商用航空發(fā)動機燃油分配建模與仿真技術研究

(中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責任公司，上海 200241)

引言

為滿足國際民航組織規(guī)定的低污染排放要求，GE、普惠等各大發(fā)動機公司紛紛開展了低污染燃燒技術研究。分區(qū)分級燃燒技術構成了低污染燃燒室設計的技術基礎，而根據NOx與CO產生的機理及試驗研究表明，燃燒室主燃燒區(qū)當量比在0.6～0.8范圍內產生的NOx與CO很少，因此，要達到低污染燃燒就必須要對進入燃燒室燃燒區(qū)的燃油進行精確的分配控制，根據不同的工作狀態(tài)控制燃油分配以達到優(yōu)化燃燒效率[1-2]。

國內對低污染燃燒、燃油分配等技術研究起步較晚，本研究以某型商用渦扇發(fā)動機項目的燃油分配為研究對象，仿真分析燃油分配特性。利用AMESim軟件建立燃油分配仿真模型，對不同工況條件下燃油分配工作特性進行仿真，并重點分析影響燃油分配特性的主要因素。對比功能、性能等試驗數據來看，模型仿真與試驗數據基本一致，取得了良好的仿真效果，并有效的支撐燃油調節(jié)系統(tǒng)的工程設計。

1 燃油分配工作原理

在國產商用大涵道比渦扇航空發(fā)動機項目中，燃燒室首次采用單頭部分兩級(主燃、預燃)、主燃周向分級的燃油分配方案[3-4]。為滿足燃燒室分區(qū)分級燃燒需求，要按照電子控制器EEC的要求將燃油計量裝置HMU計量后的燃油分配給各燃油總管，實現(xiàn)燃油分配控制，如圖1所示。

圖1 燃油分配原理

其工作原理為：電液伺服閥接收EEC信號控制分配活門運動，LVDT反饋活門位置至EEC，實現(xiàn)預燃級和主燃級之間的燃油分配比例連續(xù)可調控制；電磁閥控制分級活門將主燃級分成兩條油路，并由微動開關監(jiān)視活門狀態(tài)；設置超控活門，在大狀態(tài)下電磁閥故障、分級活門無法打開時，強制分級活門打開，實現(xiàn)主燃油路分級。

在慢車等小狀態(tài)下，只打開預燃級油路；在進場等中等狀態(tài)下，打開預燃級及主燃1級油路，而在其他爬升、起飛等大狀態(tài)下，預燃級、主燃1、2級油路全部打開。

2 燃油分配型孔設計

燃燒室預燃、主燃噴嘴面積固定，按照圖2所示等效計算模型，根據不同發(fā)動機工況條件下燃油流量及燃油分配比例開展活門型孔設計。

圖2 分配活門等效計算模型

根據流量公式，得出圖2預燃、主燃油路的流量與等效截面積的關系如下：

(1)

(2)

式中，Q1—— 預燃級油路流量

Q2—— 主燃級油路流量

C—— 流量系數

Δp—— 燃油進口與燃燒室反壓壓差

ρ—— 燃油密度

由式(1)、式(2)得：

(3)

而對于預燃級油路來說：

(4)

Δp=Δp1+Δp′1

(5)

式中，A1—— 預燃級窗口面積

Δp1—— 預燃級窗口壓降

A′1—— 預燃級噴嘴面積

Δp′1—— 預燃級噴嘴壓降

由式(4)、式(5)得：

(6)

同理，對于主燃級油路得：

(7)

式中，A2—— 主燃級窗口面積

Δp2—— 主燃級窗口壓降

A′2—— 主燃級噴嘴面積

Δp′2—— 主燃級噴嘴壓降

由式(3)、式(6)、式(7)得：

(8)

預燃級設計為管路常開、不作控制，并保證窗口面積A1/A2≥100，上式可近似為：

(9)

按A′1,A′2及不同工況條件下的Q1，Q2計算燃油分配活門窗口面積A2和燃油流量對應關系。最終設計分配活門型孔為圖3所示異型型孔，其通流面積A2與分配活門的閥芯位移x呈線性函數關系，保證不同工況條件下的燃油分配精度。

圖3 分配活門型孔

3 燃油分配AMESim模型

根據燃油分配系統(tǒng)的結構建立燃油分配模型，如圖4所示，由分配活門模型、分級活門模型、超控活門模型、電液伺服閥模型、電磁閥模型、接近開關模型以及控制模塊構成。

圖4 燃油分配AMESim模型

按照分配活門、分級活門、超控活門及電氣元件詳細設計參數設置模型，如液壓作動腔內外徑、閥芯質量、彈簧力、電液伺服閥額定流量、額定壓力等參數，應用AMESim模型庫bao_9_2模塊設置活門型孔面積與位移的函數關系[5-12]。

4 燃油分配仿真分析

按燃油分配計劃，對不同的工況條件下的燃油分配進行仿真，依次仿真慢車、進場、爬升、起飛等狀態(tài)點，每個狀態(tài)時間間隔為3 s。

1) 仿真工況設置

按燃油分配計劃表設置燃燒室反壓、模型燃油進口流量、分配活門運動位移控制信號、電磁閥信號，如表1所示。

2) 仿真分析

(1) 正常工況 圖5所示為慢車、進場、爬升、起飛等狀態(tài)下預燃級、主燃級各出口的流量變化情況。其中，在爬升狀態(tài)下主燃燃油分配比例為83.66%，仿真顯示，在各狀態(tài)下，分配活門、分級活門能夠正常工作，主燃級燃油分配比例滿足燃油分配計劃要求，且在大狀態(tài)下主燃1、2級流量一致。

表1 仿真環(huán)境設置

圖5 各級燃油流量曲線

(2) 超控工況 設置電磁閥信號在0～12 s內一直處于常開狀態(tài)，其他仿真條件不變，模擬大流量狀態(tài)下電磁閥故障時的燃油分配狀態(tài)。仿真顯示在電磁閥出現(xiàn)故障時，在爬升、起飛等大狀態(tài)下，超控活門仍能夠正常工作，由超控活門控制分級活門動作實現(xiàn)對主燃級燃油的分級，爬升、起飛兩狀態(tài)的燃油分配比例分別為82.15%，86.9%，滿足燃油分配計劃要求。但預燃級、主燃1級和主燃2級流量在超控狀態(tài)下，存在一定的震蕩現(xiàn)象，主燃1，2級流量一致性較差，如圖6所示。

圖6 各級燃油流量變化(超控狀態(tài))

主燃1，2級流量出現(xiàn)震蕩將直接引起燃燒室的大幅壓力震蕩，造成不穩(wěn)定燃燒，對燃油燃燒效率及發(fā)動機工作安全性等存在較大影響[13]，通過分析超控狀態(tài)下超控活門及分級活門閥芯運動狀態(tài)(如圖7所示)，可知，在6 s時刻，電磁閥仍處于常開狀態(tài)，大流量狀態(tài)下分級活門無法打開，導致超控活門兩端作用壓差迅速增大(如圖8所示)，超控活門閥芯瞬時向關閉方向移動，切斷控制油由超控活門通向電磁閥的通路，使控制油壓力直接作用于分級活門下腔，打開分級活門，分級活門上腔內燃油通過節(jié)流嘴流向回油，而在分級活門打開后，主燃1級壓力瞬間下降，與主燃2級壓力接近平衡，此時超控活門因只受彈簧力及摩擦力合力作用，向關閉方向移動，造成分級活門關閉，主燃1，2級壓差再次增大，超控活門再次控制分級活門打開，因此，分級活門一直在超控活門作用下圍繞著打開臨界點在一定范圍內震蕩。

圖8 主燃1，2級間壓力變化(細節(jié))

5 影響因素分析

1) 電磁閥額定流量影響

電磁閥額定流量直接影響分級活門打開動態(tài)響應時間，在設計過程中，將原額定流量為1.7 L/min的電磁閥，更換為額定流量為0.85 L/min的電磁閥，在試驗中發(fā)現(xiàn)在進場狀態(tài)下，主燃2級燃油有流量輸出，分級活門出現(xiàn)無法完全關閉。對此，利用仿真對該故障進行復現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)在更換電磁閥后，燃油通過電磁閥產生的壓降增大，導致分級活門上控制腔產生的作用力與彈簧腔彈簧力的合力不足以克服分級活門下腔產生的作用力，分級活門在小狀態(tài)下無法保持在關閉位置，分級活門型孔部分打開，在進場狀態(tài)下，主燃2級有流量輸出，如圖9所示。

圖9 主燃2級燃油流量變化(修改彈簧前后)

針對此種情況，對分級活門彈簧進行相應的改進，增大彈簧初始彈簧力及彈簧剛度，并利用仿真對改進措施進行評估，調整模型彈簧腔參數，改進后的燃油分級活門的工作狀態(tài)如圖10所示，小狀態(tài)下分級活門能夠保持關閉，工作正常。

圖10 分級活門位移變化(更改彈簧前后對比)

2) 活門摩擦力影響

針對在超控狀態(tài)下，超控活門、分級活門產生的震蕩現(xiàn)象，分析活門摩擦力大小對超控狀態(tài)下燃油分配的影響，設置超控活門摩擦力由15 N增大至45 N，運行批處理仿真，超控狀態(tài)下分級活門的位移變化如圖11所示。

可見，隨著超控活門內摩擦力的增加，在超控狀態(tài)下，分級活門的震蕩程度減弱，同時，分級活門的打開位置逐漸增大，即型孔面積增大，超控活門受摩擦力增大的影響，震蕩減弱，在摩擦力為45 N時，超控狀態(tài)下，超控活門保持在最大位移處，進而由超控活門控制的分級活門型孔全部打開，震蕩現(xiàn)象消失，主燃1，2級一致性與正常工況相同，因此，需合理優(yōu)化活門摩擦力等設計參數，避免燃油的流量、壓力波動，保持燃油分配特性穩(wěn)定。

圖11 分級活門位移(超控活門摩擦力變化)

6 試驗驗證

利用功能性能試驗數據驗證模型，設置分配模型進口流量、燃燒室反壓與試驗狀態(tài)保持一致；利用功能性能試驗中測定的LVDT在分配活門開、關極限位置的反饋值，根據分配活門全行程設計值，將慢車、進場、爬升、起飛狀態(tài)下所記錄的LVDT反饋值換算為分配活門所對應的位移值，分別為0，5.15, 7.3, 7.84，將其作為模型分配活門的位移控制信號，運行模型進行仿真分析，不同狀態(tài)下的仿真數據與試驗數據對比如圖12所示。

圖12 不同狀態(tài)下試驗數據與仿真對比

與真實試驗狀態(tài)等同條件下的模型仿真，其結果與試驗基本保持一致，其中，爬升、起飛狀態(tài)下的預燃級流量誤差分別為2.6%, 0.7%，而在進場、爬升、起飛狀態(tài)下主燃1級流量誤差分別為1.8%, 0, 0.4%，爬升、起飛狀態(tài)下主燃2級流量誤差分別為1.1%, 0.2%。燃油分配仿真模型能夠反映燃油分配的真實工作狀態(tài)，且精度在3%以內。

7 結論

通過商用航空發(fā)動機燃油分配AMESim模型的建模及穩(wěn)態(tài)、動態(tài)仿真研究，可見仿真結果與試驗數據保持一致，燃油分配AMESim模型準確、可靠。利用現(xiàn)有AMESim燃油分配模型，可有效的支持工程設計、試驗過程中的故障原因分析以及解決方案評估等。在此基礎上，可進行發(fā)動機燃油系統(tǒng)的集成建模與仿真，為燃油調節(jié)系統(tǒng)的設計開發(fā)提供有力支持。