渦扇發(fā)動機加力燃油計量裝置建模與性能分析

尚 洋，郭迎清，王驥超，王 磊

（1.西北工業(yè)大學(xué)動力與能源學(xué)院，西安710072；2.中航工業(yè)西安航空動力控制公司，西安710077）

渦扇發(fā)動機加力燃油計量裝置建模與性能分析

尚 洋1，郭迎清1，王驥超1，王 磊2

（1.西北工業(yè)大學(xué)動力與能源學(xué)院，西安710072；2.中航工業(yè)西安航空動力控制公司，西安710077）

航空發(fā)動機加力燃油計量裝置對于準確實現(xiàn)加力燃油控制規(guī)律和加力接通與切斷過渡過程的性能至關(guān)重要。為了對某渦扇發(fā)動機加力燃油計量裝置的性能進行深入分析，采用面向?qū)ο蟮慕＼浖嗀 M ESim對加力燃油計量裝置進行建模，對該裝置動態(tài)性能、抗干擾能力以及指令壓力實現(xiàn)、逆序切油功能等進行了深入研究。結(jié)果表明：該加力燃油計量裝置性能優(yōu)良，可以實現(xiàn)設(shè)計要求的功能。所建模型可供加力燃油計量裝置的設(shè)計、改進改型和性能優(yōu)化參考。

加力燃油計量裝置；A M ESim軟件；建模；逆序切油；指令壓力；渦扇發(fā)動機

0 引言

航空發(fā)動機控制系統(tǒng)的發(fā)展方向是全權(quán)限數(shù)字式電子控制（FADEC）[1-2]。加力燃油控制在軍用航空發(fā)動機控制中占有十分重要的地位，對發(fā)動機性能影響顯著，是控制系統(tǒng)設(shè)計中1個重要問題。

數(shù)控系統(tǒng)由控制軟件、電子控制器、液壓機械裝置、傳感器和電氣部件組成[3-4]。由于液壓機械裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計制造周期長、成本高，為了縮短研制周期，節(jié)約成本，對液壓機械裝置進行建模仿真是十分必要的[5-7]。通過建模仿真可以對液壓機械裝置進行深入分析，對原有方案的性能進行預(yù)測[8]；評估方案的優(yōu)劣，及早發(fā)現(xiàn)并修正系統(tǒng)設(shè)計中的缺陷，確定最佳設(shè)計方案[9]；確定改進改型和優(yōu)化的方向[10]。

早期對液壓機械裝置的仿真常采用經(jīng)典方法，取得了寶貴的成果和經(jīng)驗，但還存在一些不足，如：以往的建模仿真主要基于數(shù)學(xué)方程，建模過程忽略了介質(zhì)本身特性變化[11]，影響了仿真結(jié)果的準確性；在編寫程序上花費大量時間；模型的通用性和可擴展性不強，通常只針對某一具體型號或特定類型的發(fā)動機，仿真系統(tǒng)也不完善。為此，需要開發(fā)1種面向?qū)ο蟮摹⒛K化、圖形化、易擴展的建模仿真軟件。美國波音公司的Easy5軟件和法國IMAGE公司的AMESim軟件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于很多先進的航空發(fā)動機數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計中。文獻[12]主要建立了主燃油計量裝置的模型，由于加力燃油計量裝置與主燃油計量裝置在結(jié)構(gòu)和功能上不同，例如加力燃油計量分3個區(qū)，需要提供打開加力分布器各區(qū)斷油活門所需的分級指令壓力，應(yīng)急切斷加力時實現(xiàn)逆序切斷加力各區(qū)燃油，而主燃油計量只有1個區(qū)，不需要實現(xiàn)上述功能。

本文采用AMESim軟件對航空發(fā)動機加力燃油計量裝置進行建模仿真，對該裝置動態(tài)性能、抗干擾能力以及指令壓力實現(xiàn)、逆序切油功能等進行了深入研究，為其改進設(shè)計、改型和優(yōu)化提供參考。

1 航空發(fā)動機加力燃油計量裝置

加力燃燒室供油分3個區(qū)（0、1、2區(qū)）。加力燃油計量裝置中電液伺服閥接收電子控制器信號，控制并計量加力0、1和2區(qū)燃油流量，同時產(chǎn)生加力燃油分布器和加力泵所需指令壓力。

加力燃油計量裝置的組成和結(jié)構(gòu)如圖1所示。加力聯(lián)鎖活門組件的作用是根據(jù)應(yīng)急切斷電磁閥的指令，按照相反的時序（2、1、0區(qū)）切斷加力燃油；計量后的燃油通過加力燃油分布器通到加力燃燒室。

圖1 加力燃油計量裝置結(jié)構(gòu)

加力燃油計量裝置的功能是：（1）控制加力泵接通和關(guān)斷；（2）根據(jù)電子控制器發(fā)出的控制命令，向加力各區(qū)燃油總管供油和分配燃油；（3）產(chǎn)生加力分布器和加力泵所需的指令壓力；（4）應(yīng)急切斷加力時自動逆序切油。

加力燃油計量裝置的工作原理是采用恒定壓差改變節(jié)流面積。電液伺服閥接收來自電子控制器的控制信號，控制計量活門的軸向位移，改變計量活門窗口面積。計量活門位移信號通過LVDT反饋給電子控制器。壓差活門感受計量窗口前后壓差，通過調(diào)節(jié)節(jié)流活門控制腔壓力以保持計量開關(guān)前后壓差為常值，使燃油流量只與計量窗口面積成正比。當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)失效不能繼續(xù)對加力燃油流量進行控制時，應(yīng)逆序切斷加力各區(qū)燃油、關(guān)斷計量后燃油通往加力燃燒室油路并使加力泵退出工作，具體工作過程為：應(yīng)急切斷電磁閥通電，2區(qū)計量活門逐漸關(guān)閉，當(dāng)2區(qū)減油結(jié)束后，1區(qū)開始減油，1區(qū)計量活門減油結(jié)束后，0區(qū)計量活門開始減油。在0區(qū)計量活門窗口關(guān)閉同時，供給加力燃油分布器的指令壓力油通低壓油使得計量后燃油通往加力燃燒室的油路切斷，加力聯(lián)鎖活門導(dǎo)通加力泵進口活門控制腔通低壓的油路，使加力泵退出工作。

2 加力燃油計量裝置模型

AMESim軟件提供了1個系統(tǒng)工程設(shè)計的完整平臺，使得用戶可以在1個平臺上建立復(fù)雜的多學(xué)科領(lǐng)域系統(tǒng)的模型，并在此基礎(chǔ)上進行仿真計算和深入分析；并能借助其友好的、面向?qū)嶋H應(yīng)用的方案，研究元件和系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能。

建立的航空發(fā)機加力燃油計量裝置模型如圖2所示。加力泵的模型用壓力源來代替；通過3個計量裝置流出的燃油最終經(jīng)過加力燃油分布器流到發(fā)動機加力燃燒室，在模型中把加力燃油分布器分別等效為直徑不同的噴嘴。模型輸入包含（1）模擬量：加力泵來油壓力，起動、內(nèi)涵、外涵計量活門位移希望值；（2）開關(guān)量：加力接通與切斷電磁閥的通斷。輸出量為起動、內(nèi)涵、外涵計量活門的輸出流量，加力燃油分布器指令壓力和加力泵進口控制腔的指令壓力。

圖2 加力燃油計量裝置模型

3 性能分析

由于0、1、2區(qū)計量裝置結(jié)構(gòu)和工作原理類似，僅對0區(qū)計量裝置的性能進行分析。

3.1 0區(qū)計量裝置性能

0區(qū)計量裝置輸入信號為加力泵來油壓力和計量活門位移期望值，輸出信號為計量活門輸出流量。加力泵來油壓力不大于8 MPa；計量活門位移變化范圍為0～12 mm；計量活門前后壓差為（0.7±0.05）MPa。

3.1.1 0區(qū)計量裝置的穩(wěn)態(tài)誤差和動態(tài)性能

為了得到0區(qū)計量裝置的穩(wěn)態(tài)誤差和動態(tài)性能，給定計量活門位移期望值為階躍信號。當(dāng)加力泵來油壓力保持不變，0區(qū)計量活門位移期望值在0 s從0 mm階躍變化到10 mm時，0區(qū)計量活門的位移、壓力和輸出流量曲線如圖3～5所示。

圖3 0區(qū)計量活門位移（加力泵來油壓力保持不變）

圖4 0區(qū)計量活門壓力（加力泵來油壓力保持不變）

從圖中可見，0區(qū)計量活門位移可以很快的達到希望值，調(diào)節(jié)時間為0.62 s。計量活門前后壓差為0.695 MPa，輸出燃油流量的穩(wěn)態(tài)誤差為0.082%。3.1.2 0區(qū)計量裝置抗干擾能力

圖5 0區(qū)計量活門輸出流量（加力泵來油壓力保持不變）

為了得到0區(qū)計量裝置抵抗外界干擾的能力，將加力泵來油壓力作為干擾計量活門輸出流量的變化。當(dāng)0區(qū)電液伺服閥輸入信號不變，加力泵來油壓力在第5 s由3.5 MPa階躍增大到3.9 MPa時，0區(qū)計量活門壓力和輸出流量分別如圖6、7所示。

圖6 0區(qū)計量活門壓力（加力泵來油壓力在第5 s時增大）

圖7 0區(qū)計量活門輸出流量（加力泵來油壓力在第5 s時增大）

從圖中可見，0區(qū)計量活門前后壓差為0.695 MPa，輸出流量為38.058 L/min；當(dāng)加力泵來油出現(xiàn)擾動時，0區(qū)壓差活門可以在0.95 s內(nèi)使計量活門前后壓差穩(wěn)定為0.696 MPa，輸出流量穩(wěn)定為38.111 L/min，變化率為0.139%，可見該計量裝置的抗干擾能力強。

3.1.3 計量活門流通面積與輸出流量的線性度

為了得到計量活門流通面積與輸出流量的線性度，給定如下輸入：當(dāng)加力泵來油壓力恒定，0區(qū)計量活門位移期望值在5 s內(nèi)由2 mm增加到10 mm，0區(qū)計量活門流通面積和輸出流量關(guān)系如圖8所示。從圖中可見，計量活門流通面積與輸出流量的線性度為0.05%。

圖8 0區(qū)計量活門流通面積與流量關(guān)系

3.2 指令壓力的實現(xiàn)

為了得到指令壓力和逆序切油的性能，給定如下輸入：0、1、2區(qū)計量裝置分別在第2、4、6 s開啟，加力切斷電磁閥在第10 s通電，供給加力燃油分布器的指令油壓力曲線如圖9所示。

圖9 指令油壓力

從圖中可見，供給加力燃油分布器的3級指令油壓力分別為0.88、1.55、2.16 MPa；在0區(qū)計量活門窗口關(guān)閉的同時，供給加力燃油分布器的指令壓力通低壓油。通過調(diào)節(jié)指令活門通低壓腔節(jié)流嘴的直徑可以調(diào)節(jié)指令油壓力的大小。

加力泵進口控制腔通低壓腔流通面積如圖10所示。從圖中可見，在0區(qū)計量活門窗口關(guān)閉的同時，加力聯(lián)鎖活門導(dǎo)通加力泵進口活門控制腔通低壓的油路，使加力泵退出工作。

圖10 加力泵進口控制腔通低壓流通面積

3.3 逆序切油的實現(xiàn)

加力切斷電磁閥在第10 s通電時，加力燃油計量裝置的輸出流量如圖11所示。從圖中可見，加力切斷電磁閥接通后，2區(qū)計量活門切油到0時，1區(qū)計量活門才開始切油；1區(qū)計量活門切油到0時，0區(qū)計量活門才開始切油。從2區(qū)計量活門最大流量開始切油到1區(qū)計量活門切油達到0時需1.6 s，0區(qū)計量活門切油達到0時需0.3 s。

圖11 加力燃油計量裝置的輸出流量

4 結(jié)論

本文利用AMESim軟件對航空發(fā)動機加力燃油計量裝置進行建模，通過仿真對加力燃油計量裝置的性能進行分析。仿真結(jié)果表明：加力燃油計量裝置可以準確計量供向加力各區(qū)的燃油流量并且具有較強的抗干擾能力，可以提供加力燃油分布器和加力泵所需的指令壓力，應(yīng)急切斷時可以實現(xiàn)逆序切斷加力各區(qū)燃油。所建模型具有很強的工程應(yīng)用價值，可供加力燃油計量裝置設(shè)計和試驗調(diào)試時參考。

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Modeling and Performance Analysis of Augmented-fuel Metering Unit for Turbofan Engine

SHANG Yang1,GUO Ying-qing1,WANG Ji-chao1,WANG Lei2
（1.School of Power and Energy,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072, China；2.AVIC Xi'an Aero-Engine Controls Co.,Xi’an 710077,China）

Augmented-fuel metering unit of aeroengine is very important to the accurate realization of the control law of augmented-fuel and the performance of afterburner light-on and cutting off process.In order to analyze the performance of augmented-fuel metering unit of turbofan engine,the simulation model of augmented-fuel metering unit was established by the object-oriented modeling software AMESim.The deep analysis of the dynamic performance,the anti-interference ability,the realization of command pressure and the function of reverse cutting fuel of the unit was conducted.The results show that the performance of the augmented-fuel metering unit can achieve the design requirements.The models provide a reference for the design,the improvement and modification,performance optimization of the augmented-fuel metering unit.

augmented-fuel metering unit;AMESim;modeling;reverse cutting fuel;command pressure;turbofan aeroengine

尚洋（1987），男，碩士，研究方向為航空發(fā)動機控制系統(tǒng)建模仿真。

航空科學(xué)基金（2011ZB53）資助

2012-09-13