變流量數燃油噴嘴動態模擬裝置及控制方法

王 濤 楊杼衡

（中國航發商用航空發動機有限責任公司，上海 200000）

變流量數噴嘴指的是噴嘴的流量數隨著流過噴嘴的流量變化的噴嘴。與傳統定流量數噴嘴不同，這種噴嘴在小流量下具有較小的流量數，可以保持較高的流速與壓降，從而保證小流量時燃油仍擁有較好的霧化效果，可有效提高燃燒效率、降低污染物排放并提高點火性能。隨著民機對燃燒室排放要求的日益提高，該型噴嘴得到了更廣的研究與應用[1]。

然而，變流量數噴嘴為發動機控制系統半物理試驗和燃油分配器標定試驗帶來了較大的困難。航空發動機燃油系統中為調節不同油路的流量比例，通過燃油分配器內兩個并聯調節閥的開度調節實現輸出油路的流量比例調節[2]。若使用傳統固定流量數噴嘴，在開展燃油分配器分配比例標定試驗時，使用孔板模擬噴嘴的流量特性即可。若使用變流量數噴嘴，模擬噴嘴的流量數隨著流量增大而增大，使得傳統的孔板型當量噴嘴不再適用。燃油分配器標定的工況點多則數千個，各工況點對應的噴嘴流量數組合均不相同，且特性工況點下確切的流量數是未知的。若采用仿真軟件計算，則失去了試驗的意義。真實燃油噴嘴組件較為昂貴且較難獲取，且使用真實噴嘴開展試驗的實用性也較差。因此，急需一種可以模擬雙油路離心噴嘴流量特性隨流量變化的模擬裝置，以便半物理試驗和燃油分配器標定試驗的開展[3-4]。

常用的模擬噴嘴控制方法是在模擬噴嘴油路上設置流量計，通過測試流經噴嘴的流量實時改變噴嘴開度，從而實現噴嘴流量特性隨著流量變化的模擬[5]。這種方案在模擬單個噴嘴時完全可以勝任，但當多個噴嘴并聯時，總流量不變的情況下，單個噴嘴的流量增大會導致該噴嘴流量數的增大，從而導致更多的燃油流經該噴嘴，形成正反饋的發散系統。因此，該方案不能適用于多噴嘴并聯的情況。

本文從變流量數噴嘴的作動機理分析出發，通過模擬真實噴嘴的運動機理，提出一種壓差動力控制法，實現了多噴嘴并聯條件下流量特性的穩定、快速跟蹤。

1 模擬噴嘴裝置

1.1 變流量數噴嘴流量數變化機理分析

變流量特性噴嘴結構，如圖1所示。當燃油流經噴嘴時，會在噴嘴進口與出口形成兩個不同的壓力P1、P2，從而產生推動閥芯打開的液壓力FP=A·(P1-P2)，其中A為閥芯有效面積，穩態條件下FP等于彈簧產生的彈簧力FS。隨著流量的增加，作用在噴嘴上的液壓力FP增大，推動閥芯打開，使得流量數FN增大，如圖2所示。

圖1 變流量特性噴嘴結構示意圖

圖2 典型噴嘴流量特性

使用牛頓第二運動定律對噴嘴開展動力學分析：

式中：m為閥芯質量；a為閥芯加速度；V為閥芯運動速度；A為閥芯有效面積。

1.2 裝置原理

圖3 單組噴嘴模擬裝置原理圖

實際應用中，噴嘴模擬裝置需要模擬多組噴嘴的流量特性。多路噴嘴模擬裝置在結構上將多個單組在出口處并聯，各路噴嘴后共用一個壓力傳感器即可。噴嘴入口連接燃油分配器，具體原理如圖4所示。

圖4 多組噴嘴模擬裝置并聯原理圖

1.3 閥門設計

噴嘴模擬裝置的核心部件是調節閥。在實際應用中，需要模擬的噴嘴流量數范圍較寬，通常達到20:1，且對模擬噴嘴在小流量數范圍時的精度要求較高，因此在設計調節閥時應將閥芯結構應設計為倒三角形，流量特性為近等百分比型，閥芯結構與流量特性曲線，分別如圖5和圖6所示。模擬噴嘴流量特性與開度關系近似為FN=K×10L-1。其中：FN為模擬噴嘴流量數比，最大為1；L為模擬噴嘴的開度，最大為1。

圖5 閥芯結構與流量特性曲線

圖6 閥芯流量特性曲線

為達到快速響應的目的，電控閥門的執行機構運動速度應盡量快，且全行程的執行時間應不大于流量最小上升時間。實際應用中采用伺服電缸驅動閥門，全行程時間可小于0.2 s。

2 模擬噴嘴控制算法

2.1 壓差動力控制法

壓差動力控制法是在簡化真實噴嘴速度公式的基礎上實現對閥門的控制。根據閥門的當前開度L，查開度-壓差表，得到該位置的模擬彈簧力Fs(L)。閥門前后實際壓差為dtP，控制閥門的運動速度大小為V=K·[dtP-Fs(L)]，K為速度系數。當V＞0時，打開閥門；當V＜0時，關閉閥門。單組噴嘴模擬裝置傳遞函數如圖7所示。

圖7 單組噴嘴模擬裝置傳遞函數

2.2 仿真分析

對單噴嘴模擬裝置模擬開展流量階躍測試，如圖9（a）所示。燃油流量在t1時刻階躍至Wf1，模擬噴嘴各參數響應曲線如圖9（b）～圖9（d）所示。其中，模擬噴嘴前后實際壓差dtP在t1時刻階躍后逐漸下降收斂至P1；模擬彈簧力Fs(L)在t1時刻逐漸上升至P1，與液壓力達到平衡；閥門運動速度在t1時刻階躍后逐漸恢復至0；閥門開度在t1時刻逐漸上升至L1，隨后保持穩定。因此，單噴嘴模擬裝置對流量階躍或干擾響應時是收斂的，收斂速度與閥門運動速度相關。

圖8 3組模擬噴嘴并聯傳遞函數

圖9 單噴嘴模擬裝置流量階躍響應

多組噴嘴模擬裝置并聯時，由于流量、壓力相互影響，并聯后的收斂性需要進一步分析。測試方案為：

（1）設置模擬裝置A、B、C的速度系數KA、KB、KC分別為2、4、3，以模擬各裝置的速度性能差異；

（2）A、B、C這3組模擬噴嘴的開度-模擬彈簧力特性曲線以及開度-流量數特性曲線一致；

（3）在5 s時刻設置總燃油流量Wf從1 000 kg·h-1階躍至9 000 kg·h-1；

（4）在7 s時刻對A模擬裝置油路總流量系數疊加一負值常數，以模擬燃油分配器中的調節閥動作時對油路施加的影響。

多噴嘴模擬裝置并聯時，各路流量對外界干擾的響應如圖10所示。

圖10 多噴嘴模擬裝置并聯時各路流量對外界干擾的響應

（1）5 s時刻在總流量階躍上升至9 000 kg·s-1后，由于B油路模擬噴嘴速度系數K最大，Wf-B率先上升，隨著而后迅速回落。由于3組噴嘴開度-流量數曲線以及開度彈簧力曲線特性曲線相同，3組噴嘴流量最終趨于一致。

（2）7 s時刻在A噴嘴油路流阻瞬間增加后，A噴嘴油路流量快速下降，B、C油路流量快速上升，3組噴嘴流量在一定超調后逐漸趨于穩定。

3 試驗結果

按圖3原理圖搭建噴嘴模擬裝置，如圖11所示。該裝置包含3組并聯的模擬噴嘴，其中A、B兩組噴嘴開度-壓差特性曲線相同，開度-流量數特性曲線為4:1關系。在A、B兩組模擬噴嘴壓差相同的情況下，A、B兩組流量應為4:1。對該裝置分別開展流量階躍測試、流量分配比調節測試，以測試本裝置在這兩種工況下調節的快速性和穩定性。

圖11 多噴嘴模擬裝置實物圖

3.1 流量階躍測試

通過設置燃油分配器，將C油路流量完全關閉，A、B油路流量完成放開，開展流量階躍測試。如圖12所示，總流量Wf從2 500 kg·h-1上升至3 800 kg·h-1后，A、B模擬噴嘴壓差dtP-A、dtP-B同步上升。由于A、B兩路噴嘴壓差相同，圖12中兩條曲線重合。隨著總流量上升，A、B模擬噴嘴流量Wf-A、Wf-B分別上升，且兩支路流量比例保持為4:1，各參數在2 s內穩定，隨后運行平穩。

圖12 總流量階躍上升后A、B模擬噴嘴流量、壓差響應

3.2 流量分配比調節測試

保持總供油流量Wf在6 100 kg·h-1，待系統穩定運行后，通過分配器調節兩次C噴嘴的分配比例，結果如圖13所示。C噴嘴支路壓降dtP-C分兩次從2.7 MPa下降至2 MPa，C噴嘴支路流量Wf-C同步下降；A、B噴嘴支路壓差分兩次從2.7 MPa上升3.1 MPa，A、B噴嘴支路流量Wf-A、Wf-B同步上升，比例保持4:1。從圖13可以看出，在流量分配測試中，各噴嘴支路流量、壓差指標快速調整，穩定性較好。

圖13 總流量階躍上升后A、B模擬噴嘴流量、壓差響應

4 結語

本文在開展變流量數噴嘴動力學分析后，設計了一套基于調節閥控制的噴嘴模擬裝置，提出了模擬真實噴嘴動作機制的壓差動力噴嘴控制算法，即根據實際壓差與理論彈簧力的差值，等比例控制調節閥的運動速度。通過建模分析和試驗驗證，表明基于壓差動力算法控制的噴嘴模擬裝置對外界輸入干擾能夠快速收斂，具有較好的穩定性和模擬精度。