涡扇发动机加力燃油计量装置建模与性能分析

2013-07-07郭迎清王骥超

航空发动机 2013年5期

关键词：活门指令燃油

尚洋，郭迎清，王骥超，王磊

（1.西北工业大学动力与能源学院，西安710072；2.中航工业西安航空动力控制公司，西安710077）

涡扇发动机加力燃油计量装置建模与性能分析

尚洋1，郭迎清1，王骥超1，王磊2

（1.西北工业大学动力与能源学院，西安710072；2.中航工业西安航空动力控制公司，西安710077）

航空发动机加力燃油计量装置对于准确实现加力燃油控制规律和加力接通与切断过渡过程的性能至关重要。为了对某涡扇发动机加力燃油计量装置的性能进行深入分析，采用面向对象的建模软件A M ESim对加力燃油计量装置进行建模，对该装置动态性能、抗干扰能力以及指令压力实现、逆序切油功能等进行了深入研究。结果表明：该加力燃油计量装置性能优良，可以实现设计要求的功能。所建模型可供加力燃油计量装置的设计、改进改型和性能优化参考。

加力燃油计量装置；A M ESim软件；建模；逆序切油；指令压力；涡扇发动机

0 引言

航空发动机控制系统的发展方向是全权限数字式电子控制（FADEC）[1-2]。加力燃油控制在军用航空发动机控制中占有十分重要的地位，对发动机性能影响显著，是控制系统设计中1个重要问题。

数控系统由控制软件、电子控制器、液压机械装置、传感器和电气部件组成[3-4]。由于液压机械装置结构复杂、设计制造周期长、成本高，为了缩短研制周期，节约成本，对液压机械装置进行建模仿真是十分必要的[5-7]。通过建模仿真可以对液压机械装置进行深入分析，对原有方案的性能进行预测[8]；评估方案的优劣，及早发现并修正系统设计中的缺陷，确定最佳设计方案[9]；确定改进改型和优化的方向[10]。

早期对液压机械装置的仿真常采用经典方法，取得了宝贵的成果和经验，但还存在一些不足，如：以往的建模仿真主要基于数学方程，建模过程忽略了介质本身特性变化[11]，影响了仿真结果的准确性；在编写程序上花费大量时间；模型的通用性和可扩展性不强，通常只针对某一具体型号或特定类型的发动机，仿真系统也不完善。为此，需要开发1种面向对象的、模块化、图形化、易扩展的建模仿真软件。美国波音公司的Easy5软件和法国IMAGE公司的AMESim软件已经广泛应用于很多先进的航空发动机数控系统设计中。文献[12]主要建立了主燃油计量装置的模型，由于加力燃油计量装置与主燃油计量装置在结构和功能上不同，例如加力燃油计量分3个区，需要提供打开加力分布器各区断油活门所需的分级指令压力，应急切断加力时实现逆序切断加力各区燃油，而主燃油计量只有1个区，不需要实现上述功能。

本文采用AMESim软件对航空发动机加力燃油计量装置进行建模仿真，对该装置动态性能、抗干扰能力以及指令压力实现、逆序切油功能等进行了深入研究，为其改进设计、改型和优化提供参考。

1 航空发动机加力燃油计量装置

加力燃烧室供油分3个区（0、1、2区）。加力燃油计量装置中电液伺服阀接收电子控制器信号，控制并计量加力0、1和2区燃油流量，同时产生加力燃油分布器和加力泵所需指令压力。

加力燃油计量装置的组成和结构如图1所示。加力联锁活门组件的作用是根据应急切断电磁阀的指令，按照相反的时序（2、1、0区）切断加力燃油；计量后的燃油通过加力燃油分布器通到加力燃烧室。

图1 加力燃油计量装置结构

加力燃油计量装置的功能是：（1）控制加力泵接通和关断；（2）根据电子控制器发出的控制命令，向加力各区燃油总管供油和分配燃油；（3）产生加力分布器和加力泵所需的指令压力；（4）应急切断加力时自动逆序切油。

加力燃油计量装置的工作原理是采用恒定压差改变节流面积。电液伺服阀接收来自电子控制器的控制信号，控制计量活门的轴向位移，改变计量活门窗口面积。计量活门位移信号通过LVDT反馈给电子控制器。压差活门感受计量窗口前后压差，通过调节节流活门控制腔压力以保持计量开关前后压差为常值，使燃油流量只与计量窗口面积成正比。当数控系统失效不能继续对加力燃油流量进行控制时，应逆序切断加力各区燃油、关断计量后燃油通往加力燃烧室油路并使加力泵退出工作，具体工作过程为：应急切断电磁阀通电，2区计量活门逐渐关闭，当2区减油结束后，1区开始减油，1区计量活门减油结束后，0区计量活门开始减油。在0区计量活门窗口关闭同时，供给加力燃油分布器的指令压力油通低压油使得计量后燃油通往加力燃烧室的油路切断，加力联锁活门导通加力泵进口活门控制腔通低压的油路，使加力泵退出工作。

2 加力燃油计量装置模型

AMESim软件提供了1个系统工程设计的完整平台，使得用户可以在1个平台上建立复杂的多学科领域系统的模型，并在此基础上进行仿真计算和深入分析；并能借助其友好的、面向实际应用的方案，研究元件和系统的稳态和动态性能。

建立的航空发机加力燃油计量装置模型如图2所示。加力泵的模型用压力源来代替；通过3个计量装置流出的燃油最终经过加力燃油分布器流到发动机加力燃烧室，在模型中把加力燃油分布器分别等效为直径不同的喷嘴。模型输入包含（1）模拟量：加力泵来油压力，起动、内涵、外涵计量活门位移希望值；（2）开关量：加力接通与切断电磁阀的通断。输出量为起动、内涵、外涵计量活门的输出流量，加力燃油分布器指令压力和加力泵进口控制腔的指令压力。

图2 加力燃油计量装置模型

3 性能分析

由于0、1、2区计量装置结构和工作原理类似，仅对0区计量装置的性能进行分析。

3.1 0区计量装置性能

0区计量装置输入信号为加力泵来油压力和计量活门位移期望值，输出信号为计量活门输出流量。加力泵来油压力不大于8 MPa；计量活门位移变化范围为0～12 mm；计量活门前后压差为（0.7±0.05）MPa。

3.1.1 0区计量装置的稳态误差和动态性能

为了得到0区计量装置的稳态误差和动态性能，给定计量活门位移期望值为阶跃信号。当加力泵来油压力保持不变，0区计量活门位移期望值在0 s从0 mm阶跃变化到10 mm时，0区计量活门的位移、压力和输出流量曲线如图3～5所示。

图3 0区计量活门位移（加力泵来油压力保持不变）

图4 0区计量活门压力（加力泵来油压力保持不变）

从图中可见，0区计量活门位移可以很快的达到希望值，调节时间为0.62 s。计量活门前后压差为0.695 MPa，输出燃油流量的稳态误差为0.082%。3.1.2 0区计量装置抗干扰能力

图5 0区计量活门输出流量（加力泵来油压力保持不变）

为了得到0区计量装置抵抗外界干扰的能力，将加力泵来油压力作为干扰计量活门输出流量的变化。当0区电液伺服阀输入信号不变，加力泵来油压力在第5 s由3.5 MPa阶跃增大到3.9 MPa时，0区计量活门压力和输出流量分别如图6、7所示。

图6 0区计量活门压力（加力泵来油压力在第5 s时增大）

图7 0区计量活门输出流量（加力泵来油压力在第5 s时增大）

从图中可见，0区计量活门前后压差为0.695 MPa，输出流量为38.058 L/min；当加力泵来油出现扰动时，0区压差活门可以在0.95 s内使计量活门前后压差稳定为0.696 MPa，输出流量稳定为38.111 L/min，变化率为0.139%，可见该计量装置的抗干扰能力强。

3.1.3 计量活门流通面积与输出流量的线性度

为了得到计量活门流通面积与输出流量的线性度，给定如下输入：当加力泵来油压力恒定，0区计量活门位移期望值在5 s内由2 mm增加到10 mm，0区计量活门流通面积和输出流量关系如图8所示。从图中可见，计量活门流通面积与输出流量的线性度为0.05%。

图8 0区计量活门流通面积与流量关系

3.2 指令压力的实现

为了得到指令压力和逆序切油的性能，给定如下输入：0、1、2区计量装置分别在第2、4、6 s开启，加力切断电磁阀在第10 s通电，供给加力燃油分布器的指令油压力曲线如图9所示。

图9 指令油压力

从图中可见，供给加力燃油分布器的3级指令油压力分别为0.88、1.55、2.16 MPa；在0区计量活门窗口关闭的同时，供给加力燃油分布器的指令压力通低压油。通过调节指令活门通低压腔节流嘴的直径可以调节指令油压力的大小。

加力泵进口控制腔通低压腔流通面积如图10所示。从图中可见，在0区计量活门窗口关闭的同时，加力联锁活门导通加力泵进口活门控制腔通低压的油路，使加力泵退出工作。

图10 加力泵进口控制腔通低压流通面积

3.3 逆序切油的实现

加力切断电磁阀在第10 s通电时，加力燃油计量装置的输出流量如图11所示。从图中可见，加力切断电磁阀接通后，2区计量活门切油到0时，1区计量活门才开始切油；1区计量活门切油到0时，0区计量活门才开始切油。从2区计量活门最大流量开始切油到1区计量活门切油达到0时需1.6 s，0区计量活门切油达到0时需0.3 s。

图11 加力燃油计量装置的输出流量

4 结论

本文利用AMESim软件对航空发动机加力燃油计量装置进行建模，通过仿真对加力燃油计量装置的性能进行分析。仿真结果表明：加力燃油计量装置可以准确计量供向加力各区的燃油流量并且具有较强的抗干扰能力，可以提供加力燃油分布器和加力泵所需的指令压力，应急切断时可以实现逆序切断加力各区燃油。所建模型具有很强的工程应用价值，可供加力燃油计量装置设计和试验调试时参考。

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Modeling and Performance Analysis of Augmented-fuel Metering Unit for Turbofan Engine

SHANG Yang1,GUO Ying-qing1,WANG Ji-chao1,WANG Lei2
（1.School of Power and Energy,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072, China；2.AVIC Xi'an Aero-Engine Controls Co.,Xi’an 710077,China）

Augmented-fuel metering unit of aeroengine is very important to the accurate realization of the control law of augmented-fuel and the performance of afterburner light-on and cutting off process.In order to analyze the performance of augmented-fuel metering unit of turbofan engine,the simulation model of augmented-fuel metering unit was established by the object-oriented modeling software AMESim.The deep analysis of the dynamic performance,the anti-interference ability,the realization of command pressure and the function of reverse cutting fuel of the unit was conducted.The results show that the performance of the augmented-fuel metering unit can achieve the design requirements.The models provide a reference for the design,the improvement and modification,performance optimization of the augmented-fuel metering unit.

augmented-fuel metering unit;AMESim;modeling;reverse cutting fuel;command pressure;turbofan aeroengine