航空发动机燃油系统数值模型仿真与验证

徐　健，王淑云，吴小刚，陈庆安

（1.海军驻沈阳地区发动机专业军事代表室，沈阳110043；2.沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，沈阳110043）

航空发动机燃油系统数值模型仿真与验证

徐健1，王淑云2，吴小刚2，陈庆安2

（1.海军驻沈阳地区发动机专业军事代表室，沈阳110043；2.沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，沈阳110043）

以航空发动机燃油系统为研究对象，简要介绍了燃油系统的工作原理，建立了燃油系统主要组成单元计量活门、电液伺服阀、等差活门的数学模型。并在Matlab/Simulink环境下，构建了整个燃油系统的仿真模型。通过在试验器上进行的燃油系统与电子控制器的联合调试试验，对仿真结果进行验证。仿真与试验结果的对比表明：所建模型的仿真结果与试验结果吻合较好，基本符合设计要求，能反应燃油系统的实际工作情况。

航空发动机；燃油系统；数值模型；试验；仿真：Simulink

1　引言

与其他热力透平机械相比，航空发动机具有结构紧凑、效率高、质量轻、运行平稳、可靠性高、起动快、能快速适应负荷需求变化等特点。因此，航空发动机燃油系统也要能快速响应，按照控制系统指令及时调节燃油系统供给，改变发动机工作状态，适应外界需求。

近年来，随着计算机科学技术的不断发展，建模与仿真技术已不断应用到航空发动机等复杂系统的建模中。而建立航空发动机燃油系统数学模型并对其进行仿真研究，已是发动机燃油控制系统研究的重要途径。通过建模与仿真，对燃油系统的性能做出分析与评价，不仅能够提升燃油系统的设计水平，而且还是缩短研制周期、降低研制风险与费用的有效途径［1］。

建立航空发动机燃油系统仿真模型，就是通过对发动机燃油系统特性、关键参数、控制规律的分析，评估其能否满足发动机性能要求，能否实现发动机控制系统的物理功能，这是对整个发动机控制系统进行半仿真、性能评估和进一步试验研究的重要条件。

本文以某航空发动机燃油系统为研究对象，在Matlab/Simulink环境下，构建整个燃油系统的仿真模型。并通过在燃油系统试验器上进行的联合调试试验，对仿真模型进行验证。

2　燃油系统

燃油系统的功能是向燃烧室供给一定压力和流量的燃油，当油门按钮改变时，能迅速可靠地改变其工作状态，同时防止发动机超温、超压、超转，保证航空发动机迅速可靠起动。

某型航空发动机燃油系统，由计量活门、电液伺服阀、应急电磁阀、放油电磁阀、分布器活门和放油活门等组成。

电子控制器感受发动机进口温度、压气机出口压力和高压压气机转数，按换算转速作为电子控制器输出给定电信号，并与计量活门位移反馈信号相比较，得到电液伺服阀控制电信号。计量活门根据电子控制器的输出信号，通过电液伺服阀控制计量活门开度，靠压差回油活门保证计量活门前后压差恒定，使计量活门稳定工作在所需开度位置，控制发动机在不同状态（包括起动、加减速、稳定状态）所需燃油流量，构成闭环控制回路［2-4］。

放油电磁阀、应急电磁阀用于应急停车控制。当应急电磁阀、放油电磁阀同时工作时，无论电液伺服阀控制电信号大小，都能使计量活门和分布器活门关闭，迅速切断供油。

3　燃油系统数学模型

3.1计量活门数学模型

计量活门为燃油系统的重要执行元器件，根据工作原理其传递函数为：

式中：K为弹簧弹性系数，K=8.335×103N/m；Ap为计量活门有效面积，Ap=0.000 415 475m2；Kce为计量活门流量压力系数，Kce=4.699×10-11；ωh为液压无阻尼固有频率，ωh=5 004 rad/s；ξh为液压阻尼比，ξh= 0.2。故：

3.2电液伺服阀数学模型

电液伺服阀的型号为YF-21，其传递函数为：

由产品性能查得ωn=600 rad/s，ξ=0.7，KV=0.212 1 m3/（A·s），故

3.3等压差机构数学模型

等压差机构的数学模型为：

式中：B1、B2为粘性阻尼系数，ms1为阀腔内液体质量，n1、n3、n5为阀口流量系数，n2、n4为流量压力系数，m1、m2为稳态液动力系数。

4　燃油系统仿真与验证

4.1燃油系统仿真

燃油系统仿真模型建立在上述各主要元器件数学模型的基础上，根据燃油系统的工作原理，以各主要部件的传递函数为单元进行仿真［5-9］。在Matlab/ Simulink环境下，在各元器件数学模型和仿真模型的基础上，构建整个燃油系统的仿真模型，如图1、图2所示。仿真结果如图3所示［10-12］。

图1　R航空发动机燃油系统仿真模型Fig.1 Fuel system simulationmodel

图2　R航空发动机燃油系统传递模型Fig.2 Fuelsystem transfermodel

图3　R航空发动机燃油系统仿真与试验结果对比Fig.3 The comparison of simulation resultsand experimental results

4.2试验验证

在试验器上对燃油系统与电子控制器进行联合调试，录取燃油系统在不同状态下的性能数据，并将试验结果与燃油系统数学模型仿真结果进行对比，对燃油系统进行分析与改进，为航空发动机试车提供依据［13］。

相关试验件包括：电子控制器、燃油泵调节器RZB-6B1、燃油计量装置F49、分布器RFB-9、应急电磁阀RDF-9和应急放油电磁阀RDK-1G等。分布器RFB-9的主副油路出口用定面积节流嘴模拟燃油喷嘴。试验系统连接方式如图4所示。

发动机点火转速为1 400 r/min时，对应的燃油泵转速约为378 r/m in。该转速下燃油系统的流量特性如表1、图5所示。表中，Vg为电子控制器给定电压，Vf为电子控制器反馈电压，Q为燃油总流量。可见，点火转速时，随着给定电压的增加，供油流量上升平缓，给定电压0.90 V时流量达到190 L/h，满足该发动机点火时的最佳燃油流量要求，可用于点火。

发动机转速为2 500 r/min时，燃油系统的流量特性如表2、图6所示。表中Wf-10、Wf-15分别为燃油系统副油路和主油路的燃油流量。可见，随着给定电压的增加，供油流量上升平缓，给定电压9.00 V时流量约5 000 L/h，满足发动机加温状态时设计燃油流量（5 000±100）L/h的指标。

图4　R试验系统连接示意图Fig.4 Test system connection diagram

表1　R发动机转速1 400 r/m in时燃油系统的流量特性试验数据Table1 Testingdataof flow characteristicsat thespeed of1 400 r/min

图5　R转速1 400 r/min时燃油系统的流量特性试验曲线Fig.5 Testing curvesof flow characteristicsat the speed of1 400 r/min

表2　R发动机转速2 500 r/m in时燃油系统的流量特性试验数据Table2 Testingdataof flow characteristicsatthespeed of2 500 r/min

图6　R发动机转速2 500 r/min时燃油系统的流量特性试验曲线Fig.6 Testing curvesof flow characteristicsat thespeed of2 500 r/min

发动机转速为3500 r/min时，燃油系统的流量特性如表3、图7所示。可见，燃油系统的最大供油量在5 600～5 700 L/h之间，满足（5 700±100）L/h的设计指标。

表3　R发动机转速3 500 r/m in时燃油系统的流量特性试验数据Table 3 Testing data of flow characteristicsat the speed of3 500 r/min

图7　R转速3 500 r/min时燃油系统的流量特性试验曲线Fig.7 Testing curvesof flow characteristicsat thespeed of3 500 r/min

4.3仿真与试验结果对比分析

从图3中仿真结果与试验结果的对比可以看出，仿真结果与试验结果吻合较好，反映了该燃油系统性能的变化趋势。这说明本计算模型边界条件的选取、计算参数的使用等比较准确，计算模型具有一定的可靠度，可以利用该模型分析预测该型发动机燃油系统主要零部件结构参数变化，对燃油系统性能的影响程度及变化趋势。

5　结论

（1）对该型燃油系统数学建模与仿真的结果，基本符合燃油系统设计要求、工况的实际情况，为燃油系统的元件设计与总体性能改进提供了参考。

（2）所建立的燃油系统元器件数学模型和性能仿真，可为航空发动机燃油系统的改进改型及其他燃油系统的设计提供参考。

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Num ericalm odel sim u lation and verification on aero-engine fuel system

XU Jian1，WANG Shu-yun2，WU Xiao-gang2，CHEN Qing-an2
（1.Navy Stationing in Shenyang Military Representative Office on Engine，Shenyang 110043，China；2.AVIC Shengyang Lim ing Aero-Engine（Group）Corporation LTD，Shenyang 110043，China）

Taking an aero-engine fuel system as the researching object，the main components of the fuel system metering valve unit，electro-hydraulic servo valves，valve characteristic parameters and arithmetic works were analyzed with mathematical models.In the Matlab/Simulink environment，the mathematical models of the key elements and the entire fuel system were established.The calculation was validated with the testing data ofdifferent fuel system at the actualworking conditions.It can be found that themodel simulation results are good agreementwith the experimental results，and themodel can meet the design requirements.

aero-engine；fuelsystem；numericalmodels；test；simulation；Simulink

徐健（1978-），男，辽宁沈阳人，工程师，从事航空发动机项目管理。

V233.2

A

1672-2620（2015）02-0041-04

2014-04-18；修回日期：2015-02-02