高溫燃油對航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的影響分析

張東輝

（中航工業(yè)動(dòng)力控制系統(tǒng)研究所，江蘇無錫 214063）

0 引言

隨著現(xiàn)代軍事技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)載電子設(shè)備不斷增多，發(fā)熱量不斷增大，如在第3代戰(zhàn)斗機(jī)中，Su-27和F-18戰(zhàn)斗機(jī)的電子艙熱載荷分別為18、19 kW，而作為第4代戰(zhàn)斗機(jī)代表的F-22有2個(gè)電子艙，總設(shè)計(jì)熱載荷達(dá)到55 kW。隨著熱載荷的增大，傳統(tǒng)的空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)ACS(Air Cycle System)很難冷卻這些電子設(shè)備。另外，隨著飛機(jī)戰(zhàn)斗性能的提高，飛機(jī)的載油量也大大增加。某型飛機(jī)1次載油量可達(dá)數(shù)噸，利用燃油作為冷源的優(yōu)點(diǎn)（如燃油在所有飛行狀態(tài)下溫度較穩(wěn)定、不影響飛機(jī)的隱身性能、代償損失小等）日益引起重視。特別是當(dāng)飛機(jī)在大馬赫數(shù)下飛行時(shí)，以燃油作為冷源將會(huì)大大減小對飛機(jī)氣動(dòng)外形的影響，提高飛機(jī)的隱身性能。因此，在高性能戰(zhàn)斗機(jī)中，燃油憑借其在飛行初始階段高儲(chǔ)存量及其高比熱的優(yōu)點(diǎn)，被用作主要的儲(chǔ)能和熱沉媒質(zhì)。然而，在吸收飛機(jī)各系統(tǒng)熱量后，隨著燃油溫度的升高，發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的功能和性能必將受到較大影響。

本文從幾方面分析高溫燃油對發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的影響，以初步確定發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)對燃油溫度的限制值。

1 溫度升高對燃油特性的影響分析

隨著溫度的升高，燃油本身的特性發(fā)生改變，與發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)相關(guān)的變化參數(shù)有密度、運(yùn)動(dòng)黏度、飽和蒸汽壓、橡膠相容性和熱安定性。

1.1 密度

燃油密度隨溫度的變化情況見表1。

分析表1中數(shù)據(jù)可知，隨著燃油溫度的升高，燃油的密度減小，供給發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量流量發(fā)生變化，發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)只能通過溫度補(bǔ)償?shù)姆绞綄θ加土髁窟M(jìn)行修正，當(dāng)燃油溫度變化范圍較大時(shí)，會(huì)給發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的溫度補(bǔ)償帶來較大困難，如果補(bǔ)償不充分會(huì)造成在發(fā)動(dòng)機(jī)開環(huán)控制階段（如在起動(dòng)和加減速過程）易出現(xiàn)貧油和富油的情況。在某型發(fā)動(dòng)機(jī)使用過程中，曾經(jīng)由于溫度補(bǔ)償無法兼顧低溫狀態(tài)而發(fā)生冷天發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)懸掛的故障。

1.2 運(yùn)動(dòng)黏度

燃油運(yùn)動(dòng)黏度隨溫度的變化見表2。

在流體動(dòng)力潤滑過程中，1層由液體潤滑劑構(gòu)成的膜分開了相對運(yùn)動(dòng)的固體表面，使其免于相互接觸。黏度較大的液體比黏度較小的液體更容易形成液膜，因此流體動(dòng)力潤滑性更好[4]。分析表2中的數(shù)據(jù)可知，隨著燃油溫度的升高，燃油的運(yùn)動(dòng)黏度減小，使發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的流體動(dòng)力潤滑性變差，并導(dǎo)致燃油的泄漏量增加，降低了控制系統(tǒng)的可靠性。

1.3 飽和蒸汽壓

燃油的飽和蒸汽壓隨溫度的變化見表3。

分析表3中的數(shù)據(jù)可知，隨著溫度的升高，燃油的飽和蒸汽壓隨之增大，當(dāng)燃油系統(tǒng)內(nèi)壓力低于燃油飽和蒸汽壓時(shí)，由于燃油汽化而導(dǎo)致燃油流量減小或中斷，造成氣塞。

表2 不同溫度下的燃油運(yùn)動(dòng)黏度

表3 不同溫度下的燃油飽和蒸汽壓

1.4 橡膠相容性

橡膠相容性指燃油與橡膠長期接觸而使橡膠質(zhì)量發(fā)生變化的情況。隨著燃油溫度的升高，橡膠件的耐油系數(shù)減小，見表4[3]。燃油與橡膠不相容將導(dǎo)致橡膠硬化，失去彈性、變形，在機(jī)械力的作用下出現(xiàn)裂紋，引起密封件漏油，使發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)不能正常工作。

表4 不同溫度下的燃油橡膠相容性

1.5 熱安定性

當(dāng)燃油處于高溫時(shí)會(huì)趨向于氧化并形成膠質(zhì)和顆粒物，燃油吸收的熱量加速了膠質(zhì)的生成和顆粒物的化學(xué)反應(yīng)，對發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生以下影響：

（1）沉積在燃油過濾器上，增加過濾器壓降，減少燃油流動(dòng)；

（2）沉積在燃油噴嘴上，導(dǎo)致噴嘴結(jié)焦堵塞，影響供油和噴霧質(zhì)量；

（3）沉積在液壓機(jī)械裝置的活門間隙中，嚴(yán)重時(shí)會(huì)卡死調(diào)節(jié)活門并中斷供油；

（4）沉積在燃滑油散熱器上，降低熱交換效率，使發(fā)動(dòng)機(jī)滑油溫度提高。

溫度對燃油沉淀量的影響如圖1所示[3]。加入熱安定型添加劑可以提高燃油的熱安定性。

圖1 溫度對燃油沉淀量的影響

2 高溫燃油對液壓機(jī)械裝置的影響分析

高溫燃油對液壓機(jī)械裝置的影響主要體現(xiàn)在對燃油泵特性的影響和對液壓機(jī)械裝置可靠性的影響。

2.1 對低壓離心泵氣蝕特性的影響

航空燃油中都含有一定的溶解空氣，當(dāng)油液壓力降低到某一值時(shí)，空氣就從油液中分離出來形成氣泡，若壓力繼續(xù)降低到相應(yīng)溫度的飽和蒸汽壓時(shí)，油液將沸騰汽化產(chǎn)生大量氣泡，這2種產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象均稱為氣穴。液壓系統(tǒng)發(fā)生氣穴，氣泡隨油液流至高壓區(qū)后，在高壓作用下迅速破裂，產(chǎn)生局部液壓沖擊，使壓力和溫度急劇升高，同時(shí)油液中逸出的氣體具有較強(qiáng)的酸化作用，長時(shí)間作用下可使零件表面發(fā)生腐蝕，這種因氣穴造成的腐蝕稱為汽蝕。

隨著溫度的升高，燃油的飽和蒸汽壓隨之變大，當(dāng)燃油的飽和蒸汽壓高于燃油系統(tǒng)進(jìn)口最低壓力時(shí)，低壓離心泵進(jìn)口燃油發(fā)生汽化，使低壓離心泵發(fā)生氣蝕。

為確保燃油不發(fā)生沸騰或燃油系統(tǒng)在溫度升高時(shí)不形成汽塞，通常限制發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口燃油溫度不高于93℃。

2.2 對高壓齒輪泵效率的影響

隨著燃油溫度提高，燃油黏度和潤滑性大大減小，使高壓齒輪泵內(nèi)部的泄漏量變大，導(dǎo)致泵的容積效率降低，對某型高壓齒輪泵試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，燃油溫度每提高30℃，齒輪泵效率約降低10%。

2.3 對液壓機(jī)械裝置可靠性的影響

燃油溫度提高對液壓機(jī)械可靠性的影響體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）引起熱膨脹系數(shù)不同的運(yùn)動(dòng)副之間間隙變化，變小時(shí)會(huì)造成元件“卡死”，失去工作能力，變大時(shí)會(huì)造成泄漏增加；

（2）使油液形成膠狀物質(zhì)，并在物體局部過熱的表面上形成沉積物（殘?jiān)?，堵塞元件小孔和縫隙，使之不能正常工作；

（3）鋁合金殼體長期處于120℃時(shí)，其抗拉強(qiáng)度較常溫20℃時(shí)的降低13%左右，從而降低了產(chǎn)品的抗壓力沖擊能力；

（4）加速密封圈、密封膠料、密封劑等非金屬材料的老化，使可靠性和壽命大大降低。

根據(jù)美國海軍水面作戰(zhàn)中心2006年發(fā)行的《機(jī)械設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)程序手冊》，在典型的液壓機(jī)械裝置式活門襯套的失效率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中，工作介質(zhì)溫度變化時(shí)對失效率系數(shù)CV的影響見表5。

表5 溫度對活門襯套失效率系數(shù)Cv的影響

3 高溫燃油對電氣元件的影響分析

隨著燃油溫度的升高，發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中與燃油接觸的電氣元件（如電液伺服閥、電磁閥、LVDT）的特性隨之變化，從而對發(fā)動(dòng)控制系統(tǒng)造成不利影響。

3.1 電液伺服閥

作為發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的電液轉(zhuǎn)換裝置，電液伺服閥的性能直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的控制精度，隨著燃油溫度的升高，電液伺服閥的性能變差。對某型發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)使用的電液伺服閥進(jìn)行溫度試驗(yàn)得到的結(jié)果見表6。從試驗(yàn)結(jié)果看，隨著燃油溫度的升高，電液伺服閥的零位漂移、額定流量、分辨率、滯環(huán)、內(nèi)漏、頻率特性、滑閥剪切力各項(xiàng)性能均有不同程度的下降，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的控制精度變差。

表6 燃油溫度對電液伺服閥特性的影響

3.2 電磁閥

發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中的電磁閥通常用于實(shí)現(xiàn)主備份通道切換、消喘、停車等功能，隨著燃油溫度的升高，電磁閥的線圈電阻增大，導(dǎo)致電磁閥的最低工作電壓升高，對某型發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)使用的電磁閥進(jìn)行溫度試驗(yàn)得到的結(jié)果見表7。從試驗(yàn)結(jié)果看，隨著燃油溫度的升高，電磁閥的最低工作電壓升高，使電磁閥存在無法正常工作的隱患，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性。

表7 燃油溫度對電磁閥特性的影響

3.3 LVDT

發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中的LVDT用于測量計(jì)量活門、伺服作動(dòng)筒等重要控制變量的位置，與電子控制器、電液伺服閥共同構(gòu)成閉環(huán)控制回路。隨著燃油溫度的升高，LVDT的溫漂使其精度變差，選取同批次的2臺(tái)LVDT產(chǎn)品進(jìn)行溫度試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果如圖2、3所示。從試驗(yàn)結(jié)果看，隨著溫度的升高，LVDT的精度變差，且同批次產(chǎn)品具有一定的差異性，很難進(jìn)行精確的溫度補(bǔ)償。

4 高溫燃油對發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)的影響分析

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的滑油系統(tǒng)通常采用燃油對滑油進(jìn)行冷卻，隨著燃油溫度的升高，對滑油的冷卻效果變差，使滑油的溫度隨之升高。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)常用4106合成航空潤滑油或4050高溫合成航空潤滑油，其使用工作溫度為-40～200℃，短期可達(dá)220℃，通過發(fā)動(dòng)機(jī)燃滑油散熱器用燃油對滑油進(jìn)行冷卻。為了使發(fā)動(dòng)機(jī)各軸承腔燃油溫度特別是滑油后腔回油溫度不超過220℃的限制值，通?？刂迫蓟蜕崞鞒隹诘幕凸┯蜏囟炔怀^150℃，因此應(yīng)限制燃滑油散熱器出口的燃油溫度不超過150℃，否則燃油無法對滑油進(jìn)行有效散熱。

圖2 不同燃油溫度下的LVDT測量精度(產(chǎn)品a)

圖3 不同燃油溫度下的LVDT測量精度(產(chǎn)品b)

5 對燃油溫度的限制要求

根據(jù)以上分析結(jié)果，對發(fā)動(dòng)機(jī)燃油溫度的限制應(yīng)包括對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口和燃燒室噴嘴前的燃油溫度限制，其目的分別為防止低壓增壓泵出現(xiàn)氣蝕和防止燃油噴嘴結(jié)焦。

對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口燃油溫度的限制應(yīng)根據(jù)飛機(jī)向發(fā)動(dòng)機(jī)供給燃油的最低壓力和低壓增壓泵的最小流量確定，若發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)不具備向飛機(jī)油箱旁路回油的功能，則發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口燃油溫度一般不超過93℃。對帶有旁路回油的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，由于旁路油路增加了低壓增壓泵的燃油流量，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口燃油溫度限制值可適當(dāng)提高，但最高不能超過110℃。

對發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室噴嘴前燃油溫度的限制應(yīng)根據(jù)所選燃油的氧化沉積結(jié)焦溫度確定，文獻(xiàn)[5]中規(guī)定：燃燒室燃油噴嘴處的最大燃油溫度不得超過177℃，否則將發(fā)生噴嘴焦化。而在JSSG-2007B《航空渦噴渦扇渦軸渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合使用規(guī)范指南》中指明：當(dāng)燃油溫度達(dá)到149～177℃時(shí)將會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定性問題，引起沉淀和噴嘴性能迅速惡化。

6 結(jié)論

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)燃油溫度的升高，燃油本身的特性發(fā)生變化，使發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的控制精度和可靠性降低，且燃油對滑油系統(tǒng)的冷卻效率大大降低。為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的控制性能，并能給發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)有效散熱，應(yīng)對發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)的燃油溫度進(jìn)行限制，通常應(yīng)限制發(fā)動(dòng)機(jī)燃油的最高溫度不超過150℃，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)在可靠工作的同時(shí)以最大能力承擔(dān)飛機(jī)的散熱任務(wù)。

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