，供給燃燒室的流量有所不同，因而燃油分配器的分配比例會(huì)不同。燃油分配控制系統(tǒng)是由EEC通過(guò)電液伺服閥控制分配活門的位置實(shí)現(xiàn)不同分配的。為了保證分配器的分配精度，對(duì)設(shè)計(jì)的分配活門閥芯添加了一個(gè)線性位移傳感器(LVDT)，通過(guò)LVDT把輸入信號(hào)后的閥芯位移反饋給EEC，這樣形成了一個(gè)反饋閉合回路，提高了燃油分配器的控制精度。

圖1 燃油分配系統(tǒng)工作原理框圖

2 燃油分配器的設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算

燃油分配系統(tǒng)的關(guān)鍵部件是燃油分配器，也就是燃油分配活門是否能滿足分配比的要求，達(dá)到精確分配計(jì)量油的目的。因而，根據(jù)設(shè)計(jì)要求和分配計(jì)劃設(shè)計(jì)了如圖2所示的分配器，計(jì)量油Q0從上端進(jìn)入，經(jīng)過(guò)左右2個(gè)固定節(jié)流口Ⅰ、Ⅱ后再通過(guò)2個(gè)可變節(jié)流口3、4分成2股既定流量的油路流入分配器腔體，在液壓力、彈簧力等穩(wěn)定作用下，變?yōu)榱髁縌1和Q2流入預(yù)燃級(jí)和主燃級(jí)燃燒室。其中電液伺服閥通過(guò)左端給定x的位移信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)可變節(jié)流口的開度，以此調(diào)節(jié)預(yù)燃級(jí)和主燃級(jí)的流量，達(dá)到精確分油的目的。

對(duì)于設(shè)計(jì)的分配器首先進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)尺寸參數(shù)計(jì)算。

燃油分配器不工作時(shí)，在預(yù)緊力作用下得

其中:k1、k2為彈簧的剛度系數(shù);L10、L20和 L1、L2為彈簧的初始長(zhǎng)度和穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)度。

圖2 燃油分配器結(jié)構(gòu)原理

當(dāng)分級(jí)燃油分配器工作時(shí)，可得以下方程:

其中:xv為閥芯位移，x為右端輸入信號(hào)位移;F1為彈簧力，F(xiàn)2為穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力;K1、K2為固定節(jié)流口Ⅰ和Ⅱ的節(jié)流系數(shù);K3、K4為可變節(jié)流口3和4的節(jié)流系數(shù);AⅠ和AⅡ?yàn)楣潭ü?jié)流口Ⅰ和Ⅱ的截面積;w1和w2為可變節(jié)流口3和4的面積梯度;U為節(jié)流口3、4的預(yù)開口量;Q1、Q2為預(yù)燃級(jí)和主燃級(jí)流量;k為主燃級(jí)和預(yù)燃級(jí)燃油分配比。

通過(guò)上面各等式和設(shè)計(jì)要求可計(jì)算出分配器的各項(xiàng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)。

3 基于AMESim的建模仿真

3.1 仿真模型的建立

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)燃油分配器的可行性和準(zhǔn)確性，根據(jù)分配器的結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)了AMESim仿真模型，如圖3所示［9-10］。仿真模型中各元件連接采用直連的方式，分段線信號(hào)通過(guò)壓力變送器模擬外部的負(fù)載變化。

圖3 燃油分配器仿真模型

3.2 動(dòng)態(tài)性仿真分析

燃油分配器的動(dòng)態(tài)性、魯棒性和穩(wěn)態(tài)性的仿真分析是對(duì)分配器性能好壞的一個(gè)直觀描述。

動(dòng)態(tài)性是指分配器給定信號(hào)位移后響應(yīng)速度的快慢，可以通過(guò)分配器閥芯調(diào)節(jié)時(shí)間進(jìn)行表征，因而本文在動(dòng)態(tài)分析時(shí)研究了不同初始位移下的閥芯位移曲線。

圖4 輸入信號(hào)12 mm時(shí)的閥芯位移曲線

以輸入信號(hào)12 mm時(shí)的閥芯位移曲線為例，從圖中可以看出左端在有輸入信號(hào)時(shí)，閥芯在彈簧力、壓差力、液動(dòng)力等影響下迅速發(fā)生移動(dòng)，經(jīng)過(guò)一段調(diào)節(jié)時(shí)間后，閥芯在平衡位置穩(wěn)定下來(lái)，而調(diào)節(jié)時(shí)間不超過(guò)0.25 s。同樣對(duì)輸入信號(hào)8 mm、16 mm分析可得結(jié)果類似。因此，仿真范圍內(nèi)可得燃油分配器的響應(yīng)迅速，調(diào)節(jié)時(shí)間較短，動(dòng)態(tài)性能較好，符合設(shè)計(jì)要求。

3.3 魯棒性仿真分析

對(duì)于控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)魯棒性是指系統(tǒng)在一定的擾動(dòng)下，參數(shù)保持某一性能的特性。對(duì)于燃油分配器來(lái)說(shuō)就是在某一參數(shù)發(fā)生偏移變化時(shí)，系統(tǒng)是否能夠保證穩(wěn)定分配輸出。本文從入口壓力、主燃級(jí)和預(yù)燃級(jí)壓力、輸入位移信號(hào)4個(gè)變量中選取1個(gè)變量，其他變量保持不變，研究此變量與分配比的變化關(guān)系。

在輸入位移信號(hào)為8 mm時(shí)，保持入口壓力、預(yù)燃級(jí)和主燃級(jí)負(fù)載壓力不變，輸入信號(hào)在0.5 s后有0.2 mm的正方波信號(hào)，1.5 s后有個(gè)持續(xù)0.5 s的負(fù)方波信號(hào)，采樣頻率為1 000 Hz。故取輸入位移信號(hào)的擾動(dòng)曲線為圖5所示，經(jīng)過(guò)仿真所得分配比曲線為圖6所示。在輸入位移信號(hào)有較小的正負(fù)方波信號(hào)情況下，燃油分配器的分配比在4.58～4.64變化，變化范圍較小。因而可得:在仿真范圍內(nèi)，輸入位移的小擾動(dòng)對(duì)分配比影響較小，輸入位移信號(hào)的魯棒性較好。

圖5 分配比隨輸入信號(hào)變化曲線

在保持輸入位移信號(hào)，預(yù)燃級(jí)和主燃級(jí)出口壓力不變的情況下，對(duì)入口壓力從80 bar做了正負(fù)2 bar的階躍，得到如圖6所示的分配比隨入口壓力的階躍響應(yīng)曲線。從圖6可以看出:雖然入口壓力發(fā)生了變化，但是分配比的變化較小，維持在4.58～4.63，因而分配比受入口壓力影響較小，分配器的入口壓力魯棒性較好。

圖6 分配比k隨入口壓力變化曲線

圖7 分配比k隨預(yù)燃級(jí)壓力變化曲線

在保持入口壓力、主燃級(jí)出口壓力、輸入位移信號(hào)不變的情況下對(duì)預(yù)燃級(jí)出口由50 bar做較小的正負(fù)1 bar的階躍，分配比變化如圖7所示。由圖中可以看出盡管預(yù)燃級(jí)壓力變化較小，但是分配比變化從2.9～8.1，顯然分配比變化范圍較大，影響燃油分配器性能，因而可得分配器的預(yù)燃級(jí)出口壓力的魯棒性較差。由分配器結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性可知，主燃級(jí)出口壓力的魯棒性也較差。

3.4 穩(wěn)態(tài)性仿真分析

由于入口壓力和輸入位移信號(hào)的魯棒性較好，對(duì)分配比影響較小，因而對(duì)這2個(gè)變化量做進(jìn)一步的穩(wěn)態(tài)分析。在分析入口壓力與分配比的變化關(guān)系時(shí)，由于入口壓力變化較小，可設(shè)每時(shí)每刻的分配比趨于穩(wěn)定，獲得了穩(wěn)態(tài)的分配比隨入口壓力變化曲線，如圖8所示。由圖8可以看出:在入口壓力變化下，分配比有較小的變化，分析原因是由于入口壓力變化，預(yù)燃級(jí)和主燃級(jí)壓差都發(fā)生改變，2級(jí)的流量有較小變化，由于分配比是主燃級(jí)和預(yù)燃級(jí)流量之比，所以受到影響較小。

圖8 分配比k隨入口壓力的穩(wěn)態(tài)變化曲線

同樣，在分析輸入位移信號(hào)和分配比的變化關(guān)系時(shí)，可假定輸入信號(hào)變化緩慢，分配比時(shí)刻穩(wěn)定，得到分配比隨輸入信號(hào)的穩(wěn)態(tài)變化曲線，如圖9所示。從圖9可以看出:隨著輸入位移信號(hào)的增大，分配比也線性增大，這與設(shè)計(jì)要求的通過(guò)輸入信號(hào)線性地控制分配比的大小相符，因而可得設(shè)計(jì)的分配比線性穩(wěn)定性較好。

圖9 分配比k隨輸入信號(hào)的穩(wěn)態(tài)變化曲線

4 結(jié)論

1)在仿真分析范圍內(nèi)，分配器動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快，調(diào)節(jié)時(shí)間較短。

2)在魯棒性仿真分析時(shí)，輸入位移信號(hào)和入口壓力的魯棒性較好，預(yù)燃級(jí)和主燃級(jí)出口壓力的魯棒性較差。

3)燃油分配比隨入口壓力的改變，其變化較小，穩(wěn)定性較高;分配比隨輸入位移信號(hào)的變化，其線性穩(wěn)定性較好，完全符合設(shè)計(jì)要求。

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