(中国航发商用航空发动机有限责任公司，上海 200241)

引言

为满足国际民航组织规定的低污染排放要求，GE、普惠等各大发动机公司纷纷开展了低污染燃烧技术研究。分区分级燃烧技术构成了低污染燃烧室设计的技术基础，而根据NOx与CO产生的机理及试验研究表明，燃烧室主燃烧区当量比在0.6～0.8范围内产生的NOx与CO很少，因此，要达到低污染燃烧就必须要对进入燃烧室燃烧区的燃油进行精确的分配控制，根据不同的工作状态控制燃油分配以达到优化燃烧效率[1-2]。

国内对低污染燃烧、燃油分配等技术研究起步较晚，本研究以某型商用涡扇发动机项目的燃油分配为研究对象，仿真分析燃油分配特性。利用AMESim软件建立燃油分配仿真模型，对不同工况条件下燃油分配工作特性进行仿真，并重点分析影响燃油分配特性的主要因素。对比功能、性能等试验数据来看，模型仿真与试验数据基本一致，取得了良好的仿真效果，并有效的支撑燃油调节系统的工程设计。

1 燃油分配工作原理

在国产商用大涵道比涡扇航空发动机项目中，燃烧室首次采用单头部分两级(主燃、预燃)、主燃周向分级的燃油分配方案[3-4]。为满足燃烧室分区分级燃烧需求，要按照电子控制器EEC的要求将燃油计量装置HMU计量后的燃油分配给各燃油总管，实现燃油分配控制，如图1所示。

图1 燃油分配原理

其工作原理为：电液伺服阀接收EEC信号控制分配活门运动，LVDT反馈活门位置至EEC，实现预燃级和主燃级之间的燃油分配比例连续可调控制；电磁阀控制分级活门将主燃级分成两条油路，并由微动开关监视活门状态；设置超控活门，在大状态下电磁阀故障、分级活门无法打开时，强制分级活门打开，实现主燃油路分级。

在慢车等小状态下，只打开预燃级油路；在进场等中等状态下，打开预燃级及主燃1级油路，而在其他爬升、起飞等大状态下，预燃级、主燃1、2级油路全部打开。

2 燃油分配型孔设计

燃烧室预燃、主燃喷嘴面积固定，按照图2所示等效计算模型，根据不同发动机工况条件下燃油流量及燃油分配比例开展活门型孔设计。

图2 分配活门等效计算模型

根据流量公式，得出图2预燃、主燃油路的流量与等效截面积的关系如下：

(1)

(2)

式中，Q1—— 预燃级油路流量

Q2—— 主燃级油路流量

C—— 流量系数

Δp—— 燃油进口与燃烧室反压压差

ρ—— 燃油密度

由式(1)、式(2)得：

(3)

而对于预燃级油路来说：

(4)

Δp=Δp1+Δp′1

(5)

式中，A1—— 预燃级窗口面积

Δp1—— 预燃级窗口压降

A′1—— 预燃级喷嘴面积

Δp′1—— 预燃级喷嘴压降

由式(4)、式(5)得：

(6)

同理，对于主燃级油路得：

(7)

式中，A2—— 主燃级窗口面积

Δp2—— 主燃级窗口压降

A′2—— 主燃级喷嘴面积

Δp′2—— 主燃级喷嘴压降

由式(3)、式(6)、式(7)得：

(8)

预燃级设计为管路常开、不作控制，并保证窗口面积A1/A2≥100，上式可近似为：

(9)

按A′1,A′2及不同工况条件下的Q1，Q2计算燃油分配活门窗口面积A2和燃油流量对应关系。最终设计分配活门型孔为图3所示异型型孔，其通流面积A2与分配活门的阀芯位移x呈线性函数关系，保证不同工况条件下的燃油分配精度。

图3 分配活门型孔

3 燃油分配AMESim模型

根据燃油分配系统的结构建立燃油分配模型，如图4所示，由分配活门模型、分级活门模型、超控活门模型、电液伺服阀模型、电磁阀模型、接近开关模型以及控制模块构成。

图4 燃油分配AMESim模型

按照分配活门、分级活门、超控活门及电气元件详细设计参数设置模型，如液压作动腔内外径、阀芯质量、弹簧力、电液伺服阀额定流量、额定压力等参数，应用AMESim模型库bao_9_2模块设置活门型孔面积与位移的函数关系[5-12]。

4 燃油分配仿真分析

按燃油分配计划，对不同的工况条件下的燃油分配进行仿真，依次仿真慢车、进场、爬升、起飞等状态点，每个状态时间间隔为3 s。

1) 仿真工况设置

按燃油分配计划表设置燃烧室反压、模型燃油进口流量、分配活门运动位移控制信号、电磁阀信号，如表1所示。

2) 仿真分析

(1) 正常工况 图5所示为慢车、进场、爬升、起飞等状态下预燃级、主燃级各出口的流量变化情况。其中，在爬升状态下主燃燃油分配比例为83.66%，仿真显示，在各状态下，分配活门、分级活门能够正常工作，主燃级燃油分配比例满足燃油分配计划要求，且在大状态下主燃1、2级流量一致。

表1 仿真环境设置

图5 各级燃油流量曲线

(2) 超控工况 设置电磁阀信号在0～12 s内一直处于常开状态，其他仿真条件不变，模拟大流量状态下电磁阀故障时的燃油分配状态。仿真显示在电磁阀出现故障时，在爬升、起飞等大状态下，超控活门仍能够正常工作，由超控活门控制分级活门动作实现对主燃级燃油的分级，爬升、起飞两状态的燃油分配比例分别为82.15%，86.9%，满足燃油分配计划要求。但预燃级、主燃1级和主燃2级流量在超控状态下，存在一定的震荡现象，主燃1，2级流量一致性较差，如图6所示。

图6 各级燃油流量变化(超控状态)

主燃1，2级流量出现震荡将直接引起燃烧室的大幅压力震荡，造成不稳定燃烧，对燃油燃烧效率及发动机工作安全性等存在较大影响[13]，通过分析超控状态下超控活门及分级活门阀芯运动状态(如图7所示)，可知，在6 s时刻，电磁阀仍处于常开状态，大流量状态下分级活门无法打开，导致超控活门两端作用压差迅速增大(如图8所示)，超控活门阀芯瞬时向关闭方向移动，切断控制油由超控活门通向电磁阀的通路，使控制油压力直接作用于分级活门下腔，打开分级活门，分级活门上腔内燃油通过节流嘴流向回油，而在分级活门打开后，主燃1级压力瞬间下降，与主燃2级压力接近平衡，此时超控活门因只受弹簧力及摩擦力合力作用，向关闭方向移动，造成分级活门关闭，主燃1，2级压差再次增大，超控活门再次控制分级活门打开，因此，分级活门一直在超控活门作用下围绕着打开临界点在一定范围内震荡。

图8 主燃1，2级间压力变化(细节)

5 影响因素分析

1) 电磁阀额定流量影响

电磁阀额定流量直接影响分级活门打开动态响应时间，在设计过程中，将原额定流量为1.7 L/min的电磁阀，更换为额定流量为0.85 L/min的电磁阀，在试验中发现在进场状态下，主燃2级燃油有流量输出，分级活门出现无法完全关闭。对此，利用仿真对该故障进行复现，发现在更换电磁阀后，燃油通过电磁阀产生的压降增大，导致分级活门上控制腔产生的作用力与弹簧腔弹簧力的合力不足以克服分级活门下腔产生的作用力，分级活门在小状态下无法保持在关闭位置，分级活门型孔部分打开，在进场状态下，主燃2级有流量输出，如图9所示。

图9 主燃2级燃油流量变化(修改弹簧前后)

针对此种情况，对分级活门弹簧进行相应的改进，增大弹簧初始弹簧力及弹簧刚度，并利用仿真对改进措施进行评估，调整模型弹簧腔参数，改进后的燃油分级活门的工作状态如图10所示，小状态下分级活门能够保持关闭，工作正常。

图10 分级活门位移变化(更改弹簧前后对比)

2) 活门摩擦力影响

针对在超控状态下，超控活门、分级活门产生的震荡现象，分析活门摩擦力大小对超控状态下燃油分配的影响，设置超控活门摩擦力由15 N增大至45 N，运行批处理仿真，超控状态下分级活门的位移变化如图11所示。

可见，随着超控活门内摩擦力的增加，在超控状态下，分级活门的震荡程度减弱，同时，分级活门的打开位置逐渐增大，即型孔面积增大，超控活门受摩擦力增大的影响，震荡减弱，在摩擦力为45 N时，超控状态下，超控活门保持在最大位移处，进而由超控活门控制的分级活门型孔全部打开，震荡现象消失，主燃1，2级一致性与正常工况相同，因此，需合理优化活门摩擦力等设计参数，避免燃油的流量、压力波动，保持燃油分配特性稳定。

图11 分级活门位移(超控活门摩擦力变化)

6 试验验证

利用功能性能试验数据验证模型，设置分配模型进口流量、燃烧室反压与试验状态保持一致；利用功能性能试验中测定的LVDT在分配活门开、关极限位置的反馈值，根据分配活门全行程设计值，将慢车、进场、爬升、起飞状态下所记录的LVDT反馈值换算为分配活门所对应的位移值，分别为0，5.15, 7.3, 7.84，将其作为模型分配活门的位移控制信号，运行模型进行仿真分析，不同状态下的仿真数据与试验数据对比如图12所示。

图12 不同状态下试验数据与仿真对比

与真实试验状态等同条件下的模型仿真，其结果与试验基本保持一致，其中，爬升、起飞状态下的预燃级流量误差分别为2.6%, 0.7%，而在进场、爬升、起飞状态下主燃1级流量误差分别为1.8%, 0, 0.4%，爬升、起飞状态下主燃2级流量误差分别为1.1%, 0.2%。燃油分配仿真模型能够反映燃油分配的真实工作状态，且精度在3%以内。

7 结论

通过商用航空发动机燃油分配AMESim模型的建模及稳态、动态仿真研究，可见仿真结果与试验数据保持一致，燃油分配AMESim模型准确、可靠。利用现有AMESim燃油分配模型，可有效的支持工程设计、试验过程中的故障原因分析以及解决方案评估等。在此基础上，可进行发动机燃油系统的集成建模与仿真，为燃油调节系统的设计开发提供有力支持。