用于分级燃烧的高性能燃油分配器的改进设计与仿真

李　鑫，张　荣，叶志锋

（1.南京航空航天大学能源与动力学院，南京210016；2.中航商用航空发动机有限责任公司，上海200241）

用于分级燃烧的高性能燃油分配器的改进设计与仿真

李鑫1，张荣2，叶志锋1

（1.南京航空航天大学能源与动力学院，南京210016；2.中航商用航空发动机有限责任公司，上海200241）

为了提高燃料使用效率、降低污染物排放，在已有分级燃烧燃油分配器基础上，针对航空发动机双环腔燃烧室改进设计了1种高性能燃油分配器。简述了分级燃烧燃油分配器的工作原理，建立了其A M ESim模型。根据设计要求，通过仿真验证了燃油分配器的稳定性、分配比与输入信号的稳态关系，计算了燃油分配器输出与燃油分配计划表之间的误差，分析了燃油分配器的动态特性以及对外部参数变化的鲁棒性，并且针对该分配器的非线性特性提出了解决办法。仿真结果表明：与文献［4］所设计的燃油分配器相比，改进设计的燃油分配器鲁棒性更好，稳态和动态性能更优。

燃油分配器；航空发动机；A M ESim建模；性能研究

0　引言

在航空发动机工作时燃料燃烧不充分，产生的有害物质由飞机在高空直接排放，对于大气的危害比地面设备更严重，加剧了温室效应和气候变化。利用分级燃烧原理可以使发动机在不同工作状态下充分利用燃料，从而降低污染物排放［1-3］。实现分级燃烧，需要设计相应的燃烧室结构，通过优化的燃油分配器来实时分配燃油。

满足分级燃烧需求的燃油分配器，需要精确控制燃油流量分配比，在稳态过程中保持稳定的分配比，不受供油压力和负载压力的影响，在动态调节过程中响应迅速，分配比值无明显振荡和超调。南京航空航天大学的唐强等［4］针对双环腔燃烧室设计了相应的燃油分配器，但所设计的燃油分配器的分配比受负载压力影响较大，分配比大小不能由输入信号惟一确定，且动态性能也不理想。本文根据相同的设计指标，重新对燃油分配器进行了设计。

1　燃油分配器的方案设计

1.1燃油分配器原理介绍

燃油分配器主要设计指标如下：

（1）燃油最小流量为50kg/h，最大流量为5500kg/h；燃油分配器进口压力小于等于9MPa。

（2）稳态精度不低于3%，动态响应时间小于0.1s，无明显振荡，超调量小于5%。

设计要求发动机在小工况下仅预燃级供油；在中等工况和大工况下预燃级和主燃级都供油。所设计的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器由燃油分配活门连续控制，通过调整输入信号实现对燃油分配比的控制，从而实现分级燃烧的功能。

基于等量分流阀阀芯能够根据压差变化动态调整的特性和流量公式设计的高性能燃油分配器［5-9］的原理如图1所示。

图1　高性能燃油分配器原理

从图中可见，分配器共分2级阀，第1级阀阀1的右端接位移输入杆，通过该杆对阀1的阀芯输入位移，直接改变可变节流口1、2的开口量，使两端输出流量发生变化。两端的输出流量分别通入第2级阀阀2的2个输入口，经过阀2的可变节流口3、4流出，可变节流口3、4分别接预燃级和主燃级。由于流量不同，从1、2两端流入阀2的油液压力不同，假设P1＜P2，压差产生的反馈作用加于阀2阀芯的两端使得阀芯向左移动，导致可变节流口3减小、4增大，最终阀2阀芯在左右弹簧力和液动力的共同作用下在某一点达到平衡。在不改变1、2两端输出流量的前提下，调整了1、2两输出端油液的压力，使P1、P2基本相等，2个出口与入口的压力差相等，两端流量之比只与可变节流口1、2的面积有关，从而分配比由阀1右端杆输入位移量信号惟一决定。

1.2燃油分配器的尺寸参数计算

燃油分配器工作时，入口燃油流量为Q0，压强为P0，分为2路经过可变节流口1、2从阀1流出，对应的预燃级、主燃级流量分别为Q1和Q2，压强分别变为P1和P2。2路燃油经阀2可变节流口3、4流出后压强变为P3和P4，最后通过固定节流口3、4连接负载P5、P6。

当燃油分配器预燃级和主燃级同时供油时，根据流量公式［10］，阀1右端输入位移x1时有如下方程

式中：x1为阀1阀芯位移即阀1右端输入杆输入信号；x2为阀2阀芯位移；Cd1、Cd2和Cd分别为可变节流口1和2、3和4、固定节流口3和4的节流系数；Kf为液动力刚度系数［11］；k为阀2左右两侧的弹簧刚度系数；A1、A2分别为固定节流口3、4的截面积；D1、D2分别为固定节流口3、4的直径；w1、w2分别为可变节流口1和2、3和4的面积梯度；u1、u2分别为可变节流口1和2、3和4的预开口量（开口形式为矩形局部开口）。K为主燃级和预燃级的燃油分配比。

只有预燃级供油时，Q2为零，阀1阀芯位置固定，由于弹簧刚度相对较小，阀2阀芯位置也基本固定。此时，计算变为固定压差下燃油流经固定节流口的问题，验证设计结构满足要求即可，在这里不再详细介绍。

基本参数设定完成后，根据上述各方程和设计要求，借助Matlab可计算出各项稳态参数。

2　燃油分配器的AMESim仿真建模

2.1燃油分配器的AMESim模型

根据计算得到的参数，借助AMESim建立的燃油分配器的仿真模型如图2所示［12］。

图2　燃油分配器仿真模型

2.2燃油分配器的仿真结果分析

2.2.1设计要求检验

根据设计指标中的燃油分配计划表，在设计性能要求范围内，在1、2级阀同时工作的情况下，通过仿真获得的预燃级和主燃级燃油分配误差如图3所示。在图3中，横坐标Q2为燃油分配计划表中给出的设计主燃级流量，曲线η1、η2为对应的仿真主燃级流量和预燃级流量与设计指标的误差。尽管预燃级流量误差相对大一些，但二者的误差都小于2.3%，符合稳态精度的要求。

图3　预燃级和主燃级燃油分配误差

2.2.2稳态性能分析

下面分析燃油分配器的稳态特性［13-14］。

（1）供油压力的影响。取x1=5mm，P5不变，入口供油压力P0=7～10MPa，燃油分配比K的变化如图4所示。

图4　分配比K随供油压力P0变化曲线

从图中可见，在P0从7MPa变化到10MPa过程中，燃油分配比K始终恒定，即K不受P0变化的影响。在其它工作点结果相同。

（2）出口压力的影响。预燃级和主燃级出口压力发生变化的影响机理相同，限于篇幅，本文取预燃级出口压力P5发生变化的情况进行研究。设x1=5mm，P0不变，P5=4.0～4.5MPa，分配比K、阀芯位移x2的变化曲线如图5所示。

图5　分配比K、阀芯位移x2随出口压力P5变化曲线

从图中可见，随着预燃级出口压力P5的变化，通过阀芯位移x2的自动调节，燃油分配比K始终保持恒定。其它工作点结果相同，相对文献［4］，该燃油分配器优势显著。

（3）燃油分配比与输入信号的关系。P0、P5、P6不变，输入位移信号x1=0～6mm，分配比K的变化曲线如图6所示。

从图中可见，分配比K随着x1的增大而增大，这说明分配器可以根据输入杆的位移有效地控制燃油分配比的大小。但受定义式数学关系的影响，在分配比较大时，线性度不好，需要事先对分配比和输入杆位移的关系进行修正。

图6　分配比K随输入信号x1变化曲线

2.2.3动态性能分析

对于动态性能，主要验证燃油分配器在输入位移信号x1后的响应速度，利用阶跃响应的调节时间来度量该响应速度。设初始时刻给予位移x1从0～5mm的阶跃信号，在0.2s时再给予3～5mm的负阶跃信号，燃油分配比K和阀芯位移x2的响应曲线如图7所示。

图7　分配比K和阀芯位移x2的阶跃响应曲线

从图中可见，分配器输入阶跃信号时，燃油分配器阀芯位移x2和分配比K迅速响应，调节时间仅为0.05s，且在调节过程中没有出现震荡和超调，动态性能良好。

2.2.4鲁棒性分析

这里的鲁棒性是指分配器受到一定的外部动态扰动下，输出保持某一稳定值的特性［15］。

（1）供油压力突变。取x1=5mm，P5不变，P0在8MPa附近于0.5s和1.5s2个时刻发生±0.5MPa突变的情况下，分配比K的变化曲线如图8所示。

从图中可见，供油压力P0发生突变情况下，燃油分配比K基本保持不变。

（2）出口压力突变

预燃级出口压力和主燃级出口压力发生突变的影响机理相同，选取预燃级出口压力P5发生突变这一工况进行研究。

图8　供油压力P0发生突变分配比K变化曲线

取x1=5mm，P0不变，预燃级负载压力P5在4MPa附近于0.5s和1.5s2个时刻发生±0.2MPa突变的情况下，阀芯位移x2、分配比K的变化曲线如图9所示。

图9　出口负载压力P5突变分配比K、阀芯位移x2变化曲线

从图中可见，虽然因为出口压力P5的突变，导致燃油分配比K发生了瞬间波动，但是由于阀2迅速调节，燃油分配比K很快恢复了初始值，可以认为燃油分配器在出口压力发生突变的情况下性能良好。

2.3燃油分配器非线性特性的修正

如前文所述，分配比K随着输入位移信号x1变化的关系受定义式数学关系的影响，线性度不好。为此，将可变节流口1、2的开口形式由原来的矩形改变为梯形局部开口，利用开口形状的数学变化关系来改善线性度，开口形式如图10所示。

图10　梯形局部开口

设输入位移x1=0时，左右开口面积同为S，左右直角梯形的下底长度分别为w1、w2，左右直角梯形斜边的倾斜系数分别为b1、b2，可以得到分配比K的数学计算式

合理设计b1、b2的值，就能有效地改善分配比K随着x1变化曲线的线性度。如果取b1=0.28，b2=0.1，借助Matlab得到如图11所示的曲线，燃油分配比调节的线性度相比图6有了显著改善。

图11　Matlab仿真曲线

3　总结

（1）对用于分级燃烧的燃油分配器进行设计和建模仿真表明，所设计的燃油分配器稳态、动态性能好，抗干扰能力强，分配比控制精度高，完全可以满足工程需要。

（2）相比于文献［4］所设计的燃油分配器，本文所设计的燃油分配器鲁棒性更好，稳态和动态性能更优。根据需要设计合适的可变节流口的开口形状，可以有效弥补分配比随输入位移变化线性度不好的缺陷。

（3）在对分配器进行理论设计的过程中，简化了部分结构，基于AMESim软件进行的仿真也存在一定局限性，需要结合试验来进一步验证其特性。

［1］赵坚行.民用发动机污染排放及低污染燃烧技术发展趋势［J］.航空动力学报，2008，23（6）：986-994. ZHAO Jianxing.Pollutant emission and development of low-emission combustion technology for civil aero engine［J］.Journal of Aerospace Power，2008，23（6）：986-994.（in Chinese）

［2］胡毅，张宝诚.航空燃气涡轮发动机燃烧室的NOx控制及预测［J］.航空发动机，2002（3）：30-36. HU Yi，ZHANG Baocheng.Control and prediction of NOx formation in aircraft gas turbine engine combustor［J］.Aeroengine，2002（3）：30-36.（in Chinese）

［3］梁春华，尚守堂.大飞机发动机先进低排放燃烧室技术［J］.航空制造技术，2010，22（14）：40-43. LIANG Chunhua，SHANG Shoutang.Advanced low emission combustor technologies for large commercial aircraft engine［J］.Aeronautical Manufacturing Technology，2010，22（14）：40-43.（in Chinese）

［4］唐强，叶志锋.分级燃烧燃油分配器的设计与仿真［J］.重庆理工大学学报（自然科学），2013，4（9）：40-44. TANG Qiang，YE Zhifeng.Design and simulation on the fuel distributor of staged combustion［J］.Journal of Chongqing University of Technology（Natural Science），2013，4（9）：40-44.（in Chinese）

［5］王振宇，丁水汀，杜发荣.航空重油发动机燃油供给系统动力学模型分析［J］.航空动力学报，2012，27（4）：846－853 WANG Zhenyu，DING Shuiting，DU Farong.Analysis of dynamic modeling of aviation heavy oil piston engine fuel delivery system［J］.Journal of Aerospace Power，2012，27（4）：846－893.（in Chinese）

［6］傅强.航空发动机燃油系统调节计划实现［J］.价值工程，2011，15（17）：23－24. FU Qiang.The specific regulation plan analysis of aeroengine fuel system［J］.Value Engineering，2011，15（17）：23－24.（in Chinese）

［7］张绍基.航空发动机燃油与控制系统的研究与展望［J］.航空发动机，2003，29（3）：1-5. ZHANG Shaoji.Recent research and development of the fuel and control systems in an aeroengine［J］.Aeroengine，2003，29（3）：1-5.（in Chinese）

［8］张绍基.航空发动机控制系统的研发与展望［J］.航空动力学报，2004，19（3）：375-382. ZHANG Shaoji.A review of aeroengine control system［J］.Journal of Aerospace Power.2004，19（3）：375-382.（in Chinese）

［9］Nanahisa，Sugiyama.Performance seeking control of regenerative gas turbine［R］.ASME 2000-GT-0038.

［10］廖义德，张铁华，李壮云.新型高精度分流阀动态特性研究［J］.机床与液压，2002，13（2）：136-137. LIAO Yide，ZHANG Tiehua，LI Zhuangyun.Dynamic characteristic research on new type synchonistic value with high flow-dividing accuracy［J］.Machine Tool and Hydraulics，2002，13（2）：136-137.（in Chinese）

［11］王春行.液压控制系统［M］.北京：机械工业出版社，2006：8-60. WANG Chunxing.Hydraulic control system［M］.Beijing：China Machine Press，2006：8-60.（in Chinese）

［12］付永领，祁晓野.AMESim系统建模和仿真［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2006：1-91. FU Yongling，QI Xiaoye.AMESim system modeling and simulation［M］.Beijing：Beijing University of Aeronautics andAstronautics Press，2006：1-91.（in Chinese）

［13］Rabbath C A，Bensoudane E.Real-time modeling and simuation of a gas-turbie engine control system［R］.AIAA-2001-4246.

［14］Peter R，Maxine L，Keith A，et al.Development of the modeling environment for the simulation of an aircraft hydraulic system［R］. AIAA-2000-5600.

［15］梅生伟，申铁龙，刘康志.现代鲁棒控制理论与应用［M］.北京：清华大学出版社，1997：20-39. MEI Shengwei，SHEN Tielong，LIU Kangzhi.Modern robust control theory and application［M］.Beijing：Tsinghua University Press，1997：20-39.（in Chinese）

（编辑：赵明菁）

Improved Design and Simulation of High Performance Fuel Distributor for Staged Combustion

LI Xin1，ZHANG Rong2，YE Zhi-feng1
（1.College of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China；2.AVIC Commercial Aircraft Engine Co.Ltd.，Shanghai 200241，China）

In order to improve fuel efficiency and reduce pollutant emissions，a high performance fuel distributor was designed for the engine of double annular combustor based on the existing fuel distributor of staged combustion.Working principle of the fuel distributor for staged combustion was introduced and its model was developed with the simulation software called AMESim.According to the design requirements，the stability of the fuel distributor and the relationship between its distribution and input signal at steady state were verified by simulation.The error between fuel distributor's output and the fuel allocation plan table was calculated.The dynamic characteristics of the fuel distributor and its robustness of external parameter variations were analyzed.Moreover，a solution to the nonlinear characteristic of the fuel distributor was proposed.The simulation results show that the fuel distributor with improved design has better robustness，better steady state and dynamic performance compared with that in reference［4］.

fuel distributor；aeroengine；AMESim model；performance research

V 233.2

Adoi：10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.05.007

2016-05-10基金项目：航空科学基金（2012ZB52）资助

李鑫（1992），男，在读硕士研究生，研究方向为航空发动机液压系统控制仿真；E-mail：lixindzx@163.com。

引用格式：李鑫，张荣，叶志锋，等.用于分级燃烧的高性能燃油分配器［J］.航空发动机，2016，42（5）：38-42.LIXin，ZHANGRong，YEZhifeng，etal.Improved designandsimulationofhighperformancefueldistributorforstagedcombustion［J］.Aeroengine，2016，42（5）：38-42.