应用于低污染燃烧的1种燃油分配技术研究

王海鹰，胡忠志，殷 锴，李宇宸，马 翔

（中航工业商用航空发动机有限责任公司，上海200241）

应用于低污染燃烧的1种燃油分配技术研究

王海鹰，胡忠志，殷 锴，李宇宸，马 翔

（中航工业商用航空发动机有限责任公司，上海200241）

针对民用航空发动机低污染排放要求日益严格的现状及低污染燃烧技术发展的需要，研究了1种应用于低污染燃烧领域的燃油分配技术。阐述了该燃油分配系统的结构，包括燃油系统和燃油分配器的结构及控制回路的结构和原理；利用A M ESim软件对该系统进行了数值建模仿真，通过分析燃油分配器分级活门打开与关闭2种情况下燃烧室预燃区和主燃区燃油分配量与燃油分配器分配活门开度的关系，得出了燃烧室预燃区和主燃区燃油的分配关系曲线；根据仿真分析结果，从发动机控制回路出发，引出了燃油分配的控制逻辑。研究结果表明：该燃油分配系统能够对进入发动机燃烧室预燃区和主燃区的燃油进行精确的分配控制，满足低污染燃烧技术对燃油分配的要求。

燃油分配；低污染燃烧；燃油系统；航空发动机

0 引言

人们已经意识到航空运输带来便捷的同时，也给人类的生存环境带来了污染问题。国际民航组织（ICAO）就此制定了日益严格的航空污染物排放标准，于1986、1993、1996和2004年陆续颁布了CAEP1、CAEP2、CAEP4和CAEP6标准。为此，各大发动机公司纷纷开展了低污染燃烧技术的研究，如GE公司研制的双环预混旋流（TAPS）燃烧室、PW公司发展的TALON X燃烧室以及RR公司的ANTLE燃烧室[1-2]。

要进入民用航空领域，就必须达到国际民航组织的污染排放规定。中国民用航空发动机事业刚刚起步，航空发动机相关高校和研究所也开展了低污染燃烧室的研究，并取得了一定的成果[3-5]。在对先进低污染燃烧室研制中，分区分级燃烧技术构成了低污染燃烧室设计的技术基础。根据NOx与CO产生的机理及试验结果可知：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[6]。因此，要达到低污染燃烧的目的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。目前，国内民用航空发动机燃油分配技术的研究还是空白，为此，本文着重研究了1种应用于低污染燃烧领域的燃油分配技术。

图1 某典型民用航空发动机燃油系统

1 发动机燃油分配系统

1.1 发动机燃油系统

要对进入发动机燃烧室的燃油进行分配控制，首先，需要了解发动机燃油系统结构(如图1所示)。现代民用航空发动机燃油系统普遍采用类似于图1的2级燃油泵和液压机械装置（Hydro-Mechanical Unit, HMU）的组合结构。燃油泵分为2级——增压泵和齿轮泵，飞机来油首先进入增压泵，从增压泵出来后进入燃滑油热交换器，从燃滑油热交换器回到燃油泵后通过主燃油滤进入齿轮泵，齿轮泵出口分2路：一路经自洗油滤和伺服燃油加热器后进入HMU的伺服燃油系统，用于伺服控制；另一路进入HMU的燃油计量系统，计量后的燃油经过燃油流量传感器、喷嘴油滤和燃油喷嘴后进入发动机燃烧室。

本文研究的低污染燃烧发动机的燃油系统与如图1所示的系统略有差别——在喷嘴油滤后增加1个燃油分配器，其作用是将HMU计量后的燃油按照要求分配至燃烧室各燃烧区，以满足低污染燃烧的要求。

1.2 燃油分配系统结构

燃油分配系统由燃油分配器和集成在燃烧室头部的燃油喷嘴组成。燃烧室采用1种贫油预混预蒸发低污染燃烧室，由12个头部和火焰筒组成。燃烧空气全部由燃烧室头部供入，冷却空气和掺混空气则从火焰筒进入。燃烧室头部结构如图2所示，从图中可见，其采用双环腔结构，分为预燃级和主燃级2级，预燃级在内，主燃级环绕着预燃级。

图2 燃烧室头部结构

为提高喷雾质量，降低污染排放，将主燃级分为2级——主燃级第1级和主燃级第2级。在发动机小工况时仅预燃级供油，在中等工况时预燃级和主燃级第1级供油，在大工况时预燃级、主燃级第1级和主燃级第2级同时供油。12个头部中主燃级第1级和主燃级第2级间隔出现，燃油分配系统结构如图3所示。进入燃烧室的总流量由HMU计量，燃油分配器将HMU计量后的燃油分为预燃级、主燃级第1级和主燃级第2级后，供往发动机燃烧室。主燃级与预燃级的燃油分配关系为连续可调，在主燃级供油的情况下，主燃级第2级应能进行通断调节。

图3 燃油分配系统结构

燃油分配器结构如图4所示，主要由燃油分配活门、燃油分级活门、燃油分配活门控制用电液伺服阀、燃油分配活门位置传感器、燃油分级活门控制用电磁阀、燃油分级活门接近开关组成。计量燃油进入燃油分配器后，首先分成预燃级和主燃级2路，预燃级不加控制直接进入预燃级燃油喷嘴，主燃级经燃油分配活门后分成主燃级第1级和主燃级第2级，主燃级第1级直接进入主燃级第1级燃油喷嘴，主燃级第2级经燃油分级活门后进入主燃级第2级燃油喷嘴。HMU提供燃油分配器控制所需的高压和低压2股伺服油。

图4 燃油分配器结构

燃油分配控制包括燃油分级活门的控制和燃油分配活门的控制。燃油分级活门采用开关量控制方式，发动机电子控制器根据控制规律确定燃油分级活门的位置，发出电信号给燃油分级活门电磁阀，控制燃油分级活门打开或关闭，接近开关将活门的位置信号反馈给电子控制器，用于位置监视和故障诊断。

燃油分配活门采用闭环控制，其控制回路的结构如图5所示。电子控制器根据控制规律确定燃油分配活门的位置目标值，根据位置目标值与位置反馈信号（来自位置传感器）的偏差，通过控制算法计算电液伺服阀的控制电流。电液伺服阀接收控制电流调节至燃油分配活门控制腔的伺服燃油，控制燃油分配活门的位置，从而分配到主燃级和预燃级的燃油量。

图5 燃油分配活门控制回路

控制算法采用PID算法[7]，是1种线性算法，根据给定值r（t）与实际输出值c（t）构成控制偏差e（t）=r（t）-c（t），将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，控制规律为

传递函数为

式中：kp为比例系数；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数。

2 燃油分配仿真分析

随着计算机仿真技术的发展，工程系统的设计逐渐使用计算机对实际系统进行数字仿真。法国IMAGE公司的AMESim软件已广泛应用于先进航空发动机燃油系统的设计[8]。为研究燃油分配系统的性能，利用AMESim软件对该系统进行了建模仿真。

2.1 燃油分配系统模型

根据燃油分配系统的结构搭建燃油分配系统模型，如图6所示。模型中燃油喷嘴采用当量喷嘴。

图6 燃油分配系统模型

2.2 燃油分配仿真结果

为分析燃油分级活门关闭时和打开时预燃级和主燃级流量的分配关系，分别对这2种情况进行了仿真。燃油分级活门关闭时，只有预燃级和主燃级第1级供油，主燃级第2级不供油。总燃油流量为1250 kg/h和770 kg/h时主燃级流量占总流量的百分比如图7所示。从图中可见，随着燃油分配活门开度的增大，主燃级流量与总流量之比呈单调增加的关系，在燃油分配活门开度最大时主燃级流量与总流量之比都达到最大值75%，并且随着燃油分配活门开度的增大，主燃级流量与总流量之比的曲线逐渐趋于平缓，到最大点时接近水平。同时，总燃油流量为1250 kg/h和770 kg/h时的曲线重合性较好，误差在1%以内。

图7 燃油分级活门关闭时燃油分配情况

燃油分级活门打开时，预燃级、主燃级第1级和主燃级第2级都供油，燃油分级活门打开时燃油分配情况如图8所示。从图中可见，燃油分级活门打开时与燃油分级活门关闭时的预燃级和主燃级流量分配结果相似，惟一不同的是主燃级流量与总流量之比的最大值提高到了82%。

图8 燃油分级活门打开时燃油分配情况

燃油分级活门关闭时和打开时的仿真结果都表明主燃级与预燃级的燃油分配关系与总流量无关，只与燃油分配活门的开度有关，该燃油分配系统能够通过调节燃油分配活门的位置对进入发动机燃烧室预燃级和主燃级的燃油进行分配控制。

2.3 燃油分配结果分析

对相对简单的燃油分级活门关闭时的情况进行分析，燃油分配系统的简化模型如图9所示。图中，λ为沿程损失系数；ε为局部损失系数；L为管道长度；d为管道直径；v为流体流速；qv为流体体积流量；A为管道面积；n表示燃油喷嘴。从图中可见，此时燃油分配系统属于并联管道。并联管道的损失等于各分管道的损失，并联管道的总流量等于各分管道流量的总和[9]。

图9 燃油分级活门关闭时燃油分配系统简化模型

由hw=hf+hj得出

式中：hw为总损失；hj=εv2/2g，为局部损失；hf=λLv2/2dg，为沿程损失。

由于管路相对较短，忽略沿程损失，得出

从式（5）可见，预燃级与主燃级的燃油分配关系只与预燃级和主燃级的管道面积和局部损失系数有关。在燃油分配系统结构确定的情况下，预燃级管道面积A1、主燃级管道面积A2、预燃级喷嘴局部损失系数εn1和主燃级喷嘴局部损失系数εn2都是定值，惟一可变的是燃油分配活门的局部损失系数ε，而ε仅与燃油分配活门开度有关。因此，预燃级和主燃级的燃油分配只与燃油分配活门的开度有关，与入口总流量等其他因素无关，这与仿真结果一致。

仿真结果及分析结果都表明，该燃油分配系统能够对进入燃烧室各燃烧区的燃油进行分配控制。

3 燃油分配逻辑

图10 发动机燃油控制

发动机燃油控制如图10所示，电子控制器根据油门杆角度、环境条件、飞行马赫数和飞机引气量等[10]依次确定发动机转速、所需燃油总量、燃烧室各燃烧区燃油量、HMU计量活门位置、燃油分配活门及燃油分级活门位置；HMU接受电子控制器的HMU计量活门位置指令计量供往燃烧室的总燃油量；燃油分配器接受电子控制器的燃油分配活门及分级活门位置指令将HMU计量后的燃油分配至燃烧室各区；发动机转速传感器将发动机的转速反馈给电子控制器，形成闭环控制。

根据前文分析可知，在燃油分级活门关闭或打开时预燃级和主燃级燃油的分配关系只与燃油分配活门的开度有关，并且燃油分级活门打开时主燃级的燃油分配量比燃油分级活门关闭时主燃级的燃油分配量更大，分析得到燃油分配控制逻辑 （如图11所示）：

图11 燃油分配控制逻辑

（1）根据发动机所需燃油总量及发动机状态参数确定燃烧室各燃烧区的燃油量。

（2）判断燃油室主燃区是否需要供油，若否，燃油分配活门至关闭位置，燃油分级活门至关闭位置，转（6）。

（3）判断主燃级第2级是否需要供油，若是，燃油分级活门至打开位置，转（5）；若否，燃油分级活门至关闭位置。

（4）计算主燃级流量与总流量之比，查图7燃油分级活门关闭时燃油分配曲线，确定燃油分配活门位置，转（6）。

（5）计算主燃级流量与总流量之比，查图8中燃油分级活门打开时燃油分配曲线，确定燃油分配活门位置。

（6）结束。

4 结束语

低污染排放是对现代民用航空发动机的基本要求，低污染燃烧技术是实现低污染排放的惟一途径。本文研究了1种应用于低污染燃烧技术的燃油分配方法，从分析结果来看该方法简单、实用，能够满足低污染燃烧技术对燃油分配的要求。

目前，针对低污染燃烧技术的燃油分配技术的研究刚开始，后续将更多的开展这方面的理论和试验研究。

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Investigation on a Fuel Distribution Technology for Low Emission Combustion

WANG Hai-ying,HU Zhong-zhi,YIN Kai,LI Yu-chen,MA Xiang
（AVICCommercialAircraftEngineCo.,Ltd.,Shanghai 200241,China）

Aiming at the status of strict emission standards for civil aeroengine and the development requirement of low emission combustion,a fuel distribution technique was introduced to be applied on low emission combustion field.The structure of the fuel distribution system was described,including structures of the fuel system and the fuel distributor,the principle and structure of the fuel control loop.The system was modeled and simulated by AMESim software.The trends of fuel flow distribution into the pilot combustion zone and the main combustion zone was given by analyzing the relation ship between fuel flow of the two combustion zones and the opening level of the fuel split valve while the fuel stage valve was either open or closed.The control logic of fuel distribution was developed from the engine control loop based on the analysis result.The result shows that the fuel spilt system is fully capable of controlling the fuel flows into the pilot combustion zone and the main combustion zone,and the low emission combustion requirement is fully satisfied.

fuel distribution;low emission combustion;fuel system;aeroengine

王海鹰（1984），女，工程师，硕士，从事航空发动机控制系统设计工作。

2012-11-10