分级燃烧燃油分配器的设计与仿真

唐 强，叶志锋

(南京航空航天大学能源与动力学院，南京 210016)

随着科学技术的发展，航空发动机在向高性能方向发展的同时朝着低污染、低噪声方向发展，以满足新一代民用飞机对发动机的需求［1-7］。研究表明:发动机在整个工作过程中，燃烧室温度始终保持在1 670～1 900 K时会生成较少的NOx和CO。所以，控制NOx和CO生成的方法是改进燃烧室部件，将燃烧室中燃料和空气的燃烧温度控制在上述范围。为此，航空发动机专家们尝试开发了空气和燃料分级燃烧技术。这种技术是通过对发动机燃烧室的结构进行优化改善，根据不同的工作状态，燃油可进行自主控制与分配，使得燃烧室的各个部分都能在最高效率的工况下工作，从而使发动机整体燃烧效率最佳、排放最低，同时达到优化燃油使用或分配效率的目的。国内虽然对于分级燃烧技术的研究已积累了一定的基础，但是对于配套的燃油分配器的研究尚未深入开展，因此本文将对分级燃烧的燃油分配器进行研究。

1 分级燃烧燃油分配系统原理

传统的航空发动机配备单级燃烧室，通过一个燃油分布器实现主、副两条油路的控制，无法满足分级燃烧的要求。因而本文设计了一种新型的燃油分配控制系统［8］，如图1所示。其中HMU为发动机燃油调节组件，提供发动机控制的高压控制油、低压油和发动机燃烧所需的计量油。EEC发动机采用电子控制，控制着电磁阀、电液伺服阀等一系列执行元件。发动机工作时，燃油分配器预燃级油路常开，主燃级和预燃级之间的燃油分配由分配活门连续控制，分级活门由开关量控制，主燃级通过燃油分级活门分为2级。假识发动机处于低工况时，燃烧室仅有预燃级工作，那么计量油通过分配器计量活门后只流过预燃级的油路进入燃烧室，此时主燃级Ⅰ级、Ⅱ级油路关闭。当发动机处于中间工况时，发动机的预燃级工作和主燃级Ⅰ级工作，此时主燃级Ⅰ级油路打开，计量油流经燃油分配器分成2路，流入预燃级油路和主燃级I级油路，供给发动机燃烧室燃烧。而在发动机高工况时，燃烧室预燃级和主燃级Ⅰ级和Ⅱ级同时工作，此时电控系统控制电磁阀通过燃油分级活门打开主燃级Ⅱ级油路，计量油通过预燃级、主燃级I级和主燃级II级进入燃烧室。虽然在高工况下发动机的主燃级I级和Ⅱ级同时工作，但是，随着具体工况的不同，供给燃烧室的流量有所不同，因而燃油分配器的分配比例会不同。燃油分配控制系统是由EEC通过电液伺服阀控制分配活门的位置实现不同分配的。为了保证分配器的分配精度，对设计的分配活门阀芯添加了一个线性位移传感器(LVDT)，通过LVDT把输入信号后的阀芯位移反馈给EEC，这样形成了一个反馈闭合回路，提高了燃油分配器的控制精度。

图1 燃油分配系统工作原理框图

2 燃油分配器的设计和参数计算

燃油分配系统的关键部件是燃油分配器，也就是燃油分配活门是否能满足分配比的要求，达到精确分配计量油的目的。因而，根据设计要求和分配计划设计了如图2所示的分配器，计量油Q0从上端进入，经过左右2个固定节流口Ⅰ、Ⅱ后再通过2个可变节流口3、4分成2股既定流量的油路流入分配器腔体，在液压力、弹簧力等稳定作用下，变为流量Q1和Q2流入预燃级和主燃级燃烧室。其中电液伺服阀通过左端给定x的位移信号来调节可变节流口的开度，以此调节预燃级和主燃级的流量，达到精确分油的目的。

对于设计的分配器首先进行了稳态尺寸参数计算。

燃油分配器不工作时，在预紧力作用下得

其中:k1、k2为弹簧的刚度系数;L10、L20和 L1、L2为弹簧的初始长度和稳态长度。

图2 燃油分配器结构原理

当分级燃油分配器工作时，可得以下方程:

其中:xv为阀芯位移，x为右端输入信号位移;F1为弹簧力，F2为稳态液动力;K1、K2为固定节流口Ⅰ和Ⅱ的节流系数;K3、K4为可变节流口3和4的节流系数;AⅠ和AⅡ为固定节流口Ⅰ和Ⅱ的截面积;w1和w2为可变节流口3和4的面积梯度;U为节流口3、4的预开口量;Q1、Q2为预燃级和主燃级流量;k为主燃级和预燃级燃油分配比。

通过上面各等式和设计要求可计算出分配器的各项稳态参数。

3 基于AMESim的建模仿真

3.1 仿真模型的建立

为了验证设计燃油分配器的可行性和准确性，根据分配器的结构图设计了AMESim仿真模型，如图3所示［9-10］。仿真模型中各元件连接采用直连的方式，分段线信号通过压力变送器模拟外部的负载变化。

图3 燃油分配器仿真模型

3.2 动态性仿真分析

燃油分配器的动态性、鲁棒性和稳态性的仿真分析是对分配器性能好坏的一个直观描述。

动态性是指分配器给定信号位移后响应速度的快慢，可以通过分配器阀芯调节时间进行表征，因而本文在动态分析时研究了不同初始位移下的阀芯位移曲线。

图4 输入信号12 mm时的阀芯位移曲线

以输入信号12 mm时的阀芯位移曲线为例，从图中可以看出左端在有输入信号时，阀芯在弹簧力、压差力、液动力等影响下迅速发生移动，经过一段调节时间后，阀芯在平衡位置稳定下来，而调节时间不超过0.25 s。同样对输入信号8 mm、16 mm分析可得结果类似。因此，仿真范围内可得燃油分配器的响应迅速，调节时间较短，动态性能较好，符合设计要求。

3.3 鲁棒性仿真分析

对于控制系统来说鲁棒性是指系统在一定的扰动下，参数保持某一性能的特性。对于燃油分配器来说就是在某一参数发生偏移变化时，系统是否能够保证稳定分配输出。本文从入口压力、主燃级和预燃级压力、输入位移信号4个变量中选取1个变量，其他变量保持不变，研究此变量与分配比的变化关系。

在输入位移信号为8 mm时，保持入口压力、预燃级和主燃级负载压力不变，输入信号在0.5 s后有0.2 mm的正方波信号，1.5 s后有个持续0.5 s的负方波信号，采样频率为1 000 Hz。故取输入位移信号的扰动曲线为图5所示，经过仿真所得分配比曲线为图6所示。在输入位移信号有较小的正负方波信号情况下，燃油分配器的分配比在4.58～4.64变化，变化范围较小。因而可得:在仿真范围内，输入位移的小扰动对分配比影响较小，输入位移信号的鲁棒性较好。

图5 分配比随输入信号变化曲线

在保持输入位移信号，预燃级和主燃级出口压力不变的情况下，对入口压力从80 bar做了正负2 bar的阶跃，得到如图6所示的分配比随入口压力的阶跃响应曲线。从图6可以看出:虽然入口压力发生了变化，但是分配比的变化较小，维持在4.58～4.63，因而分配比受入口压力影响较小，分配器的入口压力鲁棒性较好。

图6 分配比k随入口压力变化曲线

图7 分配比k随预燃级压力变化曲线

在保持入口压力、主燃级出口压力、输入位移信号不变的情况下对预燃级出口由50 bar做较小的正负1 bar的阶跃，分配比变化如图7所示。由图中可以看出尽管预燃级压力变化较小，但是分配比变化从2.9～8.1，显然分配比变化范围较大，影响燃油分配器性能，因而可得分配器的预燃级出口压力的鲁棒性较差。由分配器结构的对称性可知，主燃级出口压力的鲁棒性也较差。

3.4 稳态性仿真分析

由于入口压力和输入位移信号的鲁棒性较好，对分配比影响较小，因而对这2个变化量做进一步的稳态分析。在分析入口压力与分配比的变化关系时，由于入口压力变化较小，可设每时每刻的分配比趋于稳定，获得了稳态的分配比随入口压力变化曲线，如图8所示。由图8可以看出:在入口压力变化下，分配比有较小的变化，分析原因是由于入口压力变化，预燃级和主燃级压差都发生改变，2级的流量有较小变化，由于分配比是主燃级和预燃级流量之比，所以受到影响较小。

图8 分配比k随入口压力的稳态变化曲线

同样，在分析输入位移信号和分配比的变化关系时，可假定输入信号变化缓慢，分配比时刻稳定，得到分配比随输入信号的稳态变化曲线，如图9所示。从图9可以看出:随着输入位移信号的增大，分配比也线性增大，这与设计要求的通过输入信号线性地控制分配比的大小相符，因而可得设计的分配比线性稳定性较好。

图9 分配比k随输入信号的稳态变化曲线

4 结论

1)在仿真分析范围内，分配器动态响应较快，调节时间较短。

2)在鲁棒性仿真分析时，输入位移信号和入口压力的鲁棒性较好，预燃级和主燃级出口压力的鲁棒性较差。

3)燃油分配比随入口压力的改变，其变化较小，稳定性较高;分配比随输入位移信号的变化，其线性稳定性较好，完全符合设计要求。

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