商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油分配建模與仿真技術(shù)研究

(中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海 200241)

引言

為滿足國(guó)際民航組織規(guī)定的低污染排放要求，GE、普惠等各大發(fā)動(dòng)機(jī)公司紛紛開展了低污染燃燒技術(shù)研究。分區(qū)分級(jí)燃燒技術(shù)構(gòu)成了低污染燃燒室設(shè)計(jì)的技術(shù)基礎(chǔ)，而根據(jù)NOx與CO產(chǎn)生的機(jī)理及試驗(yàn)研究表明，燃燒室主燃燒區(qū)當(dāng)量比在0.6～0.8范圍內(nèi)產(chǎn)生的NOx與CO很少，因此，要達(dá)到低污染燃燒就必須要對(duì)進(jìn)入燃燒室燃燒區(qū)的燃油進(jìn)行精確的分配控制，根據(jù)不同的工作狀態(tài)控制燃油分配以達(dá)到優(yōu)化燃燒效率[1-2]。

國(guó)內(nèi)對(duì)低污染燃燒、燃油分配等技術(shù)研究起步較晚，本研究以某型商用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目的燃油分配為研究對(duì)象，仿真分析燃油分配特性。利用AMESim軟件建立燃油分配仿真模型，對(duì)不同工況條件下燃油分配工作特性進(jìn)行仿真，并重點(diǎn)分析影響燃油分配特性的主要因素。對(duì)比功能、性能等試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，模型仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致，取得了良好的仿真效果，并有效的支撐燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)。

1 燃油分配工作原理

在國(guó)產(chǎn)商用大涵道比渦扇航空發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目中，燃燒室首次采用單頭部分兩級(jí)(主燃、預(yù)燃)、主燃周向分級(jí)的燃油分配方案[3-4]。為滿足燃燒室分區(qū)分級(jí)燃燒需求，要按照電子控制器EEC的要求將燃油計(jì)量裝置HMU計(jì)量后的燃油分配給各燃油總管，實(shí)現(xiàn)燃油分配控制，如圖1所示。

圖1 燃油分配原理

其工作原理為：電液伺服閥接收EEC信號(hào)控制分配活門運(yùn)動(dòng)，LVDT反饋活門位置至EEC，實(shí)現(xiàn)預(yù)燃級(jí)和主燃級(jí)之間的燃油分配比例連續(xù)可調(diào)控制；電磁閥控制分級(jí)活門將主燃級(jí)分成兩條油路，并由微動(dòng)開關(guān)監(jiān)視活門狀態(tài)；設(shè)置超控活門，在大狀態(tài)下電磁閥故障、分級(jí)活門無(wú)法打開時(shí)，強(qiáng)制分級(jí)活門打開，實(shí)現(xiàn)主燃油路分級(jí)。

在慢車等小狀態(tài)下，只打開預(yù)燃級(jí)油路；在進(jìn)場(chǎng)等中等狀態(tài)下，打開預(yù)燃級(jí)及主燃1級(jí)油路，而在其他爬升、起飛等大狀態(tài)下，預(yù)燃級(jí)、主燃1、2級(jí)油路全部打開。

2 燃油分配型孔設(shè)計(jì)

燃燒室預(yù)燃、主燃噴嘴面積固定，按照?qǐng)D2所示等效計(jì)算模型，根據(jù)不同發(fā)動(dòng)機(jī)工況條件下燃油流量及燃油分配比例開展活門型孔設(shè)計(jì)。

圖2 分配活門等效計(jì)算模型

根據(jù)流量公式，得出圖2預(yù)燃、主燃油路的流量與等效截面積的關(guān)系如下：

(1)

(2)

式中，Q1—— 預(yù)燃級(jí)油路流量

Q2—— 主燃級(jí)油路流量

C—— 流量系數(shù)

Δp—— 燃油進(jìn)口與燃燒室反壓壓差

ρ—— 燃油密度

由式(1)、式(2)得：

(3)

而對(duì)于預(yù)燃級(jí)油路來(lái)說(shuō)：

(4)

Δp=Δp1+Δp′1

(5)

式中，A1—— 預(yù)燃級(jí)窗口面積

Δp1—— 預(yù)燃級(jí)窗口壓降

A′1—— 預(yù)燃級(jí)噴嘴面積

Δp′1—— 預(yù)燃級(jí)噴嘴壓降

由式(4)、式(5)得：

(6)

同理，對(duì)于主燃級(jí)油路得：

(7)

式中，A2—— 主燃級(jí)窗口面積

Δp2—— 主燃級(jí)窗口壓降

A′2—— 主燃級(jí)噴嘴面積

Δp′2—— 主燃級(jí)噴嘴壓降

由式(3)、式(6)、式(7)得：

(8)

預(yù)燃級(jí)設(shè)計(jì)為管路常開、不作控制，并保證窗口面積A1/A2≥100，上式可近似為：

(9)

按A′1,A′2及不同工況條件下的Q1，Q2計(jì)算燃油分配活門窗口面積A2和燃油流量對(duì)應(yīng)關(guān)系。最終設(shè)計(jì)分配活門型孔為圖3所示異型型孔，其通流面積A2與分配活門的閥芯位移x呈線性函數(shù)關(guān)系，保證不同工況條件下的燃油分配精度。

圖3 分配活門型孔

3 燃油分配AMESim模型

根據(jù)燃油分配系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)建立燃油分配模型，如圖4所示，由分配活門模型、分級(jí)活門模型、超控活門模型、電液伺服閥模型、電磁閥模型、接近開關(guān)模型以及控制模塊構(gòu)成。

圖4 燃油分配AMESim模型

按照分配活門、分級(jí)活門、超控活門及電氣元件詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置模型，如液壓作動(dòng)腔內(nèi)外徑、閥芯質(zhì)量、彈簧力、電液伺服閥額定流量、額定壓力等參數(shù)，應(yīng)用AMESim模型庫(kù)bao_9_2模塊設(shè)置活門型孔面積與位移的函數(shù)關(guān)系[5-12]。

4 燃油分配仿真分析

按燃油分配計(jì)劃，對(duì)不同的工況條件下的燃油分配進(jìn)行仿真，依次仿真慢車、進(jìn)場(chǎng)、爬升、起飛等狀態(tài)點(diǎn)，每個(gè)狀態(tài)時(shí)間間隔為3 s。

1) 仿真工況設(shè)置

按燃油分配計(jì)劃表設(shè)置燃燒室反壓、模型燃油進(jìn)口流量、分配活門運(yùn)動(dòng)位移控制信號(hào)、電磁閥信號(hào)，如表1所示。

2) 仿真分析

(1) 正常工況 圖5所示為慢車、進(jìn)場(chǎng)、爬升、起飛等狀態(tài)下預(yù)燃級(jí)、主燃級(jí)各出口的流量變化情況。其中，在爬升狀態(tài)下主燃燃油分配比例為83.66%，仿真顯示，在各狀態(tài)下，分配活門、分級(jí)活門能夠正常工作，主燃級(jí)燃油分配比例滿足燃油分配計(jì)劃要求，且在大狀態(tài)下主燃1、2級(jí)流量一致。

表1 仿真環(huán)境設(shè)置

圖5 各級(jí)燃油流量曲線

(2) 超控工況 設(shè)置電磁閥信號(hào)在0～12 s內(nèi)一直處于常開狀態(tài)，其他仿真條件不變，模擬大流量狀態(tài)下電磁閥故障時(shí)的燃油分配狀態(tài)。仿真顯示在電磁閥出現(xiàn)故障時(shí)，在爬升、起飛等大狀態(tài)下，超控活門仍能夠正常工作，由超控活門控制分級(jí)活門動(dòng)作實(shí)現(xiàn)對(duì)主燃級(jí)燃油的分級(jí)，爬升、起飛兩狀態(tài)的燃油分配比例分別為82.15%，86.9%，滿足燃油分配計(jì)劃要求。但預(yù)燃級(jí)、主燃1級(jí)和主燃2級(jí)流量在超控狀態(tài)下，存在一定的震蕩現(xiàn)象，主燃1，2級(jí)流量一致性較差，如圖6所示。

圖6 各級(jí)燃油流量變化(超控狀態(tài))

主燃1，2級(jí)流量出現(xiàn)震蕩將直接引起燃燒室的大幅壓力震蕩，造成不穩(wěn)定燃燒，對(duì)燃油燃燒效率及發(fā)動(dòng)機(jī)工作安全性等存在較大影響[13]，通過分析超控狀態(tài)下超控活門及分級(jí)活門閥芯運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(如圖7所示)，可知，在6 s時(shí)刻，電磁閥仍處于常開狀態(tài)，大流量狀態(tài)下分級(jí)活門無(wú)法打開，導(dǎo)致超控活門兩端作用壓差迅速增大(如圖8所示)，超控活門閥芯瞬時(shí)向關(guān)閉方向移動(dòng)，切斷控制油由超控活門通向電磁閥的通路，使控制油壓力直接作用于分級(jí)活門下腔，打開分級(jí)活門，分級(jí)活門上腔內(nèi)燃油通過節(jié)流嘴流向回油，而在分級(jí)活門打開后，主燃1級(jí)壓力瞬間下降，與主燃2級(jí)壓力接近平衡，此時(shí)超控活門因只受彈簧力及摩擦力合力作用，向關(guān)閉方向移動(dòng)，造成分級(jí)活門關(guān)閉，主燃1，2級(jí)壓差再次增大，超控活門再次控制分級(jí)活門打開，因此，分級(jí)活門一直在超控活門作用下圍繞著打開臨界點(diǎn)在一定范圍內(nèi)震蕩。

圖8 主燃1，2級(jí)間壓力變化(細(xì)節(jié))

5 影響因素分析

1) 電磁閥額定流量影響

電磁閥額定流量直接影響分級(jí)活門打開動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間，在設(shè)計(jì)過程中，將原額定流量為1.7 L/min的電磁閥，更換為額定流量為0.85 L/min的電磁閥，在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在進(jìn)場(chǎng)狀態(tài)下，主燃2級(jí)燃油有流量輸出，分級(jí)活門出現(xiàn)無(wú)法完全關(guān)閉。對(duì)此，利用仿真對(duì)該故障進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)在更換電磁閥后，燃油通過電磁閥產(chǎn)生的壓降增大，導(dǎo)致分級(jí)活門上控制腔產(chǎn)生的作用力與彈簧腔彈簧力的合力不足以克服分級(jí)活門下腔產(chǎn)生的作用力，分級(jí)活門在小狀態(tài)下無(wú)法保持在關(guān)閉位置，分級(jí)活門型孔部分打開，在進(jìn)場(chǎng)狀態(tài)下，主燃2級(jí)有流量輸出，如圖9所示。

圖9 主燃2級(jí)燃油流量變化(修改彈簧前后)

針對(duì)此種情況，對(duì)分級(jí)活門彈簧進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，增大彈簧初始彈簧力及彈簧剛度，并利用仿真對(duì)改進(jìn)措施進(jìn)行評(píng)估，調(diào)整模型彈簧腔參數(shù)，改進(jìn)后的燃油分級(jí)活門的工作狀態(tài)如圖10所示，小狀態(tài)下分級(jí)活門能夠保持關(guān)閉，工作正常。

圖10 分級(jí)活門位移變化(更改彈簧前后對(duì)比)

2) 活門摩擦力影響

針對(duì)在超控狀態(tài)下，超控活門、分級(jí)活門產(chǎn)生的震蕩現(xiàn)象，分析活門摩擦力大小對(duì)超控狀態(tài)下燃油分配的影響，設(shè)置超控活門摩擦力由15 N增大至45 N，運(yùn)行批處理仿真，超控狀態(tài)下分級(jí)活門的位移變化如圖11所示。

可見，隨著超控活門內(nèi)摩擦力的增加，在超控狀態(tài)下，分級(jí)活門的震蕩程度減弱，同時(shí)，分級(jí)活門的打開位置逐漸增大，即型孔面積增大，超控活門受摩擦力增大的影響，震蕩減弱，在摩擦力為45 N時(shí)，超控狀態(tài)下，超控活門保持在最大位移處，進(jìn)而由超控活門控制的分級(jí)活門型孔全部打開，震蕩現(xiàn)象消失，主燃1，2級(jí)一致性與正常工況相同，因此，需合理優(yōu)化活門摩擦力等設(shè)計(jì)參數(shù)，避免燃油的流量、壓力波動(dòng)，保持燃油分配特性穩(wěn)定。

圖11 分級(jí)活門位移(超控活門摩擦力變化)

6 試驗(yàn)驗(yàn)證

利用功能性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型，設(shè)置分配模型進(jìn)口流量、燃燒室反壓與試驗(yàn)狀態(tài)保持一致；利用功能性能試驗(yàn)中測(cè)定的LVDT在分配活門開、關(guān)極限位置的反饋值，根據(jù)分配活門全行程設(shè)計(jì)值，將慢車、進(jìn)場(chǎng)、爬升、起飛狀態(tài)下所記錄的LVDT反饋值換算為分配活門所對(duì)應(yīng)的位移值，分別為0，5.15, 7.3, 7.84，將其作為模型分配活門的位移控制信號(hào)，運(yùn)行模型進(jìn)行仿真分析，不同狀態(tài)下的仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖12所示。

圖12 不同狀態(tài)下試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真對(duì)比

與真實(shí)試驗(yàn)狀態(tài)等同條件下的模型仿真，其結(jié)果與試驗(yàn)基本保持一致，其中，爬升、起飛狀態(tài)下的預(yù)燃級(jí)流量誤差分別為2.6%, 0.7%，而在進(jìn)場(chǎng)、爬升、起飛狀態(tài)下主燃1級(jí)流量誤差分別為1.8%, 0, 0.4%，爬升、起飛狀態(tài)下主燃2級(jí)流量誤差分別為1.1%, 0.2%。燃油分配仿真模型能夠反映燃油分配的真實(shí)工作狀態(tài)，且精度在3%以內(nèi)。

7 結(jié)論

通過商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油分配AMESim模型的建模及穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)仿真研究，可見仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)保持一致，燃油分配AMESim模型準(zhǔn)確、可靠。利用現(xiàn)有AMESim燃油分配模型，可有效的支持工程設(shè)計(jì)、試驗(yàn)過程中的故障原因分析以及解決方案評(píng)估等。在此基礎(chǔ)上，可進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)的集成建模與仿真，為燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)提供有力支持。