回油型面結構對計量裝置特性影響研究

曾德堂 ，趙威力 ，王 曦 ，徐 敏

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

0 引言

回油型面結構體現計量裝置燃油流通能力，并對計量裝置的穩態性和計量特性有著重要影響。因而，對其回油型面結構機理進行深入研究，設計合理的回油型面結構對提高燃油計量裝置穩定性和計量特性具有重要意義。目前，中國在設計上基本采用預估與試驗相結合的辦法，但該方法存在設計周期長和成本高等不足，制約著回油型面結構對計量裝置特性影響機理進行深入研究。現今中國對具體回油型面結構設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構設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構與流量、壓力增益及流量-壓力系數等的關系。

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構計量裝置穩定性及計量特性，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構

1.1 計量裝置

某型燃油計量裝置結構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。壓差活門通過調節回油型面開度，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系，當計量裝置預調好后，其壓差活門回油型面結構處于臨界開啟位置，而此時計量活門開口位置距臨界開啟位置為1.3 mm。

1.2 回油型面結構

回油型面面積見表1。其結構主要有三角形、矩形、圓形，如圖2所示。

表1 回油型面面積

2 數學方程及仿真模型

2.1 數學方程

根據壓差活門結構及牛頓運動定律，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；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為發動機噴嘴前壓力。

2.2 仿真模型

根據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學仿真模型，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構（圖1）相對應，其模塊支持回油型面結構仿真計算,模型參數見表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 計量裝置結構參數和初始值

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構對裝置特性的影響，仿真時假定回油型面結構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系如圖4所示。

圖4 回油型面面積與位移關系

2.4 輸入信號

在驗證回油型面結構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。當仿真時間 t=0～0.5 s時，輸入信號為 0；當 t=0.5～2.5 s時，輸入信號以5 mm/s斜率增長，其中，當t=0.76 s時，輸入信號為1.3 mm，此時裝置計量活門打開；當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 結果及分析

評價計量裝置性能標準主要是計量精度和裝置穩定性等，而上述標準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，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。

各回油型面結構開度面積和計量流量仿真結果如圖6～11所示。

從圖6中可見，當t=0～3 s時，三角形回油型面開度面積仿真結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定增大，即使當輸入位移量為1.3 mm時（裝置處于臨界開啟狀態），回油型面開度面積仍無震蕩現象。

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定增長。

圖6、7的仿真結果說明，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定計量特性。

從圖8中可見，當t=0～0.5 s時（即輸入信號為0），仿真結果出現輕微震蕩現象；隨著仿真時間的增加，當t=0.5～1 s時，仿真結果震蕩加劇，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構在臨界開啟點附近穩定性變得更差。當t=1～3 s時，隨著仿真時間的增加，輸入信號遠離開啟點，裝置穩定性又逐漸變好，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，僅在非穩定區域震蕩幅度相對小些。

圖8、9的仿真結果說明，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t=0～0.5 s時，即輸入信號為0時，圓形回油型面仿真結果穩定，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），仿真結果出現震蕩現象，這充分說明了圓形回油型面結構在臨界開啟點附近穩定性變差；隨著仿真時間的增加，輸入信號遠離臨界點，裝置穩定性變好，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，輸入信號遠離臨界點，裝置特性都變好。

4 結論

（1）以Matlab為平臺建立的燃油計量裝置仿真模型，即節省了設計成本，又縮短了研制周期。（2）仿真結果表明，在相同條件下，三角形回油型面結構性能優于圓形回油型面結構的，而矩形回油型面結構的計量特性和穩定區域均比三角形和圓形回油型面結構的差。同時，在臨界開啟點，矩形和圓形回油型面結構計量流量出現震蕩現象，而三角形回油型面結構計量流量則是穩定的。

本文的研究和分析結果可為科研設計人員快速設計和選擇合理回油型面結構提供參考依據。

[1]劉正，郭迎清.某型壓差計量裝置結構設計及性能計算[C]//中國航空學會第十二屆發動機自動控制學術會議論文集.株洲：中航工業動力機械研究所，2004：158-162.

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