某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)燃油活門(mén)組件設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

周秀清

（中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002）

燃油活門(mén)組件是某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)的重要組成部分，是燃油通往燃燒室的必由之路，該附件集成了燃油分配和超轉(zhuǎn)回油功能。燃油分配的功能是將進(jìn)入燃燒室的燃油進(jìn)行分配，在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)初期，采用副油路單獨(dú)供油，改善噴嘴霧化效果，提高發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火成功率；當(dāng)供油量增加時(shí)，采用主、副油路同時(shí)供油；在發(fā)動(dòng)機(jī)停車(chē)時(shí)，放掉燃油總管中剩余的燃油，防止噴嘴積碳。超轉(zhuǎn)回油的功能是在發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力渦輪超轉(zhuǎn)時(shí)將出口燃油返回到高壓泵前，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，防止出現(xiàn)破壞性超轉(zhuǎn)；當(dāng)動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速低于超轉(zhuǎn)值時(shí)，恢復(fù)供油[1]。

1 設(shè)計(jì)要求及原理

1.1 燃油系統(tǒng)

發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)框圖如圖1所示，直升機(jī)油箱的燃油進(jìn)入低壓泵增壓，經(jīng)低壓燃油濾組件過(guò)濾后進(jìn)入高壓泵和調(diào)節(jié)裝置，計(jì)量后的燃油進(jìn)入燃滑油散熱器，然后進(jìn)入燃油活門(mén)組件，燃油活門(mén)組件將燃油分配成兩路分別進(jìn)入燃燒室的主、副油路燃油總管。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)框圖

1.2 系統(tǒng)要求

燃油系統(tǒng)對(duì)燃油活門(mén)組件提出了以下要求：

（1）起動(dòng)時(shí)，向主、副油路燃油總管提供燃油；

（2）超轉(zhuǎn)時(shí)，將出口燃油返回到高壓泵前；

（3）停車(chē)時(shí)，將主、副油路燃油總管積油排至漏油口。

1.3 主、副油路打開(kāi)壓力要求

1.3.1 副油路打開(kāi)壓力要求

副油路負(fù)責(zé)給發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)噴嘴供油，選取合適的打開(kāi)壓力，提高起動(dòng)噴嘴霧化效果，縮短燃燒室點(diǎn)火時(shí)間。通過(guò)分析，確定副油路打開(kāi)壓力為p副。

1.3.2 主油路打開(kāi)壓力要求

主油路在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火成功后打開(kāi)，給主油路燃油總管供油，選取合適的打開(kāi)壓力，提高發(fā)動(dòng)機(jī)加速性和可靠性。通過(guò)分析，確定主油路打開(kāi)壓力為p主。

若打開(kāi)壓力設(shè)計(jì)過(guò)高，會(huì)給前端提供壓力油源的燃油泵調(diào)節(jié)器增加供油負(fù)擔(dān)，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性；若打開(kāi)壓力設(shè)計(jì)過(guò)低，與副油路打開(kāi)壓力相差不大，會(huì)有以下幾點(diǎn)影響：

（1）影響發(fā)動(dòng)機(jī)在高原飛行的起動(dòng)成功率。因?yàn)楦咴瓬囟鹊停加捅容^黏，需要噴嘴前的燃油壓力足夠高才能達(dá)到良好的霧化效果，如果主油路在副油路噴嘴點(diǎn)火成功前打開(kāi)，會(huì)影響副油路的點(diǎn)火效率。

（2）可能會(huì)超溫。當(dāng)副油路點(diǎn)火成功后，燃?xì)鉁u輪后溫度會(huì)達(dá)到一個(gè)峰值，如果主油路恰好在燃?xì)鉁u輪后溫度峰值時(shí)打開(kāi)，發(fā)動(dòng)機(jī)可能會(huì)出現(xiàn)超溫現(xiàn)象。

（3）影響發(fā)動(dòng)機(jī)的高原飛行性能。在高原時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)所需燃油流量少，副油路提供的流量足以維持發(fā)動(dòng)機(jī)低狀態(tài)飛行，如果主油路在低狀態(tài)也參與供油，會(huì)影響噴嘴霧化效果。

1.4 協(xié)同動(dòng)作時(shí)間要求

超轉(zhuǎn)保護(hù)原理：當(dāng)動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速超過(guò)保護(hù)值時(shí)，控制系統(tǒng)給燃油活門(mén)組件電磁閥通電，使出口燃油返回高壓泵前；當(dāng)動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速低于超轉(zhuǎn)保護(hù)值時(shí)，控制系統(tǒng)給燃油活門(mén)組件電磁閥斷電，恢復(fù)供油。

超轉(zhuǎn)保護(hù)響應(yīng)時(shí)間包括以下三個(gè)方面：電子控制器超轉(zhuǎn)確認(rèn)給出信號(hào)時(shí)間T1、燃油活門(mén)組件電磁閥響應(yīng)時(shí)間T2、電磁閥動(dòng)作到燃油活門(mén)組件出口燃油壓力降至最小值的時(shí)間T3。時(shí)序圖如圖2所示。

圖2 超轉(zhuǎn)保護(hù)響應(yīng)時(shí)序示意圖

超轉(zhuǎn)保護(hù)響應(yīng)時(shí)間應(yīng)該考慮從發(fā)動(dòng)機(jī)超轉(zhuǎn)時(shí)加速到超轉(zhuǎn)保護(hù)最大值的時(shí)間，并在該時(shí)間上進(jìn)行余量設(shè)計(jì)。燃油活門(mén)組件作為執(zhí)行元件，動(dòng)作時(shí)間T回油為超轉(zhuǎn)保護(hù)響應(yīng)時(shí)間減去電子控制器確認(rèn)時(shí)間T1。

超轉(zhuǎn)保護(hù)恢復(fù)時(shí)間同樣包括T4、T5、T6三個(gè)方面，時(shí)序圖如圖3所示。

圖3 超轉(zhuǎn)保護(hù)恢復(fù)時(shí)序示意圖

超轉(zhuǎn)保護(hù)恢復(fù)時(shí)間應(yīng)該考慮在沒(méi)有燃油的情況下發(fā)動(dòng)機(jī)從低于超轉(zhuǎn)的狀態(tài)下降到空氣渦輪起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)狀態(tài)的時(shí)間，即在這個(gè)時(shí)間內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)不需要空氣渦輪起動(dòng)機(jī)帶轉(zhuǎn)能再起動(dòng)，并在該時(shí)間上進(jìn)行余量設(shè)計(jì)。燃油活門(mén)組件作為執(zhí)行元件，動(dòng)作時(shí)間T恢復(fù)為超轉(zhuǎn)保護(hù)恢復(fù)時(shí)間減去電子控制器確認(rèn)時(shí)間T4。

通過(guò)分析，確定協(xié)同動(dòng)作時(shí)間要求：

（1）常溫，從電磁閥接通的瞬時(shí)，到燃油活門(mén)組件出口壓力下降至最小值時(shí)止所需的時(shí)間不超過(guò)T回油。

（2）常溫，從電磁閥斷開(kāi)的瞬時(shí)，到燃油活門(mén)組件出口壓力上升到最大值時(shí)止所需的時(shí)間不超過(guò)T恢復(fù)。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 組成

燃油活門(mén)組件主要由主油路活門(mén)、副油路活門(mén)、選擇活門(mén)和電磁閥構(gòu)成。燃油活門(mén)組件共有5個(gè)油口，分別是進(jìn)油口、主油路出口、副油路出口、漏油口、回油口。燃油活門(mén)組件框圖如圖4所示。

圖4 燃油活門(mén)組件框圖

2.2 工作原理

發(fā)動(dòng)機(jī)未起動(dòng)時(shí)，燃油活門(mén)組件進(jìn)口壓力等于外界壓力，此時(shí)燃油活門(mén)組件的主、副油路活門(mén)在彈簧作用下處于關(guān)閉狀態(tài)。

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)進(jìn)口燃油壓力達(dá)到p副時(shí)，副油路活門(mén)閥芯移動(dòng)，燃油經(jīng)副油路活門(mén)和選擇活門(mén)進(jìn)入燃燒室副油路燃油總管；當(dāng)進(jìn)口燃油壓力繼續(xù)增大至p主時(shí)，主油路活門(mén)閥芯移動(dòng)，此時(shí)燃油分成兩路，分別供給主、副油路燃油總管，實(shí)現(xiàn)燃油的分配功能。

當(dāng)動(dòng)力渦輪超轉(zhuǎn)時(shí)，燃油活門(mén)組件中電磁閥接通，選擇活門(mén)彈簧腔中高壓燃油與低壓腔溝通，選擇活門(mén)力平衡發(fā)生改變，閥芯移動(dòng)到上止點(diǎn)，此時(shí)進(jìn)口和回油油路溝通，則通往燃燒室的燃油中斷，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，實(shí)現(xiàn)超轉(zhuǎn)回油；當(dāng)電磁閥斷電后，選擇活門(mén)內(nèi)油壓再次保持一致，閥芯移動(dòng)到下止點(diǎn)，將進(jìn)口和出口油路重新溝通，恢復(fù)供油。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)停車(chē)時(shí)，燃油停止流向燃油活門(mén)組件，主、副燃油活門(mén)閥芯在彈簧作用下向下移動(dòng)，燃燒室內(nèi)剩余的壓力p3將噴嘴和總管中的燃油吹除，防止噴嘴積碳。

2.3 主、副油路活門(mén)彈簧參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)燃油活門(mén)組件尺寸鏈，計(jì)算彈簧在活門(mén)內(nèi)打開(kāi)時(shí)的壓縮量，并根據(jù)打開(kāi)壓力要求，計(jì)算出彈簧的剛性大小，初步定出彈簧的基本尺寸。最后，根據(jù)擬好的彈簧參數(shù)及燃油活門(mén)組件的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，復(fù)算彈簧各參數(shù)是否能達(dá)到打開(kāi)壓力要求。計(jì)算過(guò)程如下：

（1）根據(jù)接口要求及流道情況,擬定活門(mén)直徑d1，當(dāng)油壓達(dá)到打開(kāi)壓力p時(shí)，通過(guò)公式（1）計(jì)算出活門(mén)需克服的彈簧工作載荷F；

（2）根據(jù)燃油活門(mén)工作環(huán)境確定彈簧材料為1Cr18Ni9，根據(jù)活門(mén)直徑初定彈簧絲徑d2和中徑D；

（3）根據(jù)彈簧穩(wěn)定性要求（高徑比b≤5.3），根據(jù)公式（2）初定自由長(zhǎng)度H；

（4）初定彈簧間隙δ；

（5）根據(jù)公式（3）確定工作圈數(shù)n；

（6）根據(jù)公式（4）得到并圈高度H0；

（7）根據(jù)活門(mén)結(jié)構(gòu)尺寸和并圈高度H0，確定彈簧工作高度，然后得到彈簧壓縮量f；

（8）根據(jù)公式（5）得到彈簧彈力F彈，其中G為切變模量。若F彈與打開(kāi)壓力F不匹配，則重新選取相關(guān)參數(shù)迭代設(shè)計(jì)，直到與打開(kāi)壓力匹配。

3 半物理仿真試驗(yàn)

將該渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)燃油與控制系統(tǒng)進(jìn)行半物理仿真試驗(yàn)，進(jìn)口和主、副油路燃油壓力曲線(xiàn)如圖5所示。

用示波器同時(shí)采集電磁閥信號(hào)和出口燃油壓力信號(hào)。當(dāng)電磁閥通電后出口燃油壓力開(kāi)始下降，在ΔT回油（示波器讀取，從電磁閥通電時(shí)刻開(kāi)始計(jì)時(shí)）時(shí)間后，出口燃油壓力下降到最小值，ΔT回油＜T回油；當(dāng)電磁閥斷電后出口燃油壓力開(kāi)始上升，在ΔT恢復(fù)（示波器讀取，從電磁閥斷電時(shí)刻開(kāi)始計(jì)時(shí)）時(shí)間后，出口燃油壓力上升到最大值，ΔT恢復(fù)＜T恢復(fù)，滿(mǎn)足協(xié)同動(dòng)作時(shí)間要求。

圖5 進(jìn)口和主、副油路燃油壓力曲線(xiàn)

4 結(jié)論

本文根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)及其燃油系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)要求，對(duì)關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行了分析，并細(xì)化、明確，在此基礎(chǔ)上提出了具有燃油分配和超轉(zhuǎn)回油功能的燃油活門(mén)組件設(shè)計(jì)方案。該燃油活門(mén)組件經(jīng)半物理仿真試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明其性能滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)要求。燃油活門(mén)組件集成了燃油分配和超轉(zhuǎn)回油功能，簡(jiǎn)化了燃油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減輕了發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量，可為相關(guān)型號(hào)的燃油附件設(shè)計(jì)提供借鑒。