航空發(fā)動機燃油計量裝置特性仿真與試驗研究

余 玲，葉志鋒，王 彬

（南京航空航天大學江蘇省航空動力系統(tǒng)重點實驗室，南京210016）

0 引言

現(xiàn)代航空發(fā)動機要求對燃油流量進行精確控制，以期在充分發(fā)揮發(fā)動機性能潛力的同時保障其安全。燃油計量裝置作為實現(xiàn)發(fā)動機精確供油的執(zhí)行機構，是航空發(fā)動機關鍵附件之一。中國幅原遼闊，南北地區(qū)及四季氣候溫差變化極大，油溫變化會引起燃油密度、黏度、流量系數(shù)及機械偶件特性的改變，進而引起計量裝置中定壓差活門等組件特性乃至計量流量變化[1]。在此情形下，為保證計量裝置精確供油，使發(fā)動機安全可靠地工作，研究計量裝置特性及受燃油溫度影響的規(guī)律，避免油溫過高或者過低導致發(fā)動機燃油控制異常甚至計量裝置失效等是十分必要的[2]。國外對燃油計量裝置特性的研究較為深入，且考慮了溫度的影響，這一點從國外引進的航空發(fā)動機燃油計量裝置普遍采用溫度補償機構即可印證。但此類問題研究成果鮮見發(fā)表。國內對燃油計量裝置特性做過一些理論與試驗研究，但基本沒有考慮溫度的影響[3-4]。

針對燃油計量裝置特性及所受燃油溫度的影響，建立了燃油計量裝置的AMESim熱液壓模型；通過仿真及試驗，研究不同溫度下燃油計量裝置的特性。其結果可供燃油計量裝置工程設計人員參考。

1 工作原理及AMESim模型

典型的航空發(fā)動機燃油計量裝置主要由計量活門、電液伺服閥（或步進電機）、位移傳感器、定壓差活門及定壓活門等組件構成[5-7]。中國某型燃油計量裝置的原理如圖1所示，電液伺服閥與LVDT傳感器等與發(fā)動機控制器共同構成計量活門位移的閉環(huán)控制，決定計量活門通油面積大小；定壓差活門使計量前后壓差保持恒定，理論上燃油流量僅由計量活門位移決定；定壓差活門的控制壓差通過調節(jié)彈簧預緊力實現(xiàn)；定壓活門則為電液伺服閥提供定壓油，即使泵后燃油壓力變化，伺服閥油源壓力不會隨之改變[8-11]。

圖1 燃油計量裝置原理

根據(jù)圖1中各組件的相互關系，考慮到燃油溫度，建立燃油計量裝置AMESim熱液壓仿真模型，如圖2所示。模型中燃油黏度、密度及流量系數(shù)等參數(shù)受燃油溫度變化的影響[12]。

圖2 燃油計量裝置AMESim仿真模型

2 試驗系統(tǒng)

用于驗證仿真結果的試驗系統(tǒng)如圖3所示，主要由油源、燃油計量、油溫處理、霧化噴射、回油等裝置組成。

圖3 燃油計量裝置試驗系統(tǒng)

燃油由增壓泵提供給主燃油泵CBG-3，增壓后流經油濾、流量計Q1和壓力傳感器，最終進入燃油計量組件。計量后的燃油經渦輪流量計Q2、手動及電動調壓閥、單向閥和冷卻裝置回到油箱中。其中開式油箱配備油冷機，能夠對燃油進行制冷或加熱，從而為研究溫度對燃油計量裝置特性的影響創(chuàng)造了條件；制冷模塊和加熱模塊分別裝有溫度傳感器，能夠實時顯示燃油的當前溫度。具體的試驗設備如圖4所示，圖4（b）的左側是油冷機裝置，用于對燃油溫度進行處理。

圖4 試驗設備

3 仿真與試驗結果分析

燃油計量裝置在常溫下的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)特性曲線如圖5所示。計量裝置出口質量流量Q 隨計量活門位移變化的穩(wěn)態(tài)特性如圖5（a）所示，從圖中可見，仿真與試驗曲線幾乎完全一致；計量活門位移xv正階躍和負階躍時，出口質量流量Q 的動態(tài)響應如圖5（b）所示，從圖中可見，顯示響應無超調，調節(jié)時間為0.2s，仿真與試驗的最大誤差約8.8%；當計量活門位移xv=2.5mm時，定壓差活門控制壓差(P1-P2)隨計量后壓力P2（背壓）變化的穩(wěn)態(tài)特性如圖5（c）所示，壓差始終維持在0.20～0.22MPa；計量活門前后壓力P1、P2及壓差（P1-P2）隨活門位移xv變化的穩(wěn)態(tài)特性如圖5（d）所示，從圖中可見，AMESim模型仿真特性曲線與試驗結果基本一致，誤差較小，說明所建模型精度較高，且燃油計量裝置各參數(shù)仿真與試驗特性完全符合其工作原理。

圖5 常溫下試驗與仿真對比曲線

為研究溫度對計量特性的影響，保持齒輪泵轉速不變，計量活門位移分別置于2.5、3.1和3.7mm，燃油溫度為0~50℃，計量流量的變化特性如圖6（a）所示，從圖中可見，無論仿真結果還是試驗結果，燃油質量流量均約減小2.5%~3.5%。當計量活門位移置于3.0mm時，0~50℃的溫度變化亦會導致定壓差活門控制壓差約降3%，如圖6（b）所示。這是溫度對燃油黏度、密度、流量系數(shù)及活門偶件間隙產生綜合影響的結果，該結果又直接導致圖6（a）的計量流量減小。

圖6 計量裝置流量與壓差隨燃油溫度變化特性

上述結果驗證了AMESim熱液壓模型的準確性和可信度。通過模型仿真研究溫度變化（-10~60℃）對計量裝置流量-位移特性的影響，不同溫度下的1簇仿真曲線如圖7所示。其中圖7（a）是流量-位移穩(wěn)態(tài)特性，圖7（b）是活門位移從2.5mm階躍至3.5mm時的流量動態(tài)響應特性。從圖中可見，燃油溫度遞增時，除計量活門質量流量有所減小外，流量-位移穩(wěn)態(tài)或動態(tài)調節(jié)特性沒有發(fā)生本質性的改變。

圖7 溫度對流量-位移特性影響的仿真曲線

4 結論

本文通過仿真與試驗，研究了航空發(fā)動機燃油計量裝置穩(wěn)態(tài)及動態(tài)特性，分析了燃油溫度對計量特性的影響，得到以下結論：

(1)基于AMESim建立的考慮燃油溫度影響的燃油計量裝置數(shù)學模型具有較高的精度，在0~50℃的范圍內，其仿真結果與試驗結果吻合良好。

(2)仿真及試驗結果均表明，燃油溫度的提高會導致定壓差活門控制壓差減小，進而導致計量的燃油質量流量減小，燃油溫度在0~50℃變化可導致燃油質量流量最多減小3.5%。因此，在極端高溫和極端低溫的氣候環(huán)境下，為保證燃油計量裝置的精度，必須進行溫度補償[10,13-15]。

(3)根據(jù)仿真結果，在更大的溫度范圍（-10~60℃），溫度變化除產生流量計量誤差外，不會對燃油計量裝置的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)特性產生本質性改變或致命影響。

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