航空發動機燃油計量裝置特性仿真與試驗研究

余 玲，葉志鋒，王 彬

（南京航空航天大學江蘇省航空動力系統重點實驗室，南京210016）

0 引言

現代航空發動機要求對燃油流量進行精確控制，以期在充分發揮發動機性能潛力的同時保障其安全。燃油計量裝置作為實現發動機精確供油的執行機構，是航空發動機關鍵附件之一。中國幅原遼闊，南北地區及四季氣候溫差變化極大，油溫變化會引起燃油密度、黏度、流量系數及機械偶件特性的改變，進而引起計量裝置中定壓差活門等組件特性乃至計量流量變化[1]。在此情形下，為保證計量裝置精確供油，使發動機安全可靠地工作，研究計量裝置特性及受燃油溫度影響的規律，避免油溫過高或者過低導致發動機燃油控制異常甚至計量裝置失效等是十分必要的[2]。國外對燃油計量裝置特性的研究較為深入，且考慮了溫度的影響，這一點從國外引進的航空發動機燃油計量裝置普遍采用溫度補償機構即可印證。但此類問題研究成果鮮見發表。國內對燃油計量裝置特性做過一些理論與試驗研究，但基本沒有考慮溫度的影響[3-4]。

針對燃油計量裝置特性及所受燃油溫度的影響，建立了燃油計量裝置的AMESim熱液壓模型；通過仿真及試驗，研究不同溫度下燃油計量裝置的特性。其結果可供燃油計量裝置工程設計人員參考。

1 工作原理及AMESim模型

典型的航空發動機燃油計量裝置主要由計量活門、電液伺服閥（或步進電機）、位移傳感器、定壓差活門及定壓活門等組件構成[5-7]。中國某型燃油計量裝置的原理如圖1所示，電液伺服閥與LVDT傳感器等與發動機控制器共同構成計量活門位移的閉環控制，決定計量活門通油面積大小；定壓差活門使計量前后壓差保持恒定，理論上燃油流量僅由計量活門位移決定；定壓差活門的控制壓差通過調節彈簧預緊力實現；定壓活門則為電液伺服閥提供定壓油，即使泵后燃油壓力變化，伺服閥油源壓力不會隨之改變[8-11]。

圖1 燃油計量裝置原理

根據圖1中各組件的相互關系，考慮到燃油溫度，建立燃油計量裝置AMESim熱液壓仿真模型，如圖2所示。模型中燃油黏度、密度及流量系數等參數受燃油溫度變化的影響[12]。

圖2 燃油計量裝置AMESim仿真模型

2 試驗系統

用于驗證仿真結果的試驗系統如圖3所示，主要由油源、燃油計量、油溫處理、霧化噴射、回油等裝置組成。

圖3 燃油計量裝置試驗系統

燃油由增壓泵提供給主燃油泵CBG-3，增壓后流經油濾、流量計Q1和壓力傳感器，最終進入燃油計量組件。計量后的燃油經渦輪流量計Q2、手動及電動調壓閥、單向閥和冷卻裝置回到油箱中。其中開式油箱配備油冷機，能夠對燃油進行制冷或加熱，從而為研究溫度對燃油計量裝置特性的影響創造了條件；制冷模塊和加熱模塊分別裝有溫度傳感器，能夠實時顯示燃油的當前溫度。具體的試驗設備如圖4所示，圖4（b）的左側是油冷機裝置，用于對燃油溫度進行處理。

圖4 試驗設備

3 仿真與試驗結果分析

燃油計量裝置在常溫下的穩態、動態特性曲線如圖5所示。計量裝置出口質量流量Q 隨計量活門位移變化的穩態特性如圖5（a）所示，從圖中可見，仿真與試驗曲線幾乎完全一致；計量活門位移xv正階躍和負階躍時，出口質量流量Q 的動態響應如圖5（b）所示，從圖中可見，顯示響應無超調，調節時間為0.2s，仿真與試驗的最大誤差約8.8%；當計量活門位移xv=2.5mm時，定壓差活門控制壓差(P1-P2)隨計量后壓力P2（背壓）變化的穩態特性如圖5（c）所示，壓差始終維持在0.20～0.22MPa；計量活門前后壓力P1、P2及壓差（P1-P2）隨活門位移xv變化的穩態特性如圖5（d）所示，從圖中可見，AMESim模型仿真特性曲線與試驗結果基本一致，誤差較小，說明所建模型精度較高，且燃油計量裝置各參數仿真與試驗特性完全符合其工作原理。

圖5 常溫下試驗與仿真對比曲線

為研究溫度對計量特性的影響，保持齒輪泵轉速不變，計量活門位移分別置于2.5、3.1和3.7mm，燃油溫度為0~50℃，計量流量的變化特性如圖6（a）所示，從圖中可見，無論仿真結果還是試驗結果，燃油質量流量均約減小2.5%~3.5%。當計量活門位移置于3.0mm時，0~50℃的溫度變化亦會導致定壓差活門控制壓差約降3%，如圖6（b）所示。這是溫度對燃油黏度、密度、流量系數及活門偶件間隙產生綜合影響的結果，該結果又直接導致圖6（a）的計量流量減小。

圖6 計量裝置流量與壓差隨燃油溫度變化特性

上述結果驗證了AMESim熱液壓模型的準確性和可信度。通過模型仿真研究溫度變化（-10~60℃）對計量裝置流量-位移特性的影響，不同溫度下的1簇仿真曲線如圖7所示。其中圖7（a）是流量-位移穩態特性，圖7（b）是活門位移從2.5mm階躍至3.5mm時的流量動態響應特性。從圖中可見，燃油溫度遞增時，除計量活門質量流量有所減小外，流量-位移穩態或動態調節特性沒有發生本質性的改變。

圖7 溫度對流量-位移特性影響的仿真曲線

4 結論

本文通過仿真與試驗，研究了航空發動機燃油計量裝置穩態及動態特性，分析了燃油溫度對計量特性的影響，得到以下結論：

(1)基于AMESim建立的考慮燃油溫度影響的燃油計量裝置數學模型具有較高的精度，在0~50℃的范圍內，其仿真結果與試驗結果吻合良好。

(2)仿真及試驗結果均表明，燃油溫度的提高會導致定壓差活門控制壓差減小，進而導致計量的燃油質量流量減小，燃油溫度在0~50℃變化可導致燃油質量流量最多減小3.5%。因此，在極端高溫和極端低溫的氣候環境下，為保證燃油計量裝置的精度，必須進行溫度補償[10,13-15]。

(3)根據仿真結果，在更大的溫度范圍（-10~60℃），溫度變化除產生流量計量誤差外，不會對燃油計量裝置的穩態、動態特性產生本質性改變或致命影響。

[1]張東輝.高溫燃油對航空發動機控制系統的影響分析[J].航空發動機，2013，39（1）：12-16，29.ZHANG Donghui.Influence of high fuel temperature on aeroengine control system[J].Aeroengine，2013，39（1）：12-16，29.（in Chinese）

[2]蘇三買.彈用噴氣發動機燃油計量裝置設計[J].機床與液壓，2005（1）：64-66.SU Sanmai.Fuel metering apparatus design for missile turbojet[J].Machine Tool and Hydraulics，2005（1）：64-66.（in Chinese）

[3]Campbell W A，Fonstad T，Pugsley T，et al.MBM fuel feeding system design and evaluation for FBG pilot plant[J].Waste Manag.2012，32（6）：1138-1147.

[4]Campbell W A，Fonstad T，Pugsley T，et al.MBM fuel feeding system design and evaluation for FBG pilot plant[J].Waste Manag，2012，32（6）：1138-1147.

[5]吳忠敏.發動機加力控制系統及其執行機構的仿真研究[D].南京：南京航空航天大學，2007.WU Zhongmin.Simulation study of the engine afterburner control system and its implementing agencies[D].Nanjing：Nanjing University of Aeronauticsand Astronautics，2007.（in Chinese）

[6]周立峰.發動機燃油計量裝置特性仿真與試驗研究[D].南京：南京航空航天大學，2010.ZHOU Lifeng.Simulation and experimental study of the engine fuel metering device[D].Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2010.（in Chinese）

[7]張東.發動機主燃油控制系統建模仿真與試驗驗證[D].南京：南京航空航天大學，2008.ZHANG Dong.Modeling simulation and experimental verification of the engine main fuel control system [D].Nanjing：Nanjing University of Aeronauticsand Astronautics，2008.（in Chinese）

[8]張力，李文飛，趙玉貝，等.基于AMESim的定差減壓閥建模與仿真[J].機械工程與自動化，2013（5）：58-60.ZHANG Li，LI Wenfei,ZHAO Yubei,et al.Modeling and simulation of uniform-pressure-drop valve based on AMESim [J].Mechanical Engineeringand Automation，2013（5）：58-60.（in Chinese）

[9]劉培培，馬靜，彭凱.基于AMESim的渦槳發動機燃油計量裝置仿真[J].機械制造，2011，49（8）：19-21.LIU Peipei,MA Jing,PENG Kai.Simulation of turboprop engine fuel metering device based on AMESim [J].Machinery Manufacturing，2011，49（8）：19-21.（in Chinese）

[10]謝小平，張學軍，賀孝濤.某型航空發動機燃油流量調節器建模與故障仿真[J].航空發動機，2011，37（4）：15-19.XIE Xiaoping，ZHANG Xuejun，HE Xiaotao.Modeling and fault simulation of an aeroengine fuel regulator[J].Aeroengine，2011，37（4）：15-19.（in Chinese）

[11]尚洋，郭迎清，王磊.壓差控制器設計參數對燃油計量系統影響研究[J].航空制造技術，2013（6）：89-91.SHANG Yang，GUO Yingqing，WANG Lei.Study of impact of design parameter of differential pressure controller on fuel metering system[J].Aeronautical Manufacturing Technology，2013（6）：89-91.（in Chinese）

[12]謝三保，焦宗夏.飛機液壓系統溫度仿真計算與分析[J].機床與液壓，2005（5）：67-68.XIE Sanbao，JIAO Zongxia.Temperature simulating calculation and analysis of aircraft hydraulic system[J].Machine Tool and Hydraulics，2005（5）：67-68.（in Chinese）

[13]王強，傅強.航空發動機主燃油控制系統穩態過程分析[J].科學技術與工程，2007，7（12）：3028-3030.WANG Qiang，FU Qiang.Steady state processes analysis of aeroengine main fuel control system [J].Sicence Technology and Engineering，2007，7（12）：3028-3030.（in Chinese）

[14]康偉，潘宏亮，周鵬.某型發動機燃油控制執行機構仿真與驗證試驗[J].系統仿真學報，2010（1）：120-124.KANG Wei，PAN Hongliang，ZHOU Peng.Simulation and validation of turbojet fuel control actuator[J].Journal of System Simulation，2010（1）：120-124.（in Chinese）

[15]葛樹宏，樊丁，彭凱.某型航空發動機燃油調節器改型設計研究[J].計算機仿真，2012，29（8）：81-84.GE Shuhong，FAN Ding，PENG Kai.Study on remodel design of aeroengine fuel controller[J].Computer Simulatioin，2012，29（8）：81-84.（in Chinese）