高溫燃油對航空發動機控制系統的影響分析

張東輝

（中航工業動力控制系統研究所，江蘇無錫 214063）

0 引言

隨著現代軍事技術的飛速發展，機載電子設備不斷增多，發熱量不斷增大，如在第3代戰斗機中，Su-27和F-18戰斗機的電子艙熱載荷分別為18、19 kW，而作為第4代戰斗機代表的F-22有2個電子艙，總設計熱載荷達到55 kW。隨著熱載荷的增大，傳統的空氣循環制冷系統ACS(Air Cycle System)很難冷卻這些電子設備。另外，隨著飛機戰斗性能的提高，飛機的載油量也大大增加。某型飛機1次載油量可達數噸，利用燃油作為冷源的優點（如燃油在所有飛行狀態下溫度較穩定、不影響飛機的隱身性能、代償損失小等）日益引起重視。特別是當飛機在大馬赫數下飛行時，以燃油作為冷源將會大大減小對飛機氣動外形的影響，提高飛機的隱身性能。因此，在高性能戰斗機中，燃油憑借其在飛行初始階段高儲存量及其高比熱的優點，被用作主要的儲能和熱沉媒質。然而，在吸收飛機各系統熱量后，隨著燃油溫度的升高，發動機控制系統的功能和性能必將受到較大影響。

本文從幾方面分析高溫燃油對發動機控制系統的影響，以初步確定發動機控制系統對燃油溫度的限制值。

1 溫度升高對燃油特性的影響分析

隨著溫度的升高，燃油本身的特性發生改變，與發動機控制系統相關的變化參數有密度、運動黏度、飽和蒸汽壓、橡膠相容性和熱安定性。

1.1 密度

燃油密度隨溫度的變化情況見表1。

分析表1中數據可知，隨著燃油溫度的升高，燃油的密度減小，供給發動機的質量流量發生變化，發動機控制系統只能通過溫度補償的方式對燃油流量進行修正，當燃油溫度變化范圍較大時，會給發動機控制系統的溫度補償帶來較大困難，如果補償不充分會造成在發動機開環控制階段（如在起動和加減速過程）易出現貧油和富油的情況。在某型發動機使用過程中，曾經由于溫度補償無法兼顧低溫狀態而發生冷天發動機起動懸掛的故障。

1.2 運動黏度

燃油運動黏度隨溫度的變化見表2。

在流體動力潤滑過程中，1層由液體潤滑劑構成的膜分開了相對運動的固體表面，使其免于相互接觸。黏度較大的液體比黏度較小的液體更容易形成液膜，因此流體動力潤滑性更好[4]。分析表2中的數據可知，隨著燃油溫度的升高，燃油的運動黏度減小，使發動機控制系統執行機構的流體動力潤滑性變差，并導致燃油的泄漏量增加，降低了控制系統的可靠性。

1.3 飽和蒸汽壓

燃油的飽和蒸汽壓隨溫度的變化見表3。

分析表3中的數據可知，隨著溫度的升高，燃油的飽和蒸汽壓隨之增大，當燃油系統內壓力低于燃油飽和蒸汽壓時，由于燃油汽化而導致燃油流量減小或中斷，造成氣塞。

表2 不同溫度下的燃油運動黏度

表3 不同溫度下的燃油飽和蒸汽壓

1.4 橡膠相容性

橡膠相容性指燃油與橡膠長期接觸而使橡膠質量發生變化的情況。隨著燃油溫度的升高，橡膠件的耐油系數減小，見表4[3]。燃油與橡膠不相容將導致橡膠硬化，失去彈性、變形，在機械力的作用下出現裂紋，引起密封件漏油，使發動機控制系統不能正常工作。

表4 不同溫度下的燃油橡膠相容性

1.5 熱安定性

當燃油處于高溫時會趨向于氧化并形成膠質和顆粒物，燃油吸收的熱量加速了膠質的生成和顆粒物的化學反應，對發動機產生以下影響：

（1）沉積在燃油過濾器上，增加過濾器壓降，減少燃油流動；

（2）沉積在燃油噴嘴上，導致噴嘴結焦堵塞，影響供油和噴霧質量；

（3）沉積在液壓機械裝置的活門間隙中，嚴重時會卡死調節活門并中斷供油；

（4）沉積在燃滑油散熱器上，降低熱交換效率，使發動機滑油溫度提高。

溫度對燃油沉淀量的影響如圖1所示[3]。加入熱安定型添加劑可以提高燃油的熱安定性。

圖1 溫度對燃油沉淀量的影響

2 高溫燃油對液壓機械裝置的影響分析

高溫燃油對液壓機械裝置的影響主要體現在對燃油泵特性的影響和對液壓機械裝置可靠性的影響。

2.1 對低壓離心泵氣蝕特性的影響

航空燃油中都含有一定的溶解空氣，當油液壓力降低到某一值時，空氣就從油液中分離出來形成氣泡，若壓力繼續降低到相應溫度的飽和蒸汽壓時，油液將沸騰汽化產生大量氣泡，這2種產生氣泡的現象均稱為氣穴。液壓系統發生氣穴，氣泡隨油液流至高壓區后，在高壓作用下迅速破裂，產生局部液壓沖擊，使壓力和溫度急劇升高，同時油液中逸出的氣體具有較強的酸化作用，長時間作用下可使零件表面發生腐蝕，這種因氣穴造成的腐蝕稱為汽蝕。

隨著溫度的升高，燃油的飽和蒸汽壓隨之變大，當燃油的飽和蒸汽壓高于燃油系統進口最低壓力時，低壓離心泵進口燃油發生汽化，使低壓離心泵發生氣蝕。

為確保燃油不發生沸騰或燃油系統在溫度升高時不形成汽塞，通常限制發動機進口燃油溫度不高于93℃。

2.2 對高壓齒輪泵效率的影響

隨著燃油溫度提高，燃油黏度和潤滑性大大減小，使高壓齒輪泵內部的泄漏量變大，導致泵的容積效率降低，對某型高壓齒輪泵試驗數據統計表明，燃油溫度每提高30℃，齒輪泵效率約降低10%。

2.3 對液壓機械裝置可靠性的影響

燃油溫度提高對液壓機械可靠性的影響體現在以下幾方面：

（1）引起熱膨脹系數不同的運動副之間間隙變化，變小時會造成元件“卡死”，失去工作能力，變大時會造成泄漏增加；

（2）使油液形成膠狀物質，并在物體局部過熱的表面上形成沉積物（殘渣），堵塞元件小孔和縫隙，使之不能正常工作；

（3）鋁合金殼體長期處于120℃時，其抗拉強度較常溫20℃時的降低13%左右，從而降低了產品的抗壓力沖擊能力；

（4）加速密封圈、密封膠料、密封劑等非金屬材料的老化，使可靠性和壽命大大降低。

根據美國海軍水面作戰中心2006年發行的《機械設備可靠性預計程序手冊》，在典型的液壓機械裝置式活門襯套的失效率統計數據中，工作介質溫度變化時對失效率系數CV的影響見表5。

表5 溫度對活門襯套失效率系數Cv的影響

3 高溫燃油對電氣元件的影響分析

隨著燃油溫度的升高，發動機控制系統中與燃油接觸的電氣元件（如電液伺服閥、電磁閥、LVDT）的特性隨之變化，從而對發動控制系統造成不利影響。

3.1 電液伺服閥

作為發動機控制系統的電液轉換裝置，電液伺服閥的性能直接影響發動機控制系統的控制精度，隨著燃油溫度的升高，電液伺服閥的性能變差。對某型發動機控制系統使用的電液伺服閥進行溫度試驗得到的結果見表6。從試驗結果看，隨著燃油溫度的升高，電液伺服閥的零位漂移、額定流量、分辨率、滯環、內漏、頻率特性、滑閥剪切力各項性能均有不同程度的下降，從而導致發動機控制系統的控制精度變差。

表6 燃油溫度對電液伺服閥特性的影響

3.2 電磁閥

發動機控制系統中的電磁閥通常用于實現主備份通道切換、消喘、停車等功能，隨著燃油溫度的升高，電磁閥的線圈電阻增大，導致電磁閥的最低工作電壓升高，對某型發動機控制系統使用的電磁閥進行溫度試驗得到的結果見表7。從試驗結果看，隨著燃油溫度的升高，電磁閥的最低工作電壓升高，使電磁閥存在無法正常工作的隱患，降低了發動機控制系統的可靠性。

表7 燃油溫度對電磁閥特性的影響

3.3 LVDT

發動機控制系統中的LVDT用于測量計量活門、伺服作動筒等重要控制變量的位置，與電子控制器、電液伺服閥共同構成閉環控制回路。隨著燃油溫度的升高，LVDT的溫漂使其精度變差，選取同批次的2臺LVDT產品進行溫度試驗，其試驗結果如圖2、3所示。從試驗結果看，隨著溫度的升高，LVDT的精度變差，且同批次產品具有一定的差異性，很難進行精確的溫度補償。

4 高溫燃油對發動機滑油系統的影響分析

航空發動機的滑油系統通常采用燃油對滑油進行冷卻，隨著燃油溫度的升高，對滑油的冷卻效果變差，使滑油的溫度隨之升高。

航空發動機常用4106合成航空潤滑油或4050高溫合成航空潤滑油，其使用工作溫度為-40～200℃，短期可達220℃，通過發動機燃滑油散熱器用燃油對滑油進行冷卻。為了使發動機各軸承腔燃油溫度特別是滑油后腔回油溫度不超過220℃的限制值，通常控制燃滑油散熱器出口的滑油供油溫度不超過150℃，因此應限制燃滑油散熱器出口的燃油溫度不超過150℃，否則燃油無法對滑油進行有效散熱。

圖2 不同燃油溫度下的LVDT測量精度(產品a)

圖3 不同燃油溫度下的LVDT測量精度(產品b)

5 對燃油溫度的限制要求

根據以上分析結果，對發動機燃油溫度的限制應包括對發動機進口和燃燒室噴嘴前的燃油溫度限制，其目的分別為防止低壓增壓泵出現氣蝕和防止燃油噴嘴結焦。

對發動機進口燃油溫度的限制應根據飛機向發動機供給燃油的最低壓力和低壓增壓泵的最小流量確定，若發動機控制系統不具備向飛機油箱旁路回油的功能，則發動機進口燃油溫度一般不超過93℃。對帶有旁路回油的發動機控制系統，由于旁路油路增加了低壓增壓泵的燃油流量，發動機進口燃油溫度限制值可適當提高，但最高不能超過110℃。

對發動機燃燒室噴嘴前燃油溫度的限制應根據所選燃油的氧化沉積結焦溫度確定，文獻[5]中規定：燃燒室燃油噴嘴處的最大燃油溫度不得超過177℃，否則將發生噴嘴焦化。而在JSSG-2007B《航空渦噴渦扇渦軸渦槳發動機聯合使用規范指南》中指明：當燃油溫度達到149～177℃時將會出現穩定性問題，引起沉淀和噴嘴性能迅速惡化。

6 結論

隨著發動機燃油溫度的升高，燃油本身的特性發生變化，使發動機控制系統的控制精度和可靠性降低，且燃油對滑油系統的冷卻效率大大降低。為了保證發動機控制系統的控制性能，并能給發動機滑油系統有效散熱，應對發動機燃油系統的燃油溫度進行限制，通常應限制發動機燃油的最高溫度不超過150℃，以保證發動機在可靠工作的同時以最大能力承擔飛機的散熱任務。

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