徐　健，王淑云，吳小剛，陳慶安

（1.海軍駐沈陽地區(qū)發(fā)動機(jī)專業(yè)軍事代表室，沈陽110043；2.沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，沈陽110043）

航空發(fā)動機(jī)燃油系統(tǒng)數(shù)值模型仿真與驗(yàn)證

徐健1，王淑云2，吳小剛2，陳慶安2

（1.海軍駐沈陽地區(qū)發(fā)動機(jī)專業(yè)軍事代表室，沈陽110043；2.沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，沈陽110043）

以航空發(fā)動機(jī)燃油系統(tǒng)為研究對象，簡要介紹了燃油系統(tǒng)的工作原理，建立了燃油系統(tǒng)主要組成單元計(jì)量活門、電液伺服閥、等差活門的數(shù)學(xué)模型。并在Matlab/Simulink環(huán)境下，構(gòu)建了整個燃油系統(tǒng)的仿真模型。通過在試驗(yàn)器上進(jìn)行的燃油系統(tǒng)與電子控制器的聯(lián)合調(diào)試試驗(yàn)，對仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。仿真與試驗(yàn)結(jié)果的對比表明：所建模型的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，基本符合設(shè)計(jì)要求，能反應(yīng)燃油系統(tǒng)的實(shí)際工作情況。

航空發(fā)動機(jī)；燃油系統(tǒng)；數(shù)值模型；試驗(yàn)；仿真：Simulink

1　引言

與其他熱力透平機(jī)械相比，航空發(fā)動機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、質(zhì)量輕、運(yùn)行平穩(wěn)、可靠性高、起動快、能快速適應(yīng)負(fù)荷需求變化等特點(diǎn)。因此，航空發(fā)動機(jī)燃油系統(tǒng)也要能快速響應(yīng)，按照控制系統(tǒng)指令及時調(diào)節(jié)燃油系統(tǒng)供給，改變發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)，適應(yīng)外界需求。

近年來，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，建模與仿真技術(shù)已不斷應(yīng)用到航空發(fā)動機(jī)等復(fù)雜系統(tǒng)的建模中。而建立航空發(fā)動機(jī)燃油系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型并對其進(jìn)行仿真研究，已是發(fā)動機(jī)燃油控制系統(tǒng)研究的重要途徑。通過建模與仿真，對燃油系統(tǒng)的性能做出分析與評價，不僅能夠提升燃油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平，而且還是縮短研制周期、降低研制風(fēng)險與費(fèi)用的有效途徑［1］。

建立航空發(fā)動機(jī)燃油系統(tǒng)仿真模型，就是通過對發(fā)動機(jī)燃油系統(tǒng)特性、關(guān)鍵參數(shù)、控制規(guī)律的分析，評估其能否滿足發(fā)動機(jī)性能要求，能否實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)的物理功能，這是對整個發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行半仿真、性能評估和進(jìn)一步試驗(yàn)研究的重要條件。

本文以某航空發(fā)動機(jī)燃油系統(tǒng)為研究對象，在Matlab/Simulink環(huán)境下，構(gòu)建整個燃油系統(tǒng)的仿真模型。并通過在燃油系統(tǒng)試驗(yàn)器上進(jìn)行的聯(lián)合調(diào)試試驗(yàn)，對仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證。

2　燃油系統(tǒng)

燃油系統(tǒng)的功能是向燃燒室供給一定壓力和流量的燃油，當(dāng)油門按鈕改變時，能迅速可靠地改變其工作狀態(tài)，同時防止發(fā)動機(jī)超溫、超壓、超轉(zhuǎn)，保證航空發(fā)動機(jī)迅速可靠起動。

某型航空發(fā)動機(jī)燃油系統(tǒng)，由計(jì)量活門、電液伺服閥、應(yīng)急電磁閥、放油電磁閥、分布器活門和放油活門等組成。

電子控制器感受發(fā)動機(jī)進(jìn)口溫度、壓氣機(jī)出口壓力和高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，按換算轉(zhuǎn)速作為電子控制器輸出給定電信號，并與計(jì)量活門位移反饋信號相比較，得到電液伺服閥控制電信號。計(jì)量活門根據(jù)電子控制器的輸出信號，通過電液伺服閥控制計(jì)量活門開度，靠壓差回油活門保證計(jì)量活門前后壓差恒定，使計(jì)量活門穩(wěn)定工作在所需開度位置，控制發(fā)動機(jī)在不同狀態(tài)（包括起動、加減速、穩(wěn)定狀態(tài)）所需燃油流量，構(gòu)成閉環(huán)控制回路［2-4］。

放油電磁閥、應(yīng)急電磁閥用于應(yīng)急停車控制。當(dāng)應(yīng)急電磁閥、放油電磁閥同時工作時，無論電液伺服閥控制電信號大小，都能使計(jì)量活門和分布器活門關(guān)閉，迅速切斷供油。

3　燃油系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

3.1計(jì)量活門數(shù)學(xué)模型

計(jì)量活門為燃油系統(tǒng)的重要執(zhí)行元器件，根據(jù)工作原理其傳遞函數(shù)為：

式中：K為彈簧彈性系數(shù)，K=8.335×103N/m；Ap為計(jì)量活門有效面積，Ap=0.000 415 475m2；Kce為計(jì)量活門流量壓力系數(shù)，Kce=4.699×10-11；ωh為液壓無阻尼固有頻率，ωh=5 004 rad/s；ξh為液壓阻尼比，ξh= 0.2。故：

3.2電液伺服閥數(shù)學(xué)模型

電液伺服閥的型號為YF-21，其傳遞函數(shù)為：

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

3.3等壓差機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型

等壓差機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型為：

式中：B1、B2為粘性阻尼系數(shù)，ms1為閥腔內(nèi)液體質(zhì)量，n1、n3、n5為閥口流量系數(shù)，n2、n4為流量壓力系數(shù)，m1、m2為穩(wěn)態(tài)液動力系數(shù)。

4　燃油系統(tǒng)仿真與驗(yàn)證

4.1燃油系統(tǒng)仿真

燃油系統(tǒng)仿真模型建立在上述各主要元器件數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)燃油系統(tǒng)的工作原理，以各主要部件的傳遞函數(shù)為單元進(jìn)行仿真［5-9］。在Matlab/ Simulink環(huán)境下，在各元器件數(shù)學(xué)模型和仿真模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建整個燃油系統(tǒng)的仿真模型，如圖1、圖2所示。仿真結(jié)果如圖3所示［10-12］。

圖1　R航空發(fā)動機(jī)燃油系統(tǒng)仿真模型Fig.1 Fuel system simulationmodel

圖2　R航空發(fā)動機(jī)燃油系統(tǒng)傳遞模型Fig.2 Fuelsystem transfermodel

圖3　R航空發(fā)動機(jī)燃油系統(tǒng)仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比Fig.3 The comparison of simulation resultsand experimental results

4.2試驗(yàn)驗(yàn)證

在試驗(yàn)器上對燃油系統(tǒng)與電子控制器進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，錄取燃油系統(tǒng)在不同狀態(tài)下的性能數(shù)據(jù)，并將試驗(yàn)結(jié)果與燃油系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型仿真結(jié)果進(jìn)行對比，對燃油系統(tǒng)進(jìn)行分析與改進(jìn)，為航空發(fā)動機(jī)試車提供依據(jù)［13］。

相關(guān)試驗(yàn)件包括：電子控制器、燃油泵調(diào)節(jié)器RZB-6B1、燃油計(jì)量裝置F49、分布器RFB-9、應(yīng)急電磁閥RDF-9和應(yīng)急放油電磁閥RDK-1G等。分布器RFB-9的主副油路出口用定面積節(jié)流嘴模擬燃油噴嘴。試驗(yàn)系統(tǒng)連接方式如圖4所示。

發(fā)動機(jī)點(diǎn)火轉(zhuǎn)速為1 400 r/min時，對應(yīng)的燃油泵轉(zhuǎn)速約為378 r/m in。該轉(zhuǎn)速下燃油系統(tǒng)的流量特性如表1、圖5所示。表中，Vg為電子控制器給定電壓，Vf為電子控制器反饋電壓，Q為燃油總流量?？梢?，點(diǎn)火轉(zhuǎn)速時，隨著給定電壓的增加，供油流量上升平緩，給定電壓0.90 V時流量達(dá)到190 L/h，滿足該發(fā)動機(jī)點(diǎn)火時的最佳燃油流量要求，可用于點(diǎn)火。

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為2 500 r/min時，燃油系統(tǒng)的流量特性如表2、圖6所示。表中Wf-10、Wf-15分別為燃油系統(tǒng)副油路和主油路的燃油流量?？梢姡S著給定電壓的增加，供油流量上升平緩，給定電壓9.00 V時流量約5 000 L/h，滿足發(fā)動機(jī)加溫狀態(tài)時設(shè)計(jì)燃油流量（5 000±100）L/h的指標(biāo)。

圖4　R試驗(yàn)系統(tǒng)連接示意圖Fig.4 Test system connection diagram

表1　R發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速1 400 r/m in時燃油系統(tǒng)的流量特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table1 Testingdataof flow characteristicsat thespeed of1 400 r/min

圖5　R轉(zhuǎn)速1 400 r/min時燃油系統(tǒng)的流量特性試驗(yàn)曲線Fig.5 Testing curvesof flow characteristicsat the speed of1 400 r/min

表2　R發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2 500 r/m in時燃油系統(tǒng)的流量特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table2 Testingdataof flow characteristicsatthespeed of2 500 r/min

圖6　R發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2 500 r/min時燃油系統(tǒng)的流量特性試驗(yàn)曲線Fig.6 Testing curvesof flow characteristicsat thespeed of2 500 r/min

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為3500 r/min時，燃油系統(tǒng)的流量特性如表3、圖7所示?？梢?，燃油系統(tǒng)的最大供油量在5 600～5 700 L/h之間，滿足（5 700±100）L/h的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

表3　R發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速3 500 r/m in時燃油系統(tǒng)的流量特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Testing data of flow characteristicsat the speed of3 500 r/min

圖7　R轉(zhuǎn)速3 500 r/min時燃油系統(tǒng)的流量特性試驗(yàn)曲線Fig.7 Testing curvesof flow characteristicsat thespeed of3 500 r/min

4.3仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比分析

從圖3中仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對比可以看出，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，反映了該燃油系統(tǒng)性能的變化趨勢。這說明本計(jì)算模型邊界條件的選取、計(jì)算參數(shù)的使用等比較準(zhǔn)確，計(jì)算模型具有一定的可靠度，可以利用該模型分析預(yù)測該型發(fā)動機(jī)燃油系統(tǒng)主要零部件結(jié)構(gòu)參數(shù)變化，對燃油系統(tǒng)性能的影響程度及變化趨勢。

5　結(jié)論

（1）對該型燃油系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模與仿真的結(jié)果，基本符合燃油系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求、工況的實(shí)際情況，為燃油系統(tǒng)的元件設(shè)計(jì)與總體性能改進(jìn)提供了參考。

（2）所建立的燃油系統(tǒng)元器件數(shù)學(xué)模型和性能仿真，可為航空發(fā)動機(jī)燃油系統(tǒng)的改進(jìn)改型及其他燃油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

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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?。?978-），男，遼寧沈陽人，工程師，從事航空發(fā)動機(jī)項(xiàng)目管理。

V233.2

A

1672-2620（2015）02-0041-04

2014-04-18；修回日期：2015-02-02