分級燃燒燃油分配器的設計與仿真

唐 強，葉志鋒

(南京航空航天大學能源與動力學院，南京 210016)

隨著科學技術的發展，航空發動機在向高性能方向發展的同時朝著低污染、低噪聲方向發展，以滿足新一代民用飛機對發動機的需求［1-7］。研究表明:發動機在整個工作過程中，燃燒室溫度始終保持在1 670～1 900 K時會生成較少的NOx和CO。所以，控制NOx和CO生成的方法是改進燃燒室部件，將燃燒室中燃料和空氣的燃燒溫度控制在上述范圍。為此，航空發動機專家們嘗試開發了空氣和燃料分級燃燒技術。這種技術是通過對發動機燃燒室的結構進行優化改善，根據不同的工作狀態，燃油可進行自主控制與分配，使得燃燒室的各個部分都能在最高效率的工況下工作，從而使發動機整體燃燒效率最佳、排放最低，同時達到優化燃油使用或分配效率的目的。國內雖然對于分級燃燒技術的研究已積累了一定的基礎，但是對于配套的燃油分配器的研究尚未深入開展，因此本文將對分級燃燒的燃油分配器進行研究。

1 分級燃燒燃油分配系統原理

傳統的航空發動機配備單級燃燒室，通過一個燃油分布器實現主、副兩條油路的控制，無法滿足分級燃燒的要求。因而本文設計了一種新型的燃油分配控制系統［8］，如圖1所示。其中HMU為發動機燃油調節組件，提供發動機控制的高壓控制油、低壓油和發動機燃燒所需的計量油。EEC發動機采用電子控制，控制著電磁閥、電液伺服閥等一系列執行元件。發動機工作時，燃油分配器預燃級油路常開，主燃級和預燃級之間的燃油分配由分配活門連續控制，分級活門由開關量控制，主燃級通過燃油分級活門分為2級。假識發動機處于低工況時，燃燒室僅有預燃級工作，那么計量油通過分配器計量活門后只流過預燃級的油路進入燃燒室，此時主燃級Ⅰ級、Ⅱ級油路關閉。當發動機處于中間工況時，發動機的預燃級工作和主燃級Ⅰ級工作，此時主燃級Ⅰ級油路打開，計量油流經燃油分配器分成2路，流入預燃級油路和主燃級I級油路，供給發動機燃燒室燃燒。而在發動機高工況時，燃燒室預燃級和主燃級Ⅰ級和Ⅱ級同時工作，此時電控系統控制電磁閥通過燃油分級活門打開主燃級Ⅱ級油路，計量油通過預燃級、主燃級I級和主燃級II級進入燃燒室。雖然在高工況下發動機的主燃級I級和Ⅱ級同時工作，但是，隨著具體工況的不同，供給燃燒室的流量有所不同，因而燃油分配器的分配比例會不同。燃油分配控制系統是由EEC通過電液伺服閥控制分配活門的位置實現不同分配的。為了保證分配器的分配精度，對設計的分配活門閥芯添加了一個線性位移傳感器(LVDT)，通過LVDT把輸入信號后的閥芯位移反饋給EEC，這樣形成了一個反饋閉合回路，提高了燃油分配器的控制精度。

圖1 燃油分配系統工作原理框圖

2 燃油分配器的設計和參數計算

燃油分配系統的關鍵部件是燃油分配器，也就是燃油分配活門是否能滿足分配比的要求，達到精確分配計量油的目的。因而，根據設計要求和分配計劃設計了如圖2所示的分配器，計量油Q0從上端進入，經過左右2個固定節流口Ⅰ、Ⅱ后再通過2個可變節流口3、4分成2股既定流量的油路流入分配器腔體，在液壓力、彈簧力等穩定作用下，變為流量Q1和Q2流入預燃級和主燃級燃燒室。其中電液伺服閥通過左端給定x的位移信號來調節可變節流口的開度，以此調節預燃級和主燃級的流量，達到精確分油的目的。

對于設計的分配器首先進行了穩態尺寸參數計算。

燃油分配器不工作時，在預緊力作用下得

其中:k1、k2為彈簧的剛度系數;L10、L20和 L1、L2為彈簧的初始長度和穩態長度。

圖2 燃油分配器結構原理

當分級燃油分配器工作時，可得以下方程:

其中:xv為閥芯位移，x為右端輸入信號位移;F1為彈簧力，F2為穩態液動力;K1、K2為固定節流口Ⅰ和Ⅱ的節流系數;K3、K4為可變節流口3和4的節流系數;AⅠ和AⅡ為固定節流口Ⅰ和Ⅱ的截面積;w1和w2為可變節流口3和4的面積梯度;U為節流口3、4的預開口量;Q1、Q2為預燃級和主燃級流量;k為主燃級和預燃級燃油分配比。

通過上面各等式和設計要求可計算出分配器的各項穩態參數。

3 基于AMESim的建模仿真

3.1 仿真模型的建立

為了驗證設計燃油分配器的可行性和準確性，根據分配器的結構圖設計了AMESim仿真模型，如圖3所示［9-10］。仿真模型中各元件連接采用直連的方式，分段線信號通過壓力變送器模擬外部的負載變化。

圖3 燃油分配器仿真模型

3.2 動態性仿真分析

燃油分配器的動態性、魯棒性和穩態性的仿真分析是對分配器性能好壞的一個直觀描述。

動態性是指分配器給定信號位移后響應速度的快慢，可以通過分配器閥芯調節時間進行表征，因而本文在動態分析時研究了不同初始位移下的閥芯位移曲線。

圖4 輸入信號12 mm時的閥芯位移曲線

以輸入信號12 mm時的閥芯位移曲線為例，從圖中可以看出左端在有輸入信號時，閥芯在彈簧力、壓差力、液動力等影響下迅速發生移動，經過一段調節時間后，閥芯在平衡位置穩定下來，而調節時間不超過0.25 s。同樣對輸入信號8 mm、16 mm分析可得結果類似。因此，仿真范圍內可得燃油分配器的響應迅速，調節時間較短，動態性能較好，符合設計要求。

3.3 魯棒性仿真分析

對于控制系統來說魯棒性是指系統在一定的擾動下，參數保持某一性能的特性。對于燃油分配器來說就是在某一參數發生偏移變化時，系統是否能夠保證穩定分配輸出。本文從入口壓力、主燃級和預燃級壓力、輸入位移信號4個變量中選取1個變量，其他變量保持不變，研究此變量與分配比的變化關系。

在輸入位移信號為8 mm時，保持入口壓力、預燃級和主燃級負載壓力不變，輸入信號在0.5 s后有0.2 mm的正方波信號，1.5 s后有個持續0.5 s的負方波信號，采樣頻率為1 000 Hz。故取輸入位移信號的擾動曲線為圖5所示，經過仿真所得分配比曲線為圖6所示。在輸入位移信號有較小的正負方波信號情況下，燃油分配器的分配比在4.58～4.64變化，變化范圍較小。因而可得:在仿真范圍內，輸入位移的小擾動對分配比影響較小，輸入位移信號的魯棒性較好。

圖5 分配比隨輸入信號變化曲線

在保持輸入位移信號，預燃級和主燃級出口壓力不變的情況下，對入口壓力從80 bar做了正負2 bar的階躍，得到如圖6所示的分配比隨入口壓力的階躍響應曲線。從圖6可以看出:雖然入口壓力發生了變化，但是分配比的變化較小，維持在4.58～4.63，因而分配比受入口壓力影響較小，分配器的入口壓力魯棒性較好。

圖6 分配比k隨入口壓力變化曲線

圖7 分配比k隨預燃級壓力變化曲線

在保持入口壓力、主燃級出口壓力、輸入位移信號不變的情況下對預燃級出口由50 bar做較小的正負1 bar的階躍，分配比變化如圖7所示。由圖中可以看出盡管預燃級壓力變化較小，但是分配比變化從2.9～8.1，顯然分配比變化范圍較大，影響燃油分配器性能，因而可得分配器的預燃級出口壓力的魯棒性較差。由分配器結構的對稱性可知，主燃級出口壓力的魯棒性也較差。

3.4 穩態性仿真分析

由于入口壓力和輸入位移信號的魯棒性較好，對分配比影響較小，因而對這2個變化量做進一步的穩態分析。在分析入口壓力與分配比的變化關系時，由于入口壓力變化較小，可設每時每刻的分配比趨于穩定，獲得了穩態的分配比隨入口壓力變化曲線，如圖8所示。由圖8可以看出:在入口壓力變化下，分配比有較小的變化，分析原因是由于入口壓力變化，預燃級和主燃級壓差都發生改變，2級的流量有較小變化，由于分配比是主燃級和預燃級流量之比，所以受到影響較小。

圖8 分配比k隨入口壓力的穩態變化曲線

同樣，在分析輸入位移信號和分配比的變化關系時，可假定輸入信號變化緩慢，分配比時刻穩定，得到分配比隨輸入信號的穩態變化曲線，如圖9所示。從圖9可以看出:隨著輸入位移信號的增大，分配比也線性增大，這與設計要求的通過輸入信號線性地控制分配比的大小相符，因而可得設計的分配比線性穩定性較好。

圖9 分配比k隨輸入信號的穩態變化曲線

4 結論

1)在仿真分析范圍內，分配器動態響應較快，調節時間較短。

2)在魯棒性仿真分析時，輸入位移信號和入口壓力的魯棒性較好，預燃級和主燃級出口壓力的魯棒性較差。

3)燃油分配比隨入口壓力的改變，其變化較小，穩定性較高;分配比隨輸入位移信號的變化，其線性穩定性較好，完全符合設計要求。

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