用于分級燃燒的高性能燃油分配器的改進設計與仿真

李　鑫，張　榮，葉志鋒

（1.南京航空航天大學能源與動力學院，南京210016；2.中航商用航空發動機有限責任公司，上海200241）

用于分級燃燒的高性能燃油分配器的改進設計與仿真

李鑫1，張榮2，葉志鋒1

（1.南京航空航天大學能源與動力學院，南京210016；2.中航商用航空發動機有限責任公司，上海200241）

為了提高燃料使用效率、降低污染物排放，在已有分級燃燒燃油分配器基礎上，針對航空發動機雙環腔燃燒室改進設計了1種高性能燃油分配器。簡述了分級燃燒燃油分配器的工作原理，建立了其A M ESim模型。根據設計要求，通過仿真驗證了燃油分配器的穩定性、分配比與輸入信號的穩態關系，計算了燃油分配器輸出與燃油分配計劃表之間的誤差，分析了燃油分配器的動態特性以及對外部參數變化的魯棒性，并且針對該分配器的非線性特性提出了解決辦法。仿真結果表明：與文獻［4］所設計的燃油分配器相比，改進設計的燃油分配器魯棒性更好，穩態和動態性能更優。

燃油分配器；航空發動機；A M ESim建模；性能研究

0　引言

在航空發動機工作時燃料燃燒不充分，產生的有害物質由飛機在高空直接排放，對于大氣的危害比地面設備更嚴重，加劇了溫室效應和氣候變化。利用分級燃燒原理可以使發動機在不同工作狀態下充分利用燃料，從而降低污染物排放［1-3］。實現分級燃燒，需要設計相應的燃燒室結構，通過優化的燃油分配器來實時分配燃油。

滿足分級燃燒需求的燃油分配器，需要精確控制燃油流量分配比，在穩態過程中保持穩定的分配比，不受供油壓力和負載壓力的影響，在動態調節過程中響應迅速，分配比值無明顯振蕩和超調。南京航空航天大學的唐強等［4］針對雙環腔燃燒室設計了相應的燃油分配器，但所設計的燃油分配器的分配比受負載壓力影響較大，分配比大小不能由輸入信號惟一確定，且動態性能也不理想。本文根據相同的設計指標，重新對燃油分配器進行了設計。

1　燃油分配器的方案設計

1.1燃油分配器原理介紹

燃油分配器主要設計指標如下：

（1）燃油最小流量為50kg/h，最大流量為5500kg/h；燃油分配器進口壓力小于等于9MPa。

（2）穩態精度不低于3%，動態響應時間小于0.1s，無明顯振蕩，超調量小于5%。

設計要求發動機在小工況下僅預燃級供油；在中等工況和大工況下預燃級和主燃級都供油。所設計的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器由燃油分配活門連續控制，通過調整輸入信號實現對燃油分配比的控制，從而實現分級燃燒的功能。

基于等量分流閥閥芯能夠根據壓差變化動態調整的特性和流量公式設計的高性能燃油分配器［5-9］的原理如圖1所示。

圖1　高性能燃油分配器原理

從圖中可見，分配器共分2級閥，第1級閥閥1的右端接位移輸入桿，通過該桿對閥1的閥芯輸入位移，直接改變可變節流口1、2的開口量，使兩端輸出流量發生變化。兩端的輸出流量分別通入第2級閥閥2的2個輸入口，經過閥2的可變節流口3、4流出，可變節流口3、4分別接預燃級和主燃級。由于流量不同，從1、2兩端流入閥2的油液壓力不同，假設P1＜P2，壓差產生的反饋作用加于閥2閥芯的兩端使得閥芯向左移動，導致可變節流口3減小、4增大，最終閥2閥芯在左右彈簧力和液動力的共同作用下在某一點達到平衡。在不改變1、2兩端輸出流量的前提下，調整了1、2兩輸出端油液的壓力，使P1、P2基本相等，2個出口與入口的壓力差相等，兩端流量之比只與可變節流口1、2的面積有關，從而分配比由閥1右端桿輸入位移量信號惟一決定。

1.2燃油分配器的尺寸參數計算

燃油分配器工作時，入口燃油流量為Q0，壓強為P0，分為2路經過可變節流口1、2從閥1流出，對應的預燃級、主燃級流量分別為Q1和Q2，壓強分別變為P1和P2。2路燃油經閥2可變節流口3、4流出后壓強變為P3和P4，最后通過固定節流口3、4連接負載P5、P6。

當燃油分配器預燃級和主燃級同時供油時，根據流量公式［10］，閥1右端輸入位移x1時有如下方程

式中：x1為閥1閥芯位移即閥1右端輸入桿輸入信號；x2為閥2閥芯位移；Cd1、Cd2和Cd分別為可變節流口1和2、3和4、固定節流口3和4的節流系數；Kf為液動力剛度系數［11］；k為閥2左右兩側的彈簧剛度系數；A1、A2分別為固定節流口3、4的截面積；D1、D2分別為固定節流口3、4的直徑；w1、w2分別為可變節流口1和2、3和4的面積梯度；u1、u2分別為可變節流口1和2、3和4的預開口量（開口形式為矩形局部開口）。K為主燃級和預燃級的燃油分配比。

只有預燃級供油時，Q2為零，閥1閥芯位置固定，由于彈簧剛度相對較小，閥2閥芯位置也基本固定。此時，計算變為固定壓差下燃油流經固定節流口的問題，驗證設計結構滿足要求即可，在這里不再詳細介紹。

基本參數設定完成后，根據上述各方程和設計要求，借助Matlab可計算出各項穩態參數。

2　燃油分配器的AMESim仿真建模

2.1燃油分配器的AMESim模型

根據計算得到的參數，借助AMESim建立的燃油分配器的仿真模型如圖2所示［12］。

圖2　燃油分配器仿真模型

2.2燃油分配器的仿真結果分析

2.2.1設計要求檢驗

根據設計指標中的燃油分配計劃表，在設計性能要求范圍內，在1、2級閥同時工作的情況下，通過仿真獲得的預燃級和主燃級燃油分配誤差如圖3所示。在圖3中，橫坐標Q2為燃油分配計劃表中給出的設計主燃級流量，曲線η1、η2為對應的仿真主燃級流量和預燃級流量與設計指標的誤差。盡管預燃級流量誤差相對大一些，但二者的誤差都小于2.3%，符合穩態精度的要求。

圖3　預燃級和主燃級燃油分配誤差

2.2.2穩態性能分析

下面分析燃油分配器的穩態特性［13-14］。

（1）供油壓力的影響。取x1=5mm，P5不變，入口供油壓力P0=7～10MPa，燃油分配比K的變化如圖4所示。

圖4　分配比K隨供油壓力P0變化曲線

從圖中可見，在P0從7MPa變化到10MPa過程中，燃油分配比K始終恒定，即K不受P0變化的影響。在其它工作點結果相同。

（2）出口壓力的影響。預燃級和主燃級出口壓力發生變化的影響機理相同，限于篇幅，本文取預燃級出口壓力P5發生變化的情況進行研究。設x1=5mm，P0不變，P5=4.0～4.5MPa，分配比K、閥芯位移x2的變化曲線如圖5所示。

圖5　分配比K、閥芯位移x2隨出口壓力P5變化曲線

從圖中可見，隨著預燃級出口壓力P5的變化，通過閥芯位移x2的自動調節，燃油分配比K始終保持恒定。其它工作點結果相同，相對文獻［4］，該燃油分配器優勢顯著。

（3）燃油分配比與輸入信號的關系。P0、P5、P6不變，輸入位移信號x1=0～6mm，分配比K的變化曲線如圖6所示。

從圖中可見，分配比K隨著x1的增大而增大，這說明分配器可以根據輸入桿的位移有效地控制燃油分配比的大小。但受定義式數學關系的影響，在分配比較大時，線性度不好，需要事先對分配比和輸入桿位移的關系進行修正。

圖6　分配比K隨輸入信號x1變化曲線

2.2.3動態性能分析

對于動態性能，主要驗證燃油分配器在輸入位移信號x1后的響應速度，利用階躍響應的調節時間來度量該響應速度。設初始時刻給予位移x1從0～5mm的階躍信號，在0.2s時再給予3～5mm的負階躍信號，燃油分配比K和閥芯位移x2的響應曲線如圖7所示。

圖7　分配比K和閥芯位移x2的階躍響應曲線

從圖中可見，分配器輸入階躍信號時，燃油分配器閥芯位移x2和分配比K迅速響應，調節時間僅為0.05s，且在調節過程中沒有出現震蕩和超調，動態性能良好。

2.2.4魯棒性分析

這里的魯棒性是指分配器受到一定的外部動態擾動下，輸出保持某一穩定值的特性［15］。

（1）供油壓力突變。取x1=5mm，P5不變，P0在8MPa附近于0.5s和1.5s2個時刻發生±0.5MPa突變的情況下，分配比K的變化曲線如圖8所示。

從圖中可見，供油壓力P0發生突變情況下，燃油分配比K基本保持不變。

（2）出口壓力突變

預燃級出口壓力和主燃級出口壓力發生突變的影響機理相同，選取預燃級出口壓力P5發生突變這一工況進行研究。

圖8　供油壓力P0發生突變分配比K變化曲線

取x1=5mm，P0不變，預燃級負載壓力P5在4MPa附近于0.5s和1.5s2個時刻發生±0.2MPa突變的情況下，閥芯位移x2、分配比K的變化曲線如圖9所示。

圖9　出口負載壓力P5突變分配比K、閥芯位移x2變化曲線

從圖中可見，雖然因為出口壓力P5的突變，導致燃油分配比K發生了瞬間波動，但是由于閥2迅速調節，燃油分配比K很快恢復了初始值，可以認為燃油分配器在出口壓力發生突變的情況下性能良好。

2.3燃油分配器非線性特性的修正

如前文所述，分配比K隨著輸入位移信號x1變化的關系受定義式數學關系的影響，線性度不好。為此，將可變節流口1、2的開口形式由原來的矩形改變為梯形局部開口，利用開口形狀的數學變化關系來改善線性度，開口形式如圖10所示。

圖10　梯形局部開口

設輸入位移x1=0時，左右開口面積同為S，左右直角梯形的下底長度分別為w1、w2，左右直角梯形斜邊的傾斜系數分別為b1、b2，可以得到分配比K的數學計算式

合理設計b1、b2的值，就能有效地改善分配比K隨著x1變化曲線的線性度。如果取b1=0.28，b2=0.1，借助Matlab得到如圖11所示的曲線，燃油分配比調節的線性度相比圖6有了顯著改善。

圖11　Matlab仿真曲線

3　總結

（1）對用于分級燃燒的燃油分配器進行設計和建模仿真表明，所設計的燃油分配器穩態、動態性能好，抗干擾能力強，分配比控制精度高，完全可以滿足工程需要。

（2）相比于文獻［4］所設計的燃油分配器，本文所設計的燃油分配器魯棒性更好，穩態和動態性能更優。根據需要設計合適的可變節流口的開口形狀，可以有效彌補分配比隨輸入位移變化線性度不好的缺陷。

（3）在對分配器進行理論設計的過程中，簡化了部分結構，基于AMESim軟件進行的仿真也存在一定局限性，需要結合試驗來進一步驗證其特性。

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（編輯：趙明菁）

Improved Design and Simulation of High Performance Fuel Distributor for Staged Combustion

LI Xin1，ZHANG Rong2，YE Zhi-feng1
（1.College of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China；2.AVIC Commercial Aircraft Engine Co.Ltd.，Shanghai 200241，China）

In order to improve fuel efficiency and reduce pollutant emissions，a high performance fuel distributor was designed for the engine of double annular combustor based on the existing fuel distributor of staged combustion.Working principle of the fuel distributor for staged combustion was introduced and its model was developed with the simulation software called AMESim.According to the design requirements，the stability of the fuel distributor and the relationship between its distribution and input signal at steady state were verified by simulation.The error between fuel distributor's output and the fuel allocation plan table was calculated.The dynamic characteristics of the fuel distributor and its robustness of external parameter variations were analyzed.Moreover，a solution to the nonlinear characteristic of the fuel distributor was proposed.The simulation results show that the fuel distributor with improved design has better robustness，better steady state and dynamic performance compared with that in reference［4］.

fuel distributor；aeroengine；AMESim model；performance research

V 233.2

Adoi：10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.05.007

2016-05-10基金項目：航空科學基金（2012ZB52）資助

李鑫（1992），男，在讀碩士研究生，研究方向為航空發動機液壓系統控制仿真；E-mail：lixindzx@163.com。

引用格式：李鑫，張榮，葉志鋒，等.用于分級燃燒的高性能燃油分配器［J］.航空發動機，2016，42（5）：38-42.LIXin，ZHANGRong，YEZhifeng，etal.Improved designandsimulationofhighperformancefueldistributorforstagedcombustion［J］.Aeroengine，2016，42（5）：38-42.