基于仿真和智能选配的燃油总管调试效率提升研究

2023-07-05黄绍奇邱树彬涂泉梁小龙张伟郑萍萍申波中国航发黎阳动力

航空动力 2023年3期

■ 黄绍奇邱树彬涂泉梁小龙张伟郑萍萍申波/中国航发黎阳动力

燃油总管的性能调试一直是依靠操作者凭经验手工研磨零件，再通过不断试错直至性能试验合格，劳动强度大、调试效率低。应用燃油总管的性能仿真和智能选配技术，可有效提高燃油总管的调试效率。

燃油总管采用整体焊接式结构，无独立的喷嘴单元体，在环形总管上通过装配焊接形成双油路离心喷嘴，如图1所示。在进行燃油总管调试时，操作者不仅需要保证喷嘴的自身流量和不同喷嘴间的流量差，同时需要保证各个喷嘴的分布不均匀度、喷雾锥角和雾化质量等符合要求。喷嘴在燃油总管上属于串联结构，性能试验时不同喷嘴之间的性能相互制约和影响，调整某个喷嘴性能，其他喷嘴性能也发生变化，调试难度大，生产效率低，仅凭经验手工研磨和反复试错装配无法满足生产需求，亟须开展项目研究提高燃油总管调试效率。针对上述问题，创新团队通过仿真和智能选配技术，有效地提高了燃油总管的调试效率。

图1 燃油总管示意

燃油总管调试技术难点

航空发动机燃油总管调试的难点主要在于单个喷嘴的调试，以及多个喷嘴的整体调试。

单个喷嘴的调试

单个喷嘴调试是将组成喷嘴的带气罩的喷口、喷口-旋流器和旋流器3个零件装配在工艺壳体上，构成工艺喷嘴，如图2所示，由操作者手工研磨喷嘴零件调整性能。燃油总管上的喷嘴性能受带气罩的喷口、喷口-旋流器、旋流器3个零件共同控制。由于设计给定的这3个零件都是组别件，装配后构型多，不同的构型对应的性能不同，而设计未明确不同构型下的性能，即使构型相同，不同尺寸公差下的性能差异也较大。

图2 单个喷嘴及组成

为得到较好的喷嘴构型，工艺上通常以固定参数加工一批带气罩的喷口和旋流器，再使用不同的参数加工喷口-旋流器，通过匹配性试验验证得到喷口-旋流器的加工参数。由于性能与尺寸的映射关系未掌握，匹配性试验得到的加工参数非最优喷口-旋流器尺寸，研磨余量大，单个调试效率低。

燃油总管调试

单个喷嘴调试完成后，装配到总管上形成燃油总管。由于装配喷嘴的总管是由带衬套的喷嘴壳体与不同的导管组成环圈后，用真空钎焊而成，受流道结构和节流影响，不同位置的喷嘴壳体流阻不一样，导致喷嘴装配到总管后各个喷嘴间分布经常超差。

为了保证发动机主燃烧室温度场的均匀性，防止局部过热或过烧，操作者通过返调单个喷嘴的性能或更换喷嘴的装配位置使喷嘴间分布满足要求。由于对返调喷嘴的性能大小未知和更换喷嘴位置后对喷嘴间分布的影响未掌握，燃油总管调试效率低，调试周期长。

项目总体思路

通过将燃油喷嘴结构模型的几何参数化处理，并采用计算流体力学（CFD）技术对燃油喷嘴的三维流动特性进行分析，研究关键典型结构尺寸参数对燃油喷嘴性能（流量、分布不均匀度和喷雾锥角等）的影响规律，进而总结满足燃油喷嘴性能的加工尺寸参数，得到喷嘴尺寸与性能的映射关系，获得最优的喷口-旋流器加工尺寸，喷嘴微调后即可实现性能合格，提高单个喷嘴的调试效率。

通过CFD技术分析燃油总管中的三维流动特性，总结燃油总管的流动分配规律。研究燃油喷嘴同燃油总管的性能匹配特性，开发适用于流量分配优化的快速计算方法，利用软件模拟计算获得燃油喷嘴的最佳布局。

提升单个喷嘴调试效率

燃油喷嘴参数化建模

传统的燃油喷嘴建模方式过程复杂、效率低，尤其对于结构复杂的装配体而言，要抽取出燃油喷嘴的计算流域，则对技术要求更高。

基于以上问题，创新团队利用建模软件二次开发技术，通过外部调用的模式应用相关二次开发函数，直接生成抽取流域后的模型。为了方便用户更为直观地实现操作，利用JAVA语言开发出该燃油喷嘴的二维图样，用户可根据尺寸名称在界面输入，亦可双击二维图上尺寸直接修改尺寸，进而更新生成三维模型。

边界条件与网格自动划分

对生成好的燃油喷嘴计算流体域模型软件显示其面域，方便用户定义其边界条件。其中，相同边界类型的面可进行面合并与分离，用户可根据燃油喷嘴仿真的实际情况进行进出口以及壁面边界条件设置，最终输出包含用户定义的面名称以及每个面的特征尺寸的面网格文件。

利用生成的面网格文件，后台调用网格划分工具软件修改对应的脚本文件，即可实现燃油喷嘴网格的自动划分，生成高质量的燃油喷嘴体网格（通常其网格扭曲率可保证在0.5以下），如图3所示。网格自动划分脚本中，根据每个面的特征尺寸生成其尺寸函数，同时还包括边界层网格生成、喷口区域网格加密和网格质量等相关内容。

图3 燃油喷嘴网格划分效果示意

燃油喷嘴数值仿真

燃油喷嘴的数值仿真过程通过程序后台调用流体软件中的固定两相流仿真脚本来实现。用户可通过边界条件参数、燃油物性参数和求解设置参数来实现与流体软件仿真脚本的交互。流体软件仿真脚本在点击“求解计算”时更新，并读取燃油喷嘴三维网格，设置相关数值模型等进行仿真计算。软件后台获取仿真的残差数据及监控变量数据，在软件界面上显示。

仿真结果提取

采用C++实现的算法功能首先解析流体软件仿真结果文件，对喷口以后位置的液滴信息进行提取，采用大于燃油与空气体积分数50%提取燃油位置，并通过相关算法筛选，最终求得燃油喷雾锥角；通过解析相关结果在燃油喷嘴喷口位置截面上对质量积分，则得到燃油瞬时流量值；对燃油喷嘴计算域出口处截面按角度分割为18份，对每一份截面上的燃油量进行按时间积分，并求得其最大值、最小值、平均值，再按照不均匀度公式可求得燃油不均匀度。对于计算结果，可在计算完成后在软件界面查看，保存到数据库中，并根据预置报告模板生成燃油喷嘴仿真分析报告。

数据校准及验证

燃油喷嘴流场内部压力变化剧烈、流道结构复杂，燃油在高压力梯度作用下在复杂流道中流动状态多变，尤其在喷口附近，燃油由连续相撕裂并破碎成不同粒径的燃油颗粒，这其中涉及到的物理模型包括湍流模型、流体体积法（VOF）多相流模型和离散相（DPM）多相流模型。计算燃油在燃油喷嘴及燃油总管中的流动及雾化过程，其中如何得到收敛及高精度的分析结果是难点问题。燃油喷嘴性能仿真软件封装了针对燃油喷嘴仿真的数值方法模型及数值求解方法，并经过与大量实验数据的对比分析，不断优化数值模型和求解方法，使得该系统平台仿真结果具有很好的可靠性，相对误差保证在5.0%以内。

提升燃油总管整体调试效率

燃油总管优化计算涉及部件众多，使用三维CFD方法在前处理和求解方面耗费较多时间，无法获取最佳的喷嘴排布方案，也无法指定各个位置的喷嘴流量求解喷嘴的工装特性。流体网络方法具有求解速度快、支持反问题求解的优点，因而可应用于燃油总管计算中，将总管、喷嘴测试工装等抽象为一维流体系统网络，求解各个部件的流量和压力分布。

燃油喷嘴加工完毕之后，先在喷嘴测试工装上测试固定压力下的单个喷嘴流量特性。根据工装几何参数创建流体系统计算网络，依据进出口压力和喷嘴流量采用反问题求解方法得到喷嘴的阻力系数。

总管进行真空钎焊时，钎料用量会对总管造成程度不一的节流。仿真设计时充分考虑了不同总管节流的影响，通过总管上不安装喷嘴，试验测得进口压力为1MPa条件下供油环上所有喷嘴的流量分布，反求主油路油滤流通系数。综合单个喷嘴和总管的阻力系数，通过软件模拟计算得到各个喷嘴装配总管后的流量分布，推荐获得喷嘴的最佳布局。

实践中发现，软件模拟装配只能不断更换装配位置获得性能结果，若全部喷嘴调整后也无法满足燃油总管上喷嘴的分布要求，则运用流体仿真指导装配将失去意义。针对该问题，创新团队在软件上增加校准计算，即给定满足要求的部分喷嘴目标流量，通过仿真得到单个喷嘴调试的需要流量，从而实现不调整单个喷嘴流量，只调整喷嘴位置解决燃油总管装配问题。