航空發動機用燃油計量系統新型活門設計及研究

楊偉，鄧熠，李強，王羽熙，司國雷，陳君輝，王嘉磊

(四川航天烽火伺服控制技術有限公司，四川成都 611130)

0 前言

燃油調節系統是航空發動機的重要組成部分。航空發動機工作時，燃油計量系統控制發動機燃油量，以實現飛行動作改變[1-2]。故燃油流量增加和減少的速度直接影響導彈的速度增益。根據現階段戰術武器的工作要求，當發動機加速或者減速指令下達后，為防止發動機供油響應失常，燃油計量系統需在1.5 s內做出準確響應。因此，設計時間響應更加快速的主調節活門是保證發動機正常運轉的重點工作。

按照燃油控制方式，可將燃氣渦輪發動機的燃油計量系統分為手動控制、氣動控制、機械液壓控制和數字電子控制等[3]。理想的燃油計量系統應具備結構簡單、質量輕、溫升小和高可靠性等特點。目前，國際航空發動機控制系統發展的主要趨勢是：以計算機為核心的數字電子控制系統取代傳統的機械液壓調節器，進而整合飛行、燃油流量、進氣等控制系統，實現集成化數字控制[4-5]。目前，我國航空發動機燃油計量系統也開始向數字電子調節器發展，已經在一些原型機上取得了示范應用，但實際應用仍以技術成熟的機械液壓式為主[6-8]。2002年西北工業大學馬靜、王鏞根[9]對X型燃油計量系統進行了元部件和系統建模、仿真研究，分析了相關參數的影響。2006年西北工業大學陸宏亮[10]、李吉[11]分別對某型號發動機用燃油計量系統進行了建模仿真分析。1997—2003年，北京動力機械研究所研制了渦扇發動機，設計了脈寬數字控制方式的機械液壓調節器，具有響應速度快、控制精度高的特點。

本文作者結合機械液壓式調節器結構原理，對燃油計量系統主調節活門進行再設計，使它具備更加高效的活門響應特性。

1 燃油計量系統結構及工作原理

燃油計量系統具體結構如圖1所示。

圖1所示的燃油計量系統機械結構中，主調節活門、齒輪泵、出口組件、占空比活門、電磁閥和角位移傳感器組成機械式閉環反饋系統。當燃油計量系統監測到發動機工況變化時，根據角位移傳感器采集數據，占空比活門開啟脈寬調制，調整出口組件的閥口開度，齒輪泵從油箱中抽取燃油輸送至發動機燃燒室，實現發動機燃油油量按需供給。啟動電磁閥、等壓差活門和限壓電磁閥用于調整燃油計量系統內部燃油壓力，使它處于穩定的壓力狀態。

在發動機燃油流量調整中，燃油計量系統的響應時間是衡量其性能的關鍵參數。響應時間越短，意味著發動機能夠越快獲得燃油補給，直接協助飛行器做出高效的動作響應[12-13]。在圖1所示的燃油計量系統組成結構中，占空比活門將直接控制主調節活門的閥門開度，對發動機進行燃油補給，若需實現發動機對飛行動作的高效響應，則主調節活門對占空比信號的響應時間至關重要。因此，主調節活門的動態特性是影響燃油計量系統綜合響應性能的重要部件。

2 主調節活門控制原理及其響應

2.1 新型主調節活門結構

傳統型主調節活門結構是現階段發動機燃油計量系統常用的結構形式，如圖2(a)所示，該結構具有結構緊湊、動作響應時間短的優點，故而廣泛地應用于各類型航空發動機燃油計量系統中。伴隨著飛行器對發動機燃油供給提出了更加快速的要求，文中設計了一款新型主調節活門，以期進一步提升燃油計量系統的供油效率，實現燃油的快速供給，其結構如圖2(b)所示。

圖2 傳統型(a)和新型(b)主調節活門結構

文中設計的新型主調節活門結構由導向桿組件、油濾組件、油針組件、襯套組件、主調節活門閥口和閥桿組件構成。相比于傳統型主調節活門結構，具有結構緊湊、關鍵零件少、模塊化程度高等特點。

2.2 主調節活門回路控制原理

在燃油計量系統工作過程中，控制器發出脈寬(PWM)指令信號給電磁閥驅動電路，驅動電路收到指令后輸出具有一定幅值和占空比的電壓信號到電磁閥。在這一電壓信號驅動下，主調節活門按照一定比例開啟閥門，進而使燃油計量系統出口組件燃油壓力和流量發生變化。

當發動機處于穩定工作狀態時，電磁閥和占空比活門會在50%占空比工況下穩定工作；當發動機需求流量增加時，占空比活門的占空比從0起步，促使主調節活門閥芯快速開啟，增大出口組件的壓力和流量。同時，通過控制器接收角位移傳感器信息，使控制器根據發動機燃油狀態調整PWM信號，最終使得占空比穩定在50%；當發動機需求流量減少時，占空比活門的占空比為100%，即活門完全開啟。此時，主調節活門閥芯在內部力作用下逐步減小閥門開度，以減小出口組件的壓力和流量，并使得占空比最終穩定在50%。主調節器活門回路控制原理如圖3所示。

圖3 主調節活門回路控制原理

2.3 主調節活門閥門響應

主調節活門閥門響應是指：發動機在不同油耗狀態下，主調節活門中活塞移動的距離所需要的時間，單位為ms。由前述可知，主調節活門是參與發動機油量供給的直接元件。當發動機需求油量發生改變時，主調節活門閥芯開啟/關閉的響應會直接影響發動機燃油供給的效率。主調節活門結構如圖4所示。

圖4 新型主調節活門結構

圖4中：pi為主調節活門進口壓力；Qi為主調節活門進口流量；po為主調節活門出口壓力；Qo為主調節活門出口流量；pc為主調節活門控制腔壓力；Qc為主調節活門控制腔流量；pf為電磁閥壓力；Qf為電磁閥流量；pr為齒輪泵壓力；Qr為齒輪泵流量；A1為主調節活門閥芯大端面積；A2為主調節活門閥芯小端面積。當飛行器需要加速/減速時，主調節活門閥芯通過左/右移來控制其出口燃油流量。若發動機需要供油，則電磁閥從初始的平衡狀態(占空比為100%)調整為0%，電磁閥進入全關閉的狀態，主調節活門流量從最小變化至最大，該過程耗時即供油系統的上升時間；反之，流量從最大到最小的過程即為下降時間。故定義主調節活門接收指令到實現指令的時間為主調節活門閥芯響應，文中設計的主調節活門要求響應時間在0.5～1.5 s之間。

3 主調節活門動態特性驗證

3.1 主調節活門動態特性理論驗證

圖3所示為主調節活門閉環控制簡圖，其中控制對象為主調節活門閥芯。通過電磁閥不同工作狀態引起閥芯兩端容腔的壓力變化，從而控制閥芯向左/右移動，模擬燃油計量系統中出口組件的流量變化。發動機在不同工作狀態下，占空比活門的占空比信號狀態均不相同。當發動機需要加速時，占空比信號狀態為占空比0%；反之，占空比信號狀態為占空比100%。因此，在主調節活門動態特性設計中，將重點考慮占空比τ=0%和τ=100%時，主調節活門的響應情況。

主調節活門控制腔容積變化引起主調節活門動作，將電磁閥看作一個阻尼，則通流面積為

(1)

式中：Aq為占空比活門等效通流面積；Am為電磁閥等效通流面積。其通流量為

(2)

式中：μ為流量系數；ρ為介質密度。則主調節活門控制腔容積變化率：

(3)

式中：x′為 主調節活門行程變化率。由式(1)—(3)可得出主調節活門在平衡位置(拐點處)流量增益Kq=δQL/δτ(τ=50%)、主調節活門的速度增益Kv=Kq/A1和響應時間t=|Lmax-Lmin|/Kv。

設置燃油調節系統工作參數，主調節活門閥芯最大開度Lmax=7.56 mm、最小開度Lmin=1.58 mm，τ=0%和100%分別對應電磁閥最小開度和最大開度。τ=0%時，主調節活門閥芯的最大流量為70 kg/h，進口壓力為1.1 MPa，出口壓力為1.39 MPa；當τ=100%時，主調節活門閥芯的最大流量為425 kg/h，進口壓力為2.3 MPa，出口壓力為1.39 MPa。將上述參數代入式(2)(3)中，分別計算主調節活門的流量增益Kq、速度增益Kv和響應時間t，結果如表1所示。

表1 新型主調節活門參數

由表1可知：當τ=0%時，新型主調節活門的流量增益Kq=2.93 mL/s、速度增益Kv=9.6 mm/s和響應時間t=0.620 s；當τ=100%時，新型主調節活門的流量增益Kq=-2.14 mL/s、速度增益Kv=7.02 mm/s和響應時間t=0.858 s。實際工程中，要求燃油調節系統的主調節活門閥芯的響應時間在0.55～1.5 s之間，故文中設計的主調節活門滿足響應時間要求。同理，在τ=0%和τ=100%時，計算使用傳統型主調節活門結構的燃油計量系統的增益與響應時間，結果如表2所示。

表2 傳統型主調節活門參數

對比表1和表2可知：當τ=0%、τ=100%時，在相同的進口壓力下，文中設計的新型主調節活門的流量增益、速度增益和響應時間均明顯優于傳統型主調節活門。

3.2 主調節活門動態特性仿真驗證

在AMESim軟件中，建立燃油計量系統仿真模型，各關鍵組成部件連接如圖5所示。其中，主調節活門參數設置與第3.1節中相同。

圖5 燃油計量系統AMESim仿真模型

給定系統壓力為1.5 MPa，油源使用恒定流量源Q代替，設定仿真時間10 s，運行AMESim模型分別得到在占空比τ=0%、τ=100%下對應的兩款主調節活門響應時間，結果如圖6所示。

圖6 新型和傳統型燃主調節活門響應時間

由圖6可知：燃油計量系統主調節活門的響應時間呈周期性分布，且在任意周期內具有明顯的時間上升與下降，故可將單個周期的響應時間作為主調節活門響應時間的評價指標，且響應時間為上升時間與下降時間之和。進一步觀察發現，任意周期內，當占空比τ=0%時，新型主調節活門的響應時間約0.613 s(上升時間：0.306 s，下降時間：0.306 s)，傳統型主調節活門的響應時間約0.87 s(上升時間：0.435 s，下降時間：0.435 s)。當占空比τ=100%，新型主調節活門的響應時間約0.843 s(上升時間：0.422 s，下降時間：0.422 s)，傳統型主調節活門的響應時間約0.927 s(上升時間：0.464 s，下降時間：0.464 s)。故可知當占空比τ=0%、τ=100%時，所設計的新型主調節活門的響應時間分別為0.613 s和0.843 s，均滿足響應時間小于1 s的要求，且相較于傳統主調節活門，其響應效率提升了29.5%(占空比τ=0%)和9.06%(占空比τ=100%)，滿足發動機對燃油計量系統提出的快速響應要求。

4 結論

文中針對發動機對燃油計量系統提出的快速響應要求，結合主調節活門的控制原理，設計了新型主調節活門結構。

(1)理論驗證階段表明：新型主調節活門在占空比τ=0%、τ=100%時的響應時間分別為0.62 s和0.858 s，均小于1 s，滿足設計要求。而傳統型主調節活門在占空比τ=0%、τ=100%時的響應時間分別為0.87 s和0.927 s，明顯高于新型主調節活門，表明了所設計的主調節活門能夠有效地提升燃油計量系統的響應時間。

(2)AMESim仿真結果表明：新型主調節活門在占空比τ=0%、τ=100%時的響應時間分別為0.613 s和0.843 s，均優于現階段燃油計量系統常用的傳統型主調節活門，且響應效率分別提升了29.5%(占空比τ=0%)和35.4%(占空比τ=100%)，為燃油計量系統后續控制系統搭建提供了良好的硬件支撐。