某渦軸發動機燃油活門組件設計與驗證

周秀清

（中國航發湖南動力機械研究所，湖南 株洲 412002）

燃油活門組件是某型渦軸發動機燃油系統的重要組成部分，是燃油通往燃燒室的必由之路，該附件集成了燃油分配和超轉回油功能。燃油分配的功能是將進入燃燒室的燃油進行分配，在發動機起動初期，采用副油路單獨供油，改善噴嘴霧化效果，提高發動機點火成功率；當供油量增加時，采用主、副油路同時供油；在發動機停車時，放掉燃油總管中剩余的燃油，防止噴嘴積碳。超轉回油的功能是在發動機動力渦輪超轉時將出口燃油返回到高壓泵前，使發動機轉速下降，防止出現破壞性超轉；當動力渦輪轉速低于超轉值時，恢復供油[1]。

1 設計要求及原理

1.1 燃油系統

發動機燃油系統框圖如圖1所示，直升機油箱的燃油進入低壓泵增壓，經低壓燃油濾組件過濾后進入高壓泵和調節裝置，計量后的燃油進入燃滑油散熱器，然后進入燃油活門組件，燃油活門組件將燃油分配成兩路分別進入燃燒室的主、副油路燃油總管。

圖1 發動機燃油系統框圖

1.2 系統要求

燃油系統對燃油活門組件提出了以下要求：

（1）起動時，向主、副油路燃油總管提供燃油；

（2）超轉時，將出口燃油返回到高壓泵前；

（3）停車時，將主、副油路燃油總管積油排至漏油口。

1.3 主、副油路打開壓力要求

1.3.1 副油路打開壓力要求

副油路負責給發動機起動噴嘴供油，選取合適的打開壓力，提高起動噴嘴霧化效果，縮短燃燒室點火時間。通過分析，確定副油路打開壓力為p副。

1.3.2 主油路打開壓力要求

主油路在發動機點火成功后打開，給主油路燃油總管供油，選取合適的打開壓力，提高發動機加速性和可靠性。通過分析，確定主油路打開壓力為p主。

若打開壓力設計過高，會給前端提供壓力油源的燃油泵調節器增加供油負擔，影響發動機的可靠性；若打開壓力設計過低，與副油路打開壓力相差不大，會有以下幾點影響：

（1）影響發動機在高原飛行的起動成功率。因為高原溫度低，燃油比較黏，需要噴嘴前的燃油壓力足夠高才能達到良好的霧化效果，如果主油路在副油路噴嘴點火成功前打開，會影響副油路的點火效率。

（2）可能會超溫。當副油路點火成功后，燃氣渦輪后溫度會達到一個峰值，如果主油路恰好在燃氣渦輪后溫度峰值時打開，發動機可能會出現超溫現象。

（3）影響發動機的高原飛行性能。在高原時，發動機所需燃油流量少，副油路提供的流量足以維持發動機低狀態飛行，如果主油路在低狀態也參與供油，會影響噴嘴霧化效果。

1.4 協同動作時間要求

超轉保護原理：當動力渦輪轉速超過保護值時，控制系統給燃油活門組件電磁閥通電，使出口燃油返回高壓泵前；當動力渦輪轉速低于超轉保護值時，控制系統給燃油活門組件電磁閥斷電，恢復供油。

超轉保護響應時間包括以下三個方面：電子控制器超轉確認給出信號時間T1、燃油活門組件電磁閥響應時間T2、電磁閥動作到燃油活門組件出口燃油壓力降至最小值的時間T3。時序圖如圖2所示。

圖2 超轉保護響應時序示意圖

超轉保護響應時間應該考慮從發動機超轉時加速到超轉保護最大值的時間，并在該時間上進行余量設計。燃油活門組件作為執行元件，動作時間T回油為超轉保護響應時間減去電子控制器確認時間T1。

超轉保護恢復時間同樣包括T4、T5、T6三個方面，時序圖如圖3所示。

圖3 超轉保護恢復時序示意圖

超轉保護恢復時間應該考慮在沒有燃油的情況下發動機從低于超轉的狀態下降到空氣渦輪起動機脫開狀態的時間，即在這個時間內發動機不需要空氣渦輪起動機帶轉能再起動，并在該時間上進行余量設計。燃油活門組件作為執行元件，動作時間T恢復為超轉保護恢復時間減去電子控制器確認時間T4。

通過分析，確定協同動作時間要求：

（1）常溫，從電磁閥接通的瞬時，到燃油活門組件出口壓力下降至最小值時止所需的時間不超過T回油。

（2）常溫，從電磁閥斷開的瞬時，到燃油活門組件出口壓力上升到最大值時止所需的時間不超過T恢復。

2 方案設計

2.1 組成

燃油活門組件主要由主油路活門、副油路活門、選擇活門和電磁閥構成。燃油活門組件共有5個油口，分別是進油口、主油路出口、副油路出口、漏油口、回油口。燃油活門組件框圖如圖4所示。

圖4 燃油活門組件框圖

2.2 工作原理

發動機未起動時，燃油活門組件進口壓力等于外界壓力，此時燃油活門組件的主、副油路活門在彈簧作用下處于關閉狀態。

發動機起動過程中，當進口燃油壓力達到p副時，副油路活門閥芯移動，燃油經副油路活門和選擇活門進入燃燒室副油路燃油總管；當進口燃油壓力繼續增大至p主時，主油路活門閥芯移動，此時燃油分成兩路，分別供給主、副油路燃油總管，實現燃油的分配功能。

當動力渦輪超轉時，燃油活門組件中電磁閥接通，選擇活門彈簧腔中高壓燃油與低壓腔溝通，選擇活門力平衡發生改變，閥芯移動到上止點，此時進口和回油油路溝通，則通往燃燒室的燃油中斷，發動機轉速下降，實現超轉回油；當電磁閥斷電后，選擇活門內油壓再次保持一致，閥芯移動到下止點，將進口和出口油路重新溝通，恢復供油。

當發動機停車時，燃油停止流向燃油活門組件，主、副燃油活門閥芯在彈簧作用下向下移動，燃燒室內剩余的壓力p3將噴嘴和總管中的燃油吹除，防止噴嘴積碳。

2.3 主、副油路活門彈簧參數設計

根據燃油活門組件尺寸鏈，計算彈簧在活門內打開時的壓縮量，并根據打開壓力要求，計算出彈簧的剛性大小，初步定出彈簧的基本尺寸。最后，根據擬好的彈簧參數及燃油活門組件的結構尺寸參數，復算彈簧各參數是否能達到打開壓力要求。計算過程如下：

（1）根據接口要求及流道情況,擬定活門直徑d1，當油壓達到打開壓力p時，通過公式（1）計算出活門需克服的彈簧工作載荷F；

（2）根據燃油活門工作環境確定彈簧材料為1Cr18Ni9，根據活門直徑初定彈簧絲徑d2和中徑D；

（3）根據彈簧穩定性要求（高徑比b≤5.3），根據公式（2）初定自由長度H；

（4）初定彈簧間隙δ；

（5）根據公式（3）確定工作圈數n；

（6）根據公式（4）得到并圈高度H0；

（7）根據活門結構尺寸和并圈高度H0，確定彈簧工作高度，然后得到彈簧壓縮量f；

（8）根據公式（5）得到彈簧彈力F彈，其中G為切變模量。若F彈與打開壓力F不匹配，則重新選取相關參數迭代設計，直到與打開壓力匹配。

3 半物理仿真試驗

將該渦軸發動機燃油與控制系統進行半物理仿真試驗，進口和主、副油路燃油壓力曲線如圖5所示。

用示波器同時采集電磁閥信號和出口燃油壓力信號。當電磁閥通電后出口燃油壓力開始下降，在ΔT回油（示波器讀取，從電磁閥通電時刻開始計時）時間后，出口燃油壓力下降到最小值，ΔT回油＜T回油；當電磁閥斷電后出口燃油壓力開始上升，在ΔT恢復（示波器讀取，從電磁閥斷電時刻開始計時）時間后，出口燃油壓力上升到最大值，ΔT恢復＜T恢復，滿足協同動作時間要求。

圖5 進口和主、副油路燃油壓力曲線

4 結論

本文根據發動機及其燃油系統的相關設計要求，對關鍵性能指標進行了分析，并細化、明確，在此基礎上提出了具有燃油分配和超轉回油功能的燃油活門組件設計方案。該燃油活門組件經半物理仿真試驗驗證，結果表明其性能滿足發動機設計要求。燃油活門組件集成了燃油分配和超轉回油功能，簡化了燃油系統結構，減輕了發動機質量，可為相關型號的燃油附件設計提供借鑒。