Arriel1D1發動機燃油系統運行原理分析

王博鰲　明卉　李銳銳

摘要：本文首先簡要介紹了Arriel1D1發動機的主要特點，其次對其燃油系統的主要組成及部件的工作原理做了闡述，最后就燃油系統的運行，從發動機開車到關車，在正常自動控制與應急手動控制情況下，分階段分情況進行了分析。通過分析對運轉、出現的各類情況有整體的認知，幫助維修人員對此發動機燃油系統有更深入立體的了解。

關鍵詞：Arriel1D1；發動機燃油系統；燃油流量；轉速

1 Arriel1D1發動機簡介

Arriel系列發動機是自由渦輪式渦軸發動機，由法國賽峰旗下的透博梅卡公司自20世紀70年代初期開始逐代研發而來。Arriel1D1中的“Arriel”為發動機的名稱，“1”分別為類型和型號，“D”為改型，目前已有20多個衍生型號。Arriel1D1發動機被用在AS350B2“松鼠”直升機上，該直升機是原法國宇航公司（現歐洲直升機公司）研制的六座輕型多用途直升機。

Arriel1D1發動機的功率相對較高，燃油消耗率較低，大修間隔時間較長，因此這是一臺功率充足、經濟性比較好且可靠性較高的發動機。它由五個單元體構成：單元體為傳動軸和附件齒輪箱、軸流壓氣機、燃氣發生器高壓段、動力渦輪、減速齒輪箱。單元體模塊化的設計可以減少維護成本與停場維修時間，對航空發動機來說，在當時是一種比較新穎的設計理念。

2 Arriel1D1發動機燃油系統簡介

Arriel1D1發動機燃油系統確保了發動機的供油、噴油，燃油控制、分配和計量。該發動機的燃油系統由直升機燃油系統供油，利用起動噴嘴和甩油盤噴油，通過液壓機械式控制設備和計量設備實現燃油控制，可實現自動控制或者手動控制，手動控制可在自動控制失效之后的應急狀態下，作為備用控制方式確保發動機正常運行。其主要由四大部件組成：燃油控制組件、起動活門組件、噴油組件、關車放油組件和燃燒室放油組件，如圖1所示。

2.1 燃油控制組件

燃油控制組件由燃油泵組件、燃油濾組件和計量組件構成，它需要提供適當的燃油流量來讓發動機功率與直升機旋翼負載相匹配。

燃油泵組件由壓力泵和釋壓活門組成。如圖2所示，壓力泵是一個由主動齒輪和從動齒輪構成的正齒齒輪泵，主動齒輪由附件齒輪箱驅動，兩個唇封之間有一個放油口以防止燃油進入附件齒輪箱。壓力泵接收來自直升機低壓燃油系統的燃油，燃油通過壓力泵吸入并增壓后以特定的壓力排出。在正常情況下，釋壓活門是一個由壓簧關閉的錐形活門，一旦泵的出口壓力超過3300kPa（478.5PSI），釋壓活門就會打開并使燃油返回到燃油泵進口以限制下游系統中的最大壓力，防止過壓導致系統故障。

燃油濾組件包括油濾組件、旁通活門和目視預堵塞指示器。油濾組件又由一個濾芯和兩個O型封嚴圈組成，濾芯用來過濾燃油中的雜質，O型封嚴圈用來確保濾芯和油濾殼體之間的封嚴。目視預堵塞指示器是一個差動目視指示器，它包括一個紅色的指示銷，當燃油濾堵塞致使壓差超過設定值時指示銷會彈出在透明蓋中，被維護人員看到。另外，當濾子進口和出口的壓差超過旁通活門設定值時，旁通活門會打開保證正常供油。燃油濾組件位于燃油泵組件和計量組件之間，防止外來物損傷精密的燃油計量組件，或堵塞燃油噴嘴。

計量組件的主要部件為等壓差ΔP活門和計量油針，通過改變計量油針在校準孔中的位置來改變輸出的燃油流量，而等壓差ΔP活門可以維持計量油針兩側的壓差恒定，使得噴入燃燒室的燃油流量只受計量油針控制。

2.2 起動活門組件

起動活門組件由起動噴嘴電磁閥、P2球形活門、再噴油抑制壓力開關和起動放油活門組成，該組件位于燃燒室機匣的上部。如圖3所示，起動噴嘴電磁閥在起動過程中通電的情況下打開，確保燃油被分配到兩個起動噴嘴，并且在起動結束后開始通氣。P2球形活門使得在發動機成功起動之后通P2氣，以防止殘余的燃油形成積碳阻塞噴嘴。再噴油抑制開關在完成起動后，萬一誤觸起動按鈕的話防止起動噴嘴再噴油，在P2壓力達到一個定值時再噴油抑制開關就會斷開電磁閥的供電。在起動初始階段，直升機燃油系統提供的燃油通過單向活門到達起動放油活門，起動放油活門打開會將燃油返回燃油箱，其目的是排出系統中可能存在的空氣，防止形成氣塞堵塞油路。

2.3 噴油組件

噴油組件由進油組件、供油管、分配器和帶噴嘴的離心甩油盤構成，其功能是實現徑向噴油，將燃油噴入燃燒室以提供穩定高效的燃燒。噴油組件安裝在發動機的燃燒室內部，其中進油組件安裝于壓氣機機匣的下右前方面板上，供油管連接進油組件和燃油分配器，分配器用螺栓安裝于擴壓器后側板上，甩油盤安裝在離心壓氣機和渦輪軸之間。

2.4 關車放油組件

關車放油組件包括一個關車放油活門和一個增壓活門，位于燃燒室機匣的左下部位。增壓活門是為了確保在起動階段燃油優先提供給起動噴嘴，在發動機轉速較高后再供油給甩油盤。而關車放油活門是為了在發動機關車后排凈甩油盤中的殘余燃油以防止積碳。

2.5 燃燒室放油組件

燃燒室放油組件是為了將燃燒室中未燃燒的燃油排出以防止形成積碳，它安裝在發動機渦輪機匣的下部。它的主要部件是燃燒室放油活門，該活門為半球形活門，發動機起動后燃燒室壓力增大，此壓力作用于活門上部并使之向下移動，從而關閉活門，大約在40%N1轉速時關閉，放油結束；當發動機關車后，活門通過拉簧打開，燃燒室中未燃燒的燃油通過放油活門排放，以確保燃燒室中沒有殘積燃油。

3 Arriel1D1發動機燃油系統運行分析

Arriel1D1發動機燃油系統在發動機運行的全過程中扮演著極其重要的角色，接下來我們對整個燃油系統的運行，從發動機開車到關車，正常自動控制與應急手動控制情況下，分階段分情況進行分析。

3.1 自循環排氣階段

在發動機起動前，燃油箱至發動機的管路中難免會有空氣，這些空氣容易引起氣塞現象，而氣塞會讓燃油系統的運行不穩定，因此就需要在起動前將空氣排出。

發動機燃油泵是由附件齒輪箱來驅動的，發動機未工作時發動機燃油泵也無法給燃油增壓，所以它的下游沒有壓力。油箱內的電動增壓泵接通后，經它增壓過的燃油繞過發動機燃油泵，流經單向活門至起動放油活門。因為發動機燃油泵的下游沒有壓力，所以起動放油活門的膜盒在增壓泵的作用下向下移動，起動放油活門中的燃油就會自循環返回至燃油箱，這樣就實現了發動機起動前燃油管路的排氣。

3.2 N1轉速小于45%的起動階段

發動機起動時起動附件開始供電，發動機燃油泵開始運轉，在增壓活門的作用下將燃油優先提供給起動燃油噴嘴。同時火花塞被供電，點燃起動噴嘴噴出的燃油。然后隨著發動機轉速的增大，發動機燃油泵出口壓力增大，打開增壓活門后為離心甩油盤供油。起動噴嘴位置的火焰點燃甩油盤甩出的燃油。通過油門桿可以控制燃油流量，當N1轉速達到45%時，起動附件的供電因為松開起動按鈕而斷開，起動電磁閥切斷起動噴嘴的供油油路，來自壓氣機的P2氣因而可以頂開球形活門，并通入起動燃油噴嘴以避免積碳堵塞燃油噴嘴。此時，只通過離心甩油盤給燃燒室供油。

3.3 N1轉速大于52%的起動階段

發動機繼續加速至52%N1轉速時，在P2氣壓力的作用下再噴油抑制壓力開關會切斷起動電磁閥的供電，以防止飛行員意外觸動起動按鈕再噴油。這時候如果再噴油會造成燃燒室富油，可能導致發動機熄火。油門桿逐漸移動至飛行位的過程中，逐漸打開的主燃油活門會加速發動機直到液壓機械控制開始接管。

3.4 自動控制

發動機在加速至52%N1轉速之后，就會進入自動控制階段，由液壓機械控制來完成對燃油流量的控制。渦軸發動機有兩大主要部件：燃氣發生器和動力渦輪。動力渦輪用于驅動負載裝置（直升機旋翼和尾槳系統），其主要作用是保持轉速恒定，進而實現旋翼產生的升力只受槳矩的變化來控制。燃氣發生器轉速越大，產生的燃氣就越多，動力渦輪吸收的能量就越多。而燃氣發生器提供的燃氣和燃油流量的大小密切相關，因此就需要液壓機械控制來計量燃油流量的大小，以按旋翼負載的需求來匹配發動機的功率，從而維持動力渦輪和旋翼轉速恒定。

液壓機械控制的原理在于，將來自動力渦輪的轉速信號轉化為燃油流量的調制信號，系統通過控制燃油計量油針的位置來控制燃油流量大小。在發動機加速時會增大燃油流量，為避免加速時供油量增加得太快導致燃氣發生器喘振，需要加速控制器在加速過程中適當控制燃油量的增加過程；在發動機減速時會減小燃油流量，為避免供油量減小得過快導致燃燒室熄火，需要減速控制器在減速過程中適當控制燃油量的減小過程。

燃氣發生器和動力渦輪分別是靠燃氣發生器調速器和動力渦輪調速器進行轉速控制的。動力渦輪調速器根據旋翼負載的變化確定一個相應的燃氣發生器轉速（簡稱Ng）調節信號，并將信號傳遞給燃氣發生器調速器，使之據此信號調節Ng，以保持動力渦輪轉速（簡稱Nft）不變。而燃氣發生器調速器能比較動力渦輪調速器傳遞來的Ng調節信號和當時實際的Ng，然后調節燃油流量使Ng達到所需要的值，從而保持Nft不變。

3.4.1 動力渦輪調速器調節分析

動力渦輪調速器調節的基本原理是根據負載變化建立一個調制壓力，從而通過放大器確定一個燃氣渦輪轉速調節信號。燃油調節器的定壓活門提供基準壓力燃油，它一方面經節流嘴進入調制腔，另一方面作用于放大器活塞左邊，調制腔內的壓力取決于放大器活塞上的分壓器噴嘴的回油量，即擋板活門位置，而擋板活門位置則由離心飛重和預調器凸輪的位置決定。

預調器與直升機總距桿是聯動的，總距改變時預調器通過凸輪改變彈簧的壓縮量。離心飛重隨動力渦輪傳動軸旋轉，產生的離心力與彈簧彈力平衡。在穩定狀態下，擋板活門的位置一定，調制腔內的調制壓力穩定不變，放大器活塞右邊作用著調制壓力，而左邊作用著基準壓力，因此活塞處于平衡狀態。它決定了比例杠桿的一個位置，也就是決定了燃氣發生器轉速。

當負載變化時，由于預調器凸輪改變了彈簧彈力或離心飛重組件改變了離心力，原來的平衡狀態被打破，擋板活門位置改變，調制壓力改變，放大器活塞移動，確定一個新的燃氣發生器調節信號，通過比例杠桿傳遞給燃氣發生器調速器，經燃氣發生器調速器調節計量燃油流量從而得到一個新的燃氣發生器轉速，使之適應負載變化，動力渦輪轉速會重新穩定在額定轉速。

3.4.2 燃氣發生器調速器調節分析

燃氣發生器調速器的調節原理在于將自由渦輪調速器傳遞來的Ng調節信號轉化為調制壓力，通過工作活塞控制計量油針位置來控制燃油流量。同步活塞和同步節流嘴起液壓阻尼作用。從定壓活門來的基準壓力燃油，經節流嘴進入調制腔，腔內的調制壓力決定于分壓器噴嘴回油量即擋板活門位置，擋板活門位置又取決于感受Ng調節信號的彈簧彈力和離心飛重的離心力。穩態時，這兩個力互相平衡，擋板活門穩定在平衡位置不動，調制壓力也穩定不變，工作活塞也處于穩定狀態。

當感受到Ng調節信號（比例杠桿位置）有變化時，彈簧力改變，原來的平衡狀態被打破，擋板活門移動，調制壓力改變，工作活塞和計量油針位置隨之改變，因計量活門燃油流量只與計量油針位置有關，故燃油流量也相應改變，從而獲得能滿足調節信號要求的Ng值，去適應負載變化而保持Nft不變。

3.5 手動應急控制

手動應急控制是在液壓機械控制失效，不能正常控制燃油流量的情況下，作為備份控制，通過手動操縱來實現對燃油流量的控制。手動操縱包括的部件有油門桿、總距桿和燃油控制組件。

當發現燃油流量異常小的情況時，可手動將油門桿推至應急范圍來增大燃油流量。這時應急燃油活門打開，燃油不經過燃油計量活門，而是從旁通油路進入發動機。此時甩油盤總的燃油流量就是計量活門的流量與應急活門的流量之和。當發現燃油流量異常大時，可將油門桿收回到正常飛行位置以下，關小主燃油活門來限制燃油流量。

3.6 發動機關車階段

發動機關車時，油門桿會被移至最后的關車位置，以關斷主燃油活門使燃油切斷，主燃油活門下游的燃油壓力為零。此時發動機還在運轉中，燃油泵下游主燃油活門上游位置的燃油壓力不變，因而關車放油活門向下移動，離心甩油盤的供油油路被切斷的同時與連接至燃油箱的放油管連通。在燃燒室殘余氣壓的作用下，離心甩油盤中殘余的燃油會被反吹至燃油箱，以防止殘余的燃油在燃燒室高溫余溫的作用下形成積碳，堵塞甩油盤。

結語

本文簡要介紹了Arriel1D1發動機的主要特點，參考Arriel1發動機培訓手冊闡述了其燃油系統主要組成部件的工作原理，并且著重分析了其燃油系統的運行原理。希望能借本文分享自己的淺知拙見，與航空發動機從業人員交流。

參考文獻：

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［2］朱桐斌.基于功率裕度的ARRIEL 2S系列發動機全壽命性能分析與研究［D］.廈門大學，2017.

作者簡介：王博鰲（1991—），男，吉林公主嶺人，碩士研究生，研究方向：民航機務維修技術。