應(yīng)用于低污染燃燒的1種燃油分配技術(shù)研究

王海鷹，胡忠志，殷 鍇，李宇宸，馬 翔

（中航工業(yè)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海200241）

應(yīng)用于低污染燃燒的1種燃油分配技術(shù)研究

王海鷹，胡忠志，殷 鍇，李宇宸，馬 翔

（中航工業(yè)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海200241）

針對(duì)民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)低污染排放要求日益嚴(yán)格的現(xiàn)狀及低污染燃燒技術(shù)發(fā)展的需要，研究了1種應(yīng)用于低污染燃燒領(lǐng)域的燃油分配技術(shù)。闡述了該燃油分配系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，包括燃油系統(tǒng)和燃油分配器的結(jié)構(gòu)及控制回路的結(jié)構(gòu)和原理；利用A M ESim軟件對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值建模仿真，通過分析燃油分配器分級(jí)活門打開與關(guān)閉2種情況下燃燒室預(yù)燃區(qū)和主燃區(qū)燃油分配量與燃油分配器分配活門開度的關(guān)系，得出了燃燒室預(yù)燃區(qū)和主燃區(qū)燃油的分配關(guān)系曲線；根據(jù)仿真分析結(jié)果，從發(fā)動(dòng)機(jī)控制回路出發(fā)，引出了燃油分配的控制邏輯。研究結(jié)果表明：該燃油分配系統(tǒng)能夠?qū)M(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室預(yù)燃區(qū)和主燃區(qū)的燃油進(jìn)行精確的分配控制，滿足低污染燃燒技術(shù)對(duì)燃油分配的要求。

燃油分配；低污染燃燒；燃油系統(tǒng)；航空發(fā)動(dòng)機(jī)

0 引言

人們已經(jīng)意識(shí)到航空運(yùn)輸帶來便捷的同時(shí)，也給人類的生存環(huán)境帶來了污染問題。國際民航組織（ICAO）就此制定了日益嚴(yán)格的航空污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，于1986、1993、1996和2004年陸續(xù)頒布了CAEP1、CAEP2、CAEP4和CAEP6標(biāo)準(zhǔn)。為此，各大發(fā)動(dòng)機(jī)公司紛紛開展了低污染燃燒技術(shù)的研究，如GE公司研制的雙環(huán)預(yù)混旋流（TAPS）燃燒室、PW公司發(fā)展的TALON X燃燒室以及RR公司的ANTLE燃燒室[1-2]。

要進(jìn)入民用航空領(lǐng)域，就必須達(dá)到國際民航組織的污染排放規(guī)定。中國民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)事業(yè)剛剛起步，航空發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)高校和研究所也開展了低污染燃燒室的研究，并取得了一定的成果[3-5]。在對(duì)先進(jìn)低污染燃燒室研制中，分區(qū)分級(jí)燃燒技術(shù)構(gòu)成了低污染燃燒室設(shè)計(jì)的技術(shù)基礎(chǔ)。根據(jù)NOx與CO產(chǎn)生的機(jī)理及試驗(yàn)結(jié)果可知：燃燒室主燃燒區(qū)當(dāng)量比在0.6～0.8范圍內(nèi)產(chǎn)生的NOx與CO很少[6]。因此，要達(dá)到低污染燃燒的目的就必須要對(duì)進(jìn)入燃燒室燃燒區(qū)的燃油進(jìn)行精確的分配控制。目前，國內(nèi)民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油分配技術(shù)的研究還是空白，為此，本文著重研究了1種應(yīng)用于低污染燃燒領(lǐng)域的燃油分配技術(shù)。

圖1 某典型民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)

1 發(fā)動(dòng)機(jī)燃油分配系統(tǒng)

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)

要對(duì)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的燃油進(jìn)行分配控制，首先，需要了解發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(如圖1所示)?，F(xiàn)代民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)普遍采用類似于圖1的2級(jí)燃油泵和液壓機(jī)械裝置（Hydro-Mechanical Unit, HMU）的組合結(jié)構(gòu)。燃油泵分為2級(jí)——增壓泵和齒輪泵，飛機(jī)來油首先進(jìn)入增壓泵，從增壓泵出來后進(jìn)入燃滑油熱交換器，從燃滑油熱交換器回到燃油泵后通過主燃油濾進(jìn)入齒輪泵，齒輪泵出口分2路：一路經(jīng)自洗油濾和伺服燃油加熱器后進(jìn)入HMU的伺服燃油系統(tǒng)，用于伺服控制；另一路進(jìn)入HMU的燃油計(jì)量系統(tǒng)，計(jì)量后的燃油經(jīng)過燃油流量傳感器、噴嘴油濾和燃油噴嘴后進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室。

本文研究的低污染燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油系統(tǒng)與如圖1所示的系統(tǒng)略有差別——在噴嘴油濾后增加1個(gè)燃油分配器，其作用是將HMU計(jì)量后的燃油按照要求分配至燃燒室各燃燒區(qū)，以滿足低污染燃燒的要求。

1.2 燃油分配系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

燃油分配系統(tǒng)由燃油分配器和集成在燃燒室頭部的燃油噴嘴組成。燃燒室采用1種貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)低污染燃燒室，由12個(gè)頭部和火焰筒組成。燃燒空氣全部由燃燒室頭部供入，冷卻空氣和摻混空氣則從火焰筒進(jìn)入。燃燒室頭部結(jié)構(gòu)如圖2所示，從圖中可見，其采用雙環(huán)腔結(jié)構(gòu)，分為預(yù)燃級(jí)和主燃級(jí)2級(jí)，預(yù)燃級(jí)在內(nèi)，主燃級(jí)環(huán)繞著預(yù)燃級(jí)。

圖2 燃燒室頭部結(jié)構(gòu)

為提高噴霧質(zhì)量，降低污染排放，將主燃級(jí)分為2級(jí)——主燃級(jí)第1級(jí)和主燃級(jí)第2級(jí)。在發(fā)動(dòng)機(jī)小工況時(shí)僅預(yù)燃級(jí)供油，在中等工況時(shí)預(yù)燃級(jí)和主燃級(jí)第1級(jí)供油，在大工況時(shí)預(yù)燃級(jí)、主燃級(jí)第1級(jí)和主燃級(jí)第2級(jí)同時(shí)供油。12個(gè)頭部中主燃級(jí)第1級(jí)和主燃級(jí)第2級(jí)間隔出現(xiàn)，燃油分配系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。進(jìn)入燃燒室的總流量由HMU計(jì)量，燃油分配器將HMU計(jì)量后的燃油分為預(yù)燃級(jí)、主燃級(jí)第1級(jí)和主燃級(jí)第2級(jí)后，供往發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室。主燃級(jí)與預(yù)燃級(jí)的燃油分配關(guān)系為連續(xù)可調(diào)，在主燃級(jí)供油的情況下，主燃級(jí)第2級(jí)應(yīng)能進(jìn)行通斷調(diào)節(jié)。

圖3 燃油分配系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

燃油分配器結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由燃油分配活門、燃油分級(jí)活門、燃油分配活門控制用電液伺服閥、燃油分配活門位置傳感器、燃油分級(jí)活門控制用電磁閥、燃油分級(jí)活門接近開關(guān)組成。計(jì)量燃油進(jìn)入燃油分配器后，首先分成預(yù)燃級(jí)和主燃級(jí)2路，預(yù)燃級(jí)不加控制直接進(jìn)入預(yù)燃級(jí)燃油噴嘴，主燃級(jí)經(jīng)燃油分配活門后分成主燃級(jí)第1級(jí)和主燃級(jí)第2級(jí)，主燃級(jí)第1級(jí)直接進(jìn)入主燃級(jí)第1級(jí)燃油噴嘴，主燃級(jí)第2級(jí)經(jīng)燃油分級(jí)活門后進(jìn)入主燃級(jí)第2級(jí)燃油噴嘴。HMU提供燃油分配器控制所需的高壓和低壓2股伺服油。

圖4 燃油分配器結(jié)構(gòu)

燃油分配控制包括燃油分級(jí)活門的控制和燃油分配活門的控制。燃油分級(jí)活門采用開關(guān)量控制方式，發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制器根據(jù)控制規(guī)律確定燃油分級(jí)活門的位置，發(fā)出電信號(hào)給燃油分級(jí)活門電磁閥，控制燃油分級(jí)活門打開或關(guān)閉，接近開關(guān)將活門的位置信號(hào)反饋給電子控制器，用于位置監(jiān)視和故障診斷。

燃油分配活門采用閉環(huán)控制，其控制回路的結(jié)構(gòu)如圖5所示。電子控制器根據(jù)控制規(guī)律確定燃油分配活門的位置目標(biāo)值，根據(jù)位置目標(biāo)值與位置反饋信號(hào)（來自位置傳感器）的偏差，通過控制算法計(jì)算電液伺服閥的控制電流。電液伺服閥接收控制電流調(diào)節(jié)至燃油分配活門控制腔的伺服燃油，控制燃油分配活門的位置，從而分配到主燃級(jí)和預(yù)燃級(jí)的燃油量。

圖5 燃油分配活門控制回路

控制算法采用PID算法[7]，是1種線性算法，根據(jù)給定值r（t）與實(shí)際輸出值c（t）構(gòu)成控制偏差e（t）=r（t）-c（t），將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，控制規(guī)律為

傳遞函數(shù)為

式中：kp為比例系數(shù)；Ti為積分時(shí)間常數(shù)；Td為微分時(shí)間常數(shù)。

2 燃油分配仿真分析

隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，工程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)逐漸使用計(jì)算機(jī)對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字仿真。法國IMAGE公司的AMESim軟件已廣泛應(yīng)用于先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[8]。為研究燃油分配系統(tǒng)的性能，利用AMESim軟件對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了建模仿真。

2.1 燃油分配系統(tǒng)模型

根據(jù)燃油分配系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)搭建燃油分配系統(tǒng)模型，如圖6所示。模型中燃油噴嘴采用當(dāng)量噴嘴。

圖6 燃油分配系統(tǒng)模型

2.2 燃油分配仿真結(jié)果

為分析燃油分級(jí)活門關(guān)閉時(shí)和打開時(shí)預(yù)燃級(jí)和主燃級(jí)流量的分配關(guān)系，分別對(duì)這2種情況進(jìn)行了仿真。燃油分級(jí)活門關(guān)閉時(shí)，只有預(yù)燃級(jí)和主燃級(jí)第1級(jí)供油，主燃級(jí)第2級(jí)不供油?？?cè)加土髁繛?250 kg/h和770 kg/h時(shí)主燃級(jí)流量占總流量的百分比如圖7所示。從圖中可見，隨著燃油分配活門開度的增大，主燃級(jí)流量與總流量之比呈單調(diào)增加的關(guān)系，在燃油分配活門開度最大時(shí)主燃級(jí)流量與總流量之比都達(dá)到最大值75%，并且隨著燃油分配活門開度的增大，主燃級(jí)流量與總流量之比的曲線逐漸趨于平緩，到最大點(diǎn)時(shí)接近水平。同時(shí)，總?cè)加土髁繛?250 kg/h和770 kg/h時(shí)的曲線重合性較好，誤差在1%以內(nèi)。

圖7 燃油分級(jí)活門關(guān)閉時(shí)燃油分配情況

燃油分級(jí)活門打開時(shí)，預(yù)燃級(jí)、主燃級(jí)第1級(jí)和主燃級(jí)第2級(jí)都供油，燃油分級(jí)活門打開時(shí)燃油分配情況如圖8所示。從圖中可見，燃油分級(jí)活門打開時(shí)與燃油分級(jí)活門關(guān)閉時(shí)的預(yù)燃級(jí)和主燃級(jí)流量分配結(jié)果相似，惟一不同的是主燃級(jí)流量與總流量之比的最大值提高到了82%。

圖8 燃油分級(jí)活門打開時(shí)燃油分配情況

燃油分級(jí)活門關(guān)閉時(shí)和打開時(shí)的仿真結(jié)果都表明主燃級(jí)與預(yù)燃級(jí)的燃油分配關(guān)系與總流量無關(guān)，只與燃油分配活門的開度有關(guān)，該燃油分配系統(tǒng)能夠通過調(diào)節(jié)燃油分配活門的位置對(duì)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室預(yù)燃級(jí)和主燃級(jí)的燃油進(jìn)行分配控制。

2.3 燃油分配結(jié)果分析

對(duì)相對(duì)簡單的燃油分級(jí)活門關(guān)閉時(shí)的情況進(jìn)行分析，燃油分配系統(tǒng)的簡化模型如圖9所示。圖中，λ為沿程損失系數(shù)；ε為局部損失系數(shù)；L為管道長度；d為管道直徑；v為流體流速；qv為流體體積流量；A為管道面積；n表示燃油噴嘴。從圖中可見，此時(shí)燃油分配系統(tǒng)屬于并聯(lián)管道。并聯(lián)管道的損失等于各分管道的損失，并聯(lián)管道的總流量等于各分管道流量的總和[9]。

圖9 燃油分級(jí)活門關(guān)閉時(shí)燃油分配系統(tǒng)簡化模型

由hw=hf+hj得出

式中：hw為總損失；hj=εv2/2g，為局部損失；hf=λLv2/2dg，為沿程損失。

由于管路相對(duì)較短，忽略沿程損失，得出

從式（5）可見，預(yù)燃級(jí)與主燃級(jí)的燃油分配關(guān)系只與預(yù)燃級(jí)和主燃級(jí)的管道面積和局部損失系數(shù)有關(guān)。在燃油分配系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確定的情況下，預(yù)燃級(jí)管道面積A1、主燃級(jí)管道面積A2、預(yù)燃級(jí)噴嘴局部損失系數(shù)εn1和主燃級(jí)噴嘴局部損失系數(shù)εn2都是定值，惟一可變的是燃油分配活門的局部損失系數(shù)ε，而ε僅與燃油分配活門開度有關(guān)。因此，預(yù)燃級(jí)和主燃級(jí)的燃油分配只與燃油分配活門的開度有關(guān)，與入口總流量等其他因素?zé)o關(guān)，這與仿真結(jié)果一致。

仿真結(jié)果及分析結(jié)果都表明，該燃油分配系統(tǒng)能夠?qū)M(jìn)入燃燒室各燃燒區(qū)的燃油進(jìn)行分配控制。

3 燃油分配邏輯

圖10 發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制

發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制如圖10所示，電子控制器根據(jù)油門桿角度、環(huán)境條件、飛行馬赫數(shù)和飛機(jī)引氣量等[10]依次確定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、所需燃油總量、燃燒室各燃燒區(qū)燃油量、HMU計(jì)量活門位置、燃油分配活門及燃油分級(jí)活門位置；HMU接受電子控制器的HMU計(jì)量活門位置指令計(jì)量供往燃燒室的總?cè)加土?；燃油分配器接受電子控制器的燃油分配活門及分級(jí)活門位置指令將HMU計(jì)量后的燃油分配至燃燒室各區(qū)；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器將發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速反饋給電子控制器，形成閉環(huán)控制。

根據(jù)前文分析可知，在燃油分級(jí)活門關(guān)閉或打開時(shí)預(yù)燃級(jí)和主燃級(jí)燃油的分配關(guān)系只與燃油分配活門的開度有關(guān)，并且燃油分級(jí)活門打開時(shí)主燃級(jí)的燃油分配量比燃油分級(jí)活門關(guān)閉時(shí)主燃級(jí)的燃油分配量更大，分析得到燃油分配控制邏輯 （如圖11所示）：

圖11 燃油分配控制邏輯

（1）根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)所需燃油總量及發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)參數(shù)確定燃燒室各燃燒區(qū)的燃油量。

（2）判斷燃油室主燃區(qū)是否需要供油，若否，燃油分配活門至關(guān)閉位置，燃油分級(jí)活門至關(guān)閉位置，轉(zhuǎn)（6）。

（3）判斷主燃級(jí)第2級(jí)是否需要供油，若是，燃油分級(jí)活門至打開位置，轉(zhuǎn)（5）；若否，燃油分級(jí)活門至關(guān)閉位置。

（4）計(jì)算主燃級(jí)流量與總流量之比，查圖7燃油分級(jí)活門關(guān)閉時(shí)燃油分配曲線，確定燃油分配活門位置，轉(zhuǎn)（6）。

（5）計(jì)算主燃級(jí)流量與總流量之比，查圖8中燃油分級(jí)活門打開時(shí)燃油分配曲線，確定燃油分配活門位置。

（6）結(jié)束。

4 結(jié)束語

低污染排放是對(duì)現(xiàn)代民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的基本要求，低污染燃燒技術(shù)是實(shí)現(xiàn)低污染排放的惟一途徑。本文研究了1種應(yīng)用于低污染燃燒技術(shù)的燃油分配方法，從分析結(jié)果來看該方法簡單、實(shí)用，能夠滿足低污染燃燒技術(shù)對(duì)燃油分配的要求。

目前，針對(duì)低污染燃燒技術(shù)的燃油分配技術(shù)的研究剛開始，后續(xù)將更多的開展這方面的理論和試驗(yàn)研究。

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Investigation on a Fuel Distribution Technology for Low Emission Combustion

WANG Hai-ying,HU Zhong-zhi,YIN Kai,LI Yu-chen,MA Xiang
（AVICCommercialAircraftEngineCo.,Ltd.,Shanghai 200241,China）

Aiming at the status of strict emission standards for civil aeroengine and the development requirement of low emission combustion,a fuel distribution technique was introduced to be applied on low emission combustion field.The structure of the fuel distribution system was described,including structures of the fuel system and the fuel distributor,the principle and structure of the fuel control loop.The system was modeled and simulated by AMESim software.The trends of fuel flow distribution into the pilot combustion zone and the main combustion zone was given by analyzing the relation ship between fuel flow of the two combustion zones and the opening level of the fuel split valve while the fuel stage valve was either open or closed.The control logic of fuel distribution was developed from the engine control loop based on the analysis result.The result shows that the fuel spilt system is fully capable of controlling the fuel flows into the pilot combustion zone and the main combustion zone,and the low emission combustion requirement is fully satisfied.

fuel distribution;low emission combustion;fuel system;aeroengine

王海鷹（1984），女，工程師，碩士，從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。

2012-11-10