回油型面結(jié)構(gòu)對計量裝置特性影響研究

曾德堂 ，趙威力 ，王 曦 ，徐 敏

（1.北京航空航天大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，北京 100191；2.西安航空動力控制有限公司，西安 710077）

0 引言

回油型面結(jié)構(gòu)體現(xiàn)計量裝置燃油流通能力，并對計量裝置的穩(wěn)態(tài)性和計量特性有著重要影響。因而，對其回油型面結(jié)構(gòu)機理進行深入研究，設(shè)計合理的回油型面結(jié)構(gòu)對提高燃油計量裝置穩(wěn)定性和計量特性具有重要意義。目前，中國在設(shè)計上基本采用預(yù)估與試驗相結(jié)合的辦法，但該方法存在設(shè)計周期長和成本高等不足，制約著回油型面結(jié)構(gòu)對計量裝置特性影響機理進行深入研究。現(xiàn)今中國對具體回油型面結(jié)構(gòu)設(shè)計及特性分析研究資料較少。劉正等人對某型壓差計量裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能進行計算研究[1]；文元江用EASY5分析回油式壓差活門特性[2]；文獻[3]探索研究了回油型面結(jié)構(gòu)與流量、壓力增益及流量-壓力系數(shù)等的關(guān)系。

本文以某型燃油計量裝置回油型面為研究對象，通過仿真得到不同回油型面結(jié)構(gòu)計量裝置穩(wěn)定性及計量特性，并對特性影響機理進行了深入分析。

1 計量裝置和回油型面結(jié)構(gòu)

1.1 計量裝置

某型燃油計量裝置結(jié)構(gòu)與回油型面位置如圖1所示。該裝置主要由殼體、壓差和計量活門組成，其回油型面集于壓差活門中。壓差活門通過調(diào)節(jié)回油型面開度，使裝置左右壓差恒定，從而使計量流量與流通面積成線性關(guān)系，當(dāng)計量裝置預(yù)調(diào)好后，其壓差活門回油型面結(jié)構(gòu)處于臨界開啟位置，而此時計量活門開口位置距臨界開啟位置為1.3 mm。

1.2 回油型面結(jié)構(gòu)

回油型面面積見表1。其結(jié)構(gòu)主要有三角形、矩形、圓形，如圖2所示。

表1 回油型面面積

2 數(shù)學(xué)方程及仿真模型

2.1 數(shù)學(xué)方程

根據(jù)壓差活門結(jié)構(gòu)及牛頓運動定律，其運動方程為

由容積變化引起壓力變化方程[4]得

式中：β為燃油彈性模量；Qin為流入P1腔流量；Qout為流出P1腔流量；V0為P1腔初始體積。

P1腔體積變化為

式中：V為P1腔體積；V0為P1腔初始體積；AP0為受力面積；x為位移。

由流量公式可知，流入P1腔流量為

式中：Cd為流量系數(shù)；A0為計量活門面積；ρ為密度。

同樣，由流量公式可得流出P1腔流量為

式中：A(x)為面積；P2為發(fā)動機噴嘴前壓力。

2.2 仿真模型

根據(jù)燃油計量裝置工作原理[4-5]、回油型面特點及式（1）～（5）建立燃油計量裝置數(shù)學(xué)仿真模型，如圖3所示。模型主要包括壓差活門、計量活門、P1腔、回油型面、輸入量和輸出量等模塊，且與燃油計量裝置結(jié)構(gòu)（圖1）相對應(yīng)，其模塊支持回油型面結(jié)構(gòu)仿真計算,模型參數(shù)見表2。在仿真計算時，計量活門位移作為輸入信號，而壓差活門開度面積和流量作為輸出量。

表2 計量裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)和初始值

2.3 回油型面面積

為了對比輸入相同燃油量時各回油型面結(jié)構(gòu)對裝置特性的影響，仿真時假定回油型面結(jié)構(gòu)的最大面積和最大位移量相同，壓差活門位移量與三角形、矩形及圓形回油型面開度面積關(guān)系如圖4所示。

圖4 回油型面面積與位移關(guān)系

2.4 輸入信號

在驗證回油型面結(jié)構(gòu)對裝置特性的影響時，采用的仿真輸入信號（即計量活門位移量）如圖5所示。當(dāng)仿真時間 t=0～0.5 s時，輸入信號為 0；當(dāng) t=0.5～2.5 s時，輸入信號以5 mm/s斜率增長，其中，當(dāng)t=0.76 s時，輸入信號為1.3 mm，此時裝置計量活門打開；當(dāng)t=2.5～3.0 s時，裝置的計量活門位移達到最大值10 mm。

圖5 裝置仿真輸入信號

3 結(jié)果及分析

評價計量裝置性能標(biāo)準(zhǔn)主要是計量精度和裝置穩(wěn)定性等，而上述標(biāo)準(zhǔn)則是通過壓差活門的回油型面開度面積和計量流量來體現(xiàn)，仿真時給仿真模型輸入如圖5所示的信號，輸出量為各回油型面開度面積和計量流量。

各回油型面結(jié)構(gòu)開度面積和計量流量仿真結(jié)果如圖6～11所示。

從圖6中可見，當(dāng)t=0～3 s時，三角形回油型面開度面積仿真結(jié)果與輸入信號趨勢基本一致，即回油型面開度面積與輸入信號同步穩(wěn)定增大，即使當(dāng)輸入位移量為1.3 mm時（裝置處于臨界開啟狀態(tài)），回油型面開度面積仍無震蕩現(xiàn)象。

從圖7中可見，三角形回油型面流量仿真特性的變化趨勢與如圖6所示的其開度面積的基本一致，計量流量與輸入信號同步穩(wěn)定增長。

圖6、7的仿真結(jié)果說明，在圖5輸入條件下，三角形回油型面計量裝置具有良好的穩(wěn)定計量特性。

從圖8中可見，當(dāng)t=0～0.5 s時（即輸入信號為0），仿真結(jié)果出現(xiàn)輕微震蕩現(xiàn)象；隨著仿真時間的增加，當(dāng)t=0.5～1 s時，仿真結(jié)果震蕩加劇，而此時間段包含輸入位移量為1.3 mm時臨界開啟位置，這也充分說明矩形回油型面結(jié)構(gòu)在臨界開啟點附近穩(wěn)定性變得更差。當(dāng)t=1～3 s時，隨著仿真時間的增加，輸入信號遠(yuǎn)離開啟點，裝置穩(wěn)定性又逐漸變好，與輸入信號趨勢基本保持一致。

圖6 三角形回油型面開度面積

圖7 三角形回油型面流量仿真特性

從圖9中可見，矩形回油型面流量仿真特性的變化趨勢與如圖8所示的其開度面積的基本一致，僅在非穩(wěn)定區(qū)域震蕩幅度相對小些。

圖8、9的仿真結(jié)果說明，在圖5輸入條件下，矩形回油型面在臨界開啟點前，裝置的計量特性都變差，特別是裝置處于臨界開啟點附近震蕩加劇。

從圖10中可見，當(dāng)t=0～0.5 s時，即輸入信號為0時，圓形回油型面仿真結(jié)果穩(wěn)定，裝置未開啟；隨著仿真時間的增加，輸入信號接近臨界開啟點附近（即t=0.5～1.0 s時），仿真結(jié)果出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象，這充分說明了圓形回油型面結(jié)構(gòu)在臨界開啟點附近穩(wěn)定性變差；隨著仿真時間的增加，輸入信號遠(yuǎn)離臨界點，裝置穩(wěn)定性變好，且與輸入信號趨勢保持一致。

從圖11中可見，圓形回油型面流量仿真特性的變化趨勢與如圖10所示的其開度面積基本一致，僅在臨界點附近震蕩幅度相對小些。

圖10、11的仿真結(jié)果說明，在圖5輸入條件下，圓形回油型面在臨界位置點附近，裝置計量特性變差，但隨著輸入信號增大或減小，輸入信號遠(yuǎn)離臨界點，裝置特性都變好。

4 結(jié)論

（1）以Matlab為平臺建立的燃油計量裝置仿真模型，即節(jié)省了設(shè)計成本，又縮短了研制周期。（2）仿真結(jié)果表明，在相同條件下，三角形回油型面結(jié)構(gòu)性能優(yōu)于圓形回油型面結(jié)構(gòu)的，而矩形回油型面結(jié)構(gòu)的計量特性和穩(wěn)定區(qū)域均比三角形和圓形回油型面結(jié)構(gòu)的差。同時，在臨界開啟點，矩形和圓形回油型面結(jié)構(gòu)計量流量出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象，而三角形回油型面結(jié)構(gòu)計量流量則是穩(wěn)定的。

本文的研究和分析結(jié)果可為科研設(shè)計人員快速設(shè)計和選擇合理回油型面結(jié)構(gòu)提供參考依據(jù)。

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