加力燃油計量裝置的AMESim仿真研究

王彬，趙皓岑，葉志鋒

（南京航空航天大學能源與動力學院江蘇省航空動力系統(tǒng)重點實驗室，南京210016）

加力燃油計量裝置的AMESim仿真研究

王彬，趙皓岑，葉志鋒

（南京航空航天大學能源與動力學院江蘇省航空動力系統(tǒng)重點實驗室，南京210016）

為獲得加力燃油系統(tǒng)數(shù)字化仿真與性能驗證平臺，采用功能劃分的方法分析了典型計量裝置的功能模塊，確定了伺服閥-隨動活塞、計量活門-等壓差活門是決定計量裝置動態(tài)特性的主要組成部分，對其進行了數(shù)學建模。鑒于獲得的數(shù)學模型描述系統(tǒng)特性時缺乏相關(guān)元件特性參數(shù)的設(shè)計依據(jù)，建立了由計量活門、等壓差活門、電液伺服單元等組成計量裝置的A M ESim模型，計算主要結(jié)構(gòu)參數(shù)后仿真分析了其穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性。結(jié)果表明：基于控制系統(tǒng)構(gòu)成的加力燃油計量裝置功能劃分與數(shù)學建模可為仿真研究與參數(shù)設(shè)計提供指導，A M ESim可用于動態(tài)過程仿真與性能預測。

加力燃油系統(tǒng)；計量裝置；等壓差活門；動態(tài)特性；參數(shù)設(shè)計；控制

0 引言

隨著發(fā)動機性能的不斷提高和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)ADEC已成為國外第4代戰(zhàn)斗機發(fā)動機的標準控制技術(shù)[1-2]。新一代航空發(fā)動機的主要發(fā)展趨勢是控制系統(tǒng)采用不帶液壓機械備份的雙通道FADEC[3]，燃油系統(tǒng)則采用新型燃油泵系統(tǒng)[4-5]。液壓執(zhí)行機構(gòu)因其自身的功能特點，目前仍是航空發(fā)動機中不可缺少的部分[6-7]。無論是傳統(tǒng)的液壓機械還是數(shù)控方式，燃油泵、油門、計量活門主油路仍是主燃油系統(tǒng)和加力燃油系統(tǒng)的必要執(zhí)行系統(tǒng)或元件[8]。設(shè)計性能優(yōu)越的數(shù)控系統(tǒng)時，必須先認清控制元件與執(zhí)行元件的工作特性，并將其用于指導系統(tǒng)的設(shè)計和試驗。針對燃油系統(tǒng)已陸續(xù)開展了仿真研究，如利用Matlab/Simulink建立了部件模型庫，并對航空發(fā)動機控制系統(tǒng)進行了仿真研究[9]；研究液壓機械式控制系統(tǒng)中的等壓差活門的建模與仿真，驗證AMESim平臺在航空動力控制系統(tǒng)建模的技術(shù)優(yōu)勢[10]；用數(shù)值方法研究加力燃油總管設(shè)計，分析噴油孔結(jié)構(gòu)對總管供油量的影響[11]；在AMESim平臺上建立了某加力燃油計量裝置模型，進行了供油規(guī)律、加力接通與切斷過程的仿真研究[12]。燃油計量裝置是典型的電氣-機械-液壓控制與調(diào)節(jié)裝置，對其建模的目的主要是描述各元件相互物理關(guān)系，從而獲得系統(tǒng)的理論輸出特性。傳統(tǒng)數(shù)學建模旨在分析輸入輸出關(guān)系，難以研究各部件結(jié)構(gòu)和物理工況參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響，而AMESim是為滿足機電液系統(tǒng)面向?qū)ο蠼５挠行ЫＥc仿真軟件，目前已作為1種先進平臺廣泛應用于發(fā)動機燃滑油系統(tǒng)等的研究。

本文以數(shù)控燃油系統(tǒng)中伺服閥控制隨動活塞、計量活門和等壓差活門組成的燃油系統(tǒng)主油路為對象[13]，從功能組成角度對其各獨立單元建立數(shù)學模型，結(jié)合其特性分析參數(shù)設(shè)計需求，再基于AMESim進行建模與仿真，進行計量裝置動態(tài)工作過程分析。

1 燃油計量裝置組成及原理

以加力燃油系統(tǒng)為例，包括加力燃油泵、噴口控制器、加力燃油調(diào)節(jié)器、應急放油裝置等。在數(shù)控式加力燃油控制系統(tǒng)中，燃油流量控制裝置主要由計量活門、壓差活門、伺服閥、隨動活塞以及位移傳感器等構(gòu)成，檢測與補償均基于電液控制的方式實現(xiàn)。通往發(fā)動機燃燒室的燃油流量主要通過計量活門控制，等壓差活門用于保持其前后壓力差不變，因此流過計量活門的燃油流量僅由計量閥的開度決定。伺服閥、位移傳感器及發(fā)動機控制器組成電液位置伺服系統(tǒng)，其隨動活塞的位移決定了計量活門的開度，即燃油流量。某典型數(shù)控加力燃油系統(tǒng)計量裝置原理如圖1所示。圖中省略了定壓活門、伺服閥的前置放大模塊等。

圖1 數(shù)控加力燃油計量裝置原理

2 數(shù)學模型

該系統(tǒng)從功能劃分角度看由伺服閥功率級閥芯與隨動活塞組成的閥控作動器和計量活門-等壓差活門2部分組成（圖1）。系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能主要由這2部分決定，對伺服閥控制隨動活塞部分可用以下方程描述[14]

式中：QL為進出隨動活塞的實際流量；pL為隨動活塞的負載，可用作用在計量活門上的前后壓差表示，pL=Δp；Kq、KC為伺服閥主閥芯滑滑的系數(shù)；Ap為隨動活塞的有效作用面積；mt為折算到隨動活塞上的總質(zhì)量（含隨動活塞與計量活門等）；Bp為黏性阻尼系數(shù)；xp為隨動活塞的位移；Vt為隨動活塞內(nèi)的總壓縮容積；Ct為隨動活塞的泄漏系數(shù)；βe為燃油或滑油的體積彈性模量（伺服閥與隨動活塞的介質(zhì)為伺服滑油）。

對于等壓差活門，其力平衡方程為

式中：pin、pout分別為計量活門進、出口壓力；K為壓差活門彈簧剛度；x0、x分別為彈簧的初始變形量和變形量；A1、A2分別為進、出油腔的作用面積；Tc為時間常數(shù)，是燃油阻尼系數(shù)與回油孔數(shù)之比；，為放大系數(shù)，Δp0為調(diào)定壓力，A為活門受力面積，y0為活門芯初始位移為初始壓差量/y0，為活門相對位移。

據(jù)此，用數(shù)學模型描述該系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的計量活門和等壓差活門，對上述方程進行拉普拉斯變換并聯(lián)立求解，即可獲得燃油流量和輸入計量活門位置指令的穩(wěn)態(tài)關(guān)系。

對該系統(tǒng)的設(shè)計和性能進行分析，可以建立其數(shù)學模型或面向?qū)ο蟮膭恿W模型。數(shù)學建?？梢詫⑾到y(tǒng)簡單分為幾個典型執(zhí)行元件并正確認識其類型，也可以分析所關(guān)心的系統(tǒng)輸入輸出的相互關(guān)系[15]，但建模過程中往往忽略了元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，且未考慮油源對執(zhí)行機構(gòu)的影響，工程設(shè)計中的大部分參數(shù)無法確定，只能依賴經(jīng)驗給出數(shù)值。以下對加力燃油系統(tǒng)的計量部分進行了面向?qū)ο蟮腁MESim建模，為研究其特性和設(shè)計提供設(shè)計參考。

3 AMESim建模與參數(shù)設(shè)定

對加力燃油系統(tǒng)計量裝置部分建立AMESim模型，如圖2所示。

建模中，進口壓力用定量泵加溢流閥實現(xiàn)對燃油系統(tǒng)主油路供油，可避免用恒壓源使系統(tǒng)燃油量隨壓力一直上升，也可考慮定量燃油泵供油流量隨負載壓力的實時變化。計量活門的出口壓力由于受等壓差活門、節(jié)流活門及其間的容腔聯(lián)合調(diào)節(jié)，并未直接設(shè)置出口壓力的壓力源，而是通過在節(jié)流活門出口設(shè)置壓力源的方法在仿真中改變節(jié)流活門出口壓力，從而改變節(jié)流活門進口壓力即計量活門出口壓力，模擬出口壓力變化時燃油系統(tǒng)的調(diào)節(jié)特性。

根據(jù)性能參數(shù)，對計量裝置中的部分參數(shù)進行了設(shè)計計算，AMESim中的主要參數(shù)設(shè)置見表1。由于計量活門的型孔是1個異形孔，需要自行定義型孔。其它參數(shù)不再列出。

表1 參數(shù)設(shè)置

圖3 輸入位移指令與燃油量關(guān)系

4 系統(tǒng)性能仿真

4.1 靜態(tài)特性仿真

計算后，對模型中的主要結(jié)構(gòu)性能參數(shù)進行設(shè)置，首先對靜態(tài)特性進行仿真研究。

輸入計量活門位移指令與燃油量關(guān)系如圖3所示。從圖3可見，燃油量隨輸入計量活門位移指令的增加呈線性增加，當達到計量活門的調(diào)節(jié)值后達到最大值，不再隨開度增加而繼續(xù)增大，流量區(qū)域達到飽和。根據(jù)本算例的參數(shù)設(shè)置，可得出計量活門位移在5 mm內(nèi)能獲得較好的燃油量-位移的線性關(guān)系。開度超過5 mm則流量飽和，燃油流量不再隨計量活門開度變化而變化。且在初始位置時，系統(tǒng)存在死區(qū)，即換算后計量活門位移指令較小時無實際流量輸出。這主要由伺服閥的死區(qū)造成，即偏差信號小則對應伺服閥的輸入電流就小，產(chǎn)生的電磁力矩無法克服各種阻力，導致功率級閥芯移動，或功率級閥芯的位移未超過預遮蓋量，閥口未真正打開。閥口開啟即有流量輸出，燃油流量隨著輸入指令位移的增加逐步增加，并呈較好的線性關(guān)系。以上結(jié)果表明，該系統(tǒng)基本滿足計量活門組件、壓差活門、電液伺服閥及LVDT等組成的位置伺服系統(tǒng)對燃油量的控制性能要求。

4.2 起動過程仿真

起動過程是加力燃油系統(tǒng)工作中的重要環(huán)節(jié)，其性能的好壞直接決定系統(tǒng)能否正常工作，能否精確地調(diào)節(jié)燃油流量。該算例主要仿真研究燃油系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)停車時突然起動，計量活門位移、前后壓力及壓差對燃油量的聯(lián)合調(diào)節(jié)過程及作用效果。這里首先給出起動過程。假設(shè)輸入計量活門的位移指令為1 mm，由此獲得各動態(tài)曲線如圖4所示。

圖4 計量執(zhí)行機構(gòu)起動時的動態(tài)過程仿真曲線

從圖4（a）中可見，燃油系統(tǒng)起動后，計量活門閥芯在0.05 s時達到穩(wěn)態(tài)，超調(diào)量近13%，系統(tǒng)響應快、動態(tài)特性較好。結(jié)合圖4（b）、（c）、（d）可知，三者是相互關(guān)聯(lián)、相互影響的。該系統(tǒng)的穩(wěn)定時間約為0.05 s，達到穩(wěn)態(tài)時，計量活門位移基本不變，壓差活門雖仍有小幅度震蕩（約在0.08 s時完全穩(wěn)定），但已不再會引起壓差的變化（該微幅震蕩的時間長短與設(shè)計中選取的活門彈簧剛度值大小有關(guān)，但由于其已不再影響調(diào)節(jié)過程，不再作深入研究），即表明對壓差的調(diào)節(jié)結(jié)束，壓差維持在1個恒定值，燃油流量不變。該仿真表明，建立的AMESim模型和相關(guān)的參數(shù)設(shè)置是正確的，可以用于正確描述系統(tǒng)的變化過程和特性。另外，可對相應時域仿真曲線進行頻譜分析以獲得其頻率特性，結(jié)合數(shù)學模型對AMESim模型進行確認。

4.3 供油壓力突變的工作過程仿真

試驗表明，燃油系統(tǒng)在實際工作中受管路振動、容積式油泵自身固有的壓力脈動因素影響，計量裝置的供油壓力往往存在周期性脈動或突變，在伺服閥前設(shè)置定壓活門等用于減弱這種脈動或突變，但供油壓力對燃油計量裝置的影響仍然存在，通過適當設(shè)置裝置中的彈簧-阻尼系統(tǒng)的參數(shù)，能削弱由此產(chǎn)生的動態(tài)影響，以下對本算例進行了仿真。供油壓力階躍變化的AMESim模型設(shè)置及其變化曲線如圖5所示。

圖5 供油壓力階躍變化算例輸出信號

圖6 供油壓力變化時各活門工作過程

供油壓力變化時各活門工作過程如圖6所示。從圖6（a）中可見，當供油壓力在1 s時發(fā)生正階躍變化時，位移產(chǎn)生衰減震蕩，平衡值稍有減小，表明節(jié)流邊前后壓差增加，出口壓力隨進口壓力增大而增大，節(jié)流活門隨之關(guān)小，計量活門出口的壓力隨之增大。從圖6（b）中可見，當供油壓力增大時，壓差活門上下腔壓力（即壓差活門前后壓力）增大；當供油壓力減小時，壓差活門上下腔壓力也隨之減小。0.5 MPa供油壓力的變化對應0.4～0.5 MPa的壓力變化，但壓差穩(wěn)態(tài)值基本不變，說明壓差活門與節(jié)流活門的聯(lián)合調(diào)解，對計量活門前后壓差起到了穩(wěn)定作用。圖6（c）反映了節(jié)流活門的位移和背壓腔的壓力變化情況，與前述一致，在1 s時供油壓力增大，等壓差活門節(jié)流邊出口壓力增大，閥口關(guān)小；反之，在2 s時供油壓力減小，閥門開大，背壓也減小。節(jié)流活門閥芯的位移行程約7 mm，背壓變化約1.2 MPa。燃油流量的實時曲線如圖6（d）所示，供油壓力在0.5 MPa范圍內(nèi)正、負階躍變化時，燃油量穩(wěn)態(tài)值基本不變；在壓力突變時，由于各運動部件自身的慣性和液壓彈簧效應，燃油量的超調(diào)較大，設(shè)計中應增加系統(tǒng)阻尼，避免系統(tǒng)出現(xiàn)瞬時燃油量過大。

5 結(jié)束語

通過對加力燃油計量裝置的建模與仿真，總結(jié)如下：

（1）無論是液壓機械還是數(shù)控燃油系統(tǒng)，適當?shù)墓δ軇澐志欣谡覝视绊懴到y(tǒng)性能的關(guān)鍵部件和參數(shù)；

（2）數(shù)學建?？捎糜诖_定功能模塊及類型，快速獲得輸入輸出的函數(shù)關(guān)系，且有助于對AMESim仿真結(jié)果的確認；

（3）燃油計量裝置的AMESim建模與仿真可用于分析系統(tǒng)性能，查看各控制部件的運動參數(shù)，為高性能設(shè)計與優(yōu)化提供有效手段。

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AMESim Simulation of Afterburning Metering Unit for Fuel System

WANG Bin,ZHAO Hao-cen,YE Zhi-feng
（Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,College of Energy and Power Engineering,Jiangsu Province Key Laboratory of Aerospace Power System,Nanjing 210016,China）

To build the software platform for digital simulation and performance verification of the aeroengine afterburning fuel system, functional modules of the typical metering unit were analyzed with the method of functional division.Both servo valve-following piston and metering valve-constant pressure difference valve were chief components determining the dynamic characteristics of the metering unit in aeroengine,and these two components were modelled mathematically.In view of insufficient design evidences for the characteristic parameters of related components,the metering unit composed mainly of metering valve,constant pressure difference valve and electrohydraulic servo unit was modelled in AMESim platform.After calculated some key structural parameters,the steady and dynamic characteristics were simulated and analyzed.The results show that,based on the system composition,functional division and mathematical modelling of afterburning fuel metering unit can provide guidance for simulation study and parameter design while AMESim can be used for dynamic process and performance prediction.

afterburning fuel system;metering unit;constant pressure difference valve;dynamic characteristics;parameter design

V 228.1+2

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2014.05.012

2013-12-10 基金項目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金(NZ2012111)資助

王彬（1978），男，博士，主要研究方向為發(fā)動機燃油系統(tǒng)及控制元件；E-mail：binwang@nuaa.edu.cn。

王彬，趙皓岑，葉志鋒.加力燃油計量裝置的AMESim仿真研究[J].航空發(fā)動機，2014，40（5）：62-66.WANGBin,ZHAOHaocen,YE Zhifeng. AMESimsimulation ofafterburningmeteringunit for fuel system[J].Aeroengine，2014，40（5）：62-66.