燃油调节器起动供油特性研究

罗畅敏，周振华，张　伟，程　婷，吕　宇

（贵州红林机械有限公司，贵阳550009）

燃油调节器起动供油特性研究

罗畅敏，周振华，张伟，程婷，吕宇

（贵州红林机械有限公司，贵阳550009）

燃油调节器的起动供油特性的优劣，直接关系到发动机的点火能否成功。以弹用发动机燃油调节器起动供油装置为研究对象，建立起动供油系统的数学模型，并运用AMESim建立其仿真模型。重点分析了对起动供油特性起决定作用的关键部件——恒流量活门组件，得到了恒流量活门的初始开度、直径、节流孔直径、弹簧刚度、弹簧预紧力及喷嘴直径等设计参数变化对燃油调节器起动供油特性的影响趋势，为液压机械装置的设计、改进、改型和性能优化提供了理论依据。

弹用发动机；起动供油特性；恒流量活门组件；数学建模；仿真；参数研究

mathematical modeling；simulation；parameter research

1　引言

某弹用发动机燃油调节器具备为发动机点火供油的功能，其起动供油特性直接决定了发动机的点火时间和点火燃油流量的大小。

目前，我国该类燃油调节器多属俄制测绘产品，行业内缺乏对起动供油装置的设计研究，设计阶段只能借鉴已有产品的技术参数，通过优化结构尺寸的方式来实现技术要求，但对改变结构尺寸而引起的性能改变缺乏研究。为此，本文以某型弹用发动机燃油调节器起动供油装置为研究对象，建立了数学模型和仿真模型，并针对关键结构参数对起动供油特性的影响进行了深入研究，以期为工程实践中航空发动机燃油调节器起动供油装置的设计研究及故障分析提供依据。

2　燃油调节器起动供油装置结构及原理

燃油调节器起动供油装置的结构原理如图1所示，主要由恒流量活门组件、起动电磁阀、喷嘴挡板组件、包胶活门组件、进口油滤等组成。工作时，起动电磁阀通电，齿轮泵供油经恒流量活门计量后，通过喷嘴挡板组件和包胶活门组件提供给发动机燃烧室；起动电磁阀断电，喷嘴挡板组件闭合，切断起动油路燃油。其中，恒流量活门组件起计量燃油的作用并保证在一定压力范围内输出恒定流量，是决定起动供油特性的关键部件。其主要由恒流量活门、恒流量活门衬套、弹簧、弹簧座、垫片、垫块、端盖及密封圈等零件组成，如图2所示。

图1　燃油调节器起动供油装置结构原理图Fig.1 Structure of the fuel regulator starting fuel supply device

图2　恒流量活门组件Fig.2 Constant flow valve assembly

恒流量活门组件工作原理如图3所示。当进口燃油压力p增大时，型孔后压力p1增大，但此时活门发生移动，进油型孔面积减小，p1减小，因此认为p1稳定不变，反之亦然。而节流孔后压力p2由下一级负载决定，为定值。综上，节流孔前后压差恒定，通过节流孔的燃油流量亦恒定。

3　起动供油系统数学模型

在对该燃油调节器起动供油装置的组成、功能、原理详细分析的基础上，以流量连续方程和力平衡方程为基础［1］，建立该系统的数学模型。

图3　恒流量活门组件工作原理图Fig.3 Operating principle of constant flow valve assembly

3.1恒流量活门数学模型

3.1.1流量连续方程［2］

式中：Q为起动供油流量；Q1为恒流量活门型孔流量；Q2为恒流量活门节流孔流量；Cd为流量系数，与活门的型孔形状、位移、型孔前后压差、液体粘度等因素有关［3］；A1为恒流量活门型孔节流面积；A2为恒流量活门节流孔面积；g为重力加速度；γ为工作介质（燃油）重度。

恒流量活门、衬套及型孔结构如图4所示，因该活门初始开度为，则有：

式中：L为恒流量活门型孔宽度，B为恒流量活门型孔长度，x为活门位移。

图4　恒流量活门、衬套及型孔结构Fig.4 Structure of the constant flow valve，bushing and shaped orifice

设节流孔直径为D，则A2为：

3.1.2恒流量活门力学平衡方程

恒流量活门阀芯受力如图5所示。在忽略库仑摩擦力、液流的瞬态液动力的情况下，阀芯的力平衡方程可简化为：

式中：A3为活门进油侧的等效面积，A4为活门弹簧腔一侧的等效面积，K为弹簧刚度，x0为弹簧预压缩量。

图5　恒流量活门阀芯受力图Fig.5 Force diagram of the constant flow valve

3.1.3弹簧的设计原则

由式（4）可知，由于p2和x0为定值，因此p1值变化量主要由弹簧刚度和活门移动量决定。活门移动1 mm时，p1值的变化量为K/A3。因此设计该活门时弹簧刚度应远小于A3值，以保证恒流量活门流量恒定。恒流量活门保持恒流量的最小工作压力为：

3.2起动电磁阀喷嘴挡板装置数学模型

这里只考虑其液压特性，则通过起动电磁阀的燃油流量Q3为：

式中：A5为喷嘴的节流面积，p3为喷嘴后压力/MPa。

3.3包胶活门数学模型

3.3.1包胶活门燃油流量

包胶活门作用：当起动电磁阀关闭时，由于喷嘴挡板装置属金属密封，存在有燃油渗漏，包胶活门在弹簧力作用下起到第二道密封的作用。

包胶活门结构如图6所示，起动电磁阀开启时，通过包胶活门的燃油流通面积A6为：

包胶活门燃油流量Q4为：

式中：p0为回油压力。

3.3.2包胶活门力学平衡方程

力平衡方程可简化为：

式中：A7为包胶活门进油侧受力面积，A8为包胶活门回油侧受力面积。

联立式（1）～式（9）即可得到该起动供油系统的相关特性。

图6　包胶活门结构Fig.6 Structure of the valve with a rubber band

4　起动供油特性仿真研究

4.1起动供油系统仿真模型

为验证上述数学模型的正确性，设定工作介质为3号喷气燃料，工作介质重度为7 693 N/m3，进口燃油压力为0～4 MPa，回油压力为0.1 MPa，回油流量为260 mL/min。以某型燃油调节器起动供油装置为应用实例，运用AMESim软件建立起动供油系统模型，如图7所示［4］。模型采用AMESim液压元件构造库中的元件，按照元件实际结构进行搭建，并依据元件设计图纸中的几何尺寸确定模型结构参数。这样不仅充分发挥了AMESim在液压系统建模和流体计算等方面的优势，还可以解决仿真过程中系统“软参数”的确定等问题［5］。

图8示出了流量、恒流量活门移动量、恒流量活门开度、型孔后压力、型孔前后压差及节流孔前后压差等的动态仿真曲线，均与上述数学模型分析结果一致。

图7　起动供油系统模型Fig.7 Model of starting fuel supply system

图8　动态仿真曲线Fig.8 Curves of dynamic simulation

4.2结构参数对起动供油特性的影响

4.2.1活门初始开度的影响

活门初始开度影响恒流量活门流量。设定恒流量活门初始开度分别为0.75、1.00、1.25、1.50、1.75 mm，从图9中的流量曲线、节流孔前后压差曲线和活门移动速度曲线可看出：随着初始开度的不断增大，流量曲线上升阶段的斜率不断增大，恒流量的建立过程增快；进入恒流量阶段后，恒流量值和节流孔前后压差随着初始开度的不断增大而增大；建立恒流量的过程中，随着初始开度的不断增大，恒流量活门移动速度曲线峰值不断增大，活门移动起点值不断减小。

图9　活门初始开度对供油特性的影响Fig.9 Influence of initial opening on fuel supply characteristics

4.2.2恒流量活门直径的影响门移动起点值不断减小。

恒流量活门直径大小影响着活门受力。设定恒流量活门直径分别为10、11、12、13、14 mm，从图10中的流量曲线、节流孔前后压差曲线和活门移动速度曲线可看出：随着恒流量活门直径的不断增大，流量曲线上升阶段的斜率基本不变，建立恒流量的最小压力不断减小；进入恒流量阶段后，恒流量值和节流孔前后压差随着恒流量活门直径的不断增大而减小；建立恒流量的过程中，随着恒流量活门直径的不断增大，恒流量活门移动速度曲线峰值不断增大，活

图10　恒流量活门直径对供油特性的影响Fig.10 Influence of valve assembly diameter on fuel supply characteristics

4.2.3节流孔直径的影响

节流孔直径直接决定恒流量活门流量大小。设定节流孔直径分别为0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 mm，从图11中的流量曲线、节流孔前后压差曲线和活门移动速度曲线可看出：随着节流孔直径的不断增大，流量曲线上升阶段的斜率不断增大，建立恒流量的最小压力不断增大。进入恒流量阶段后，恒流量值随着节流孔直径的不断增大而增大；节流孔前后压差随着节流孔直径的不断增大而减小，但变化值不大。建立恒流量过程中，随着节流孔直径的不断增大，恒流量活门移动速度曲线峰值不断减小，活门移动起点值不断增大。

图11　节流孔直径对供油特性的影响Fig.11 Influence of orifice diameter on fuel supply characteristics

4.2.4恒流量活门弹簧刚度的影响

弹簧刚度是影响活门运动的重要参数。设定弹簧刚度分别为1、2、3、4、5 N/mm，从图12中的流量曲线、节流孔前后压差曲线和活门移动速度曲线可看出：流量曲线上升阶段的斜率和建立恒流量的最小压力，与恒流量活门弹簧刚度大小无关；进入恒流量阶段后，恒流量值和节流孔前后压差随着恒流量活门弹簧刚度的不断增大而增大；建立恒流量的过程中，随着恒流量活门弹簧刚度的不断增大，恒流量活门移动速度曲线峰值不断减小，活门移动起点值不变。

图12　弹簧刚度对供油特性的影响Fig.12 Influence of spring stiffness on fuel supply characteristics

4.2.5恒流量活门弹簧预紧力的影响

弹簧预紧力也是影响活门运动的重要参数。设定恒流量活门弹簧预紧力分别为20、25、30、35、40 N，从图13中的流量曲线、节流孔前后压差曲线和活门移动速度曲线可看出：随着弹簧预紧力的不断增大，流量曲线上升阶段的斜率不变，建立恒流量的最小压力不断变大；进入恒流量阶段后，恒流量值和节流孔前后压差随着弹簧预紧力的不断增大而增大；建立恒流量的过程中，随着弹簧预紧力的不断增大，恒流量活门移动速度曲线峰值不断减小，活门移动起点值不断增大。

图13　弹簧预紧力对供油特性的影响Fig.13 Influence of spring pre-tightening force on fuel supply characteristics

4.2.6起动电磁阀喷嘴直径的影响

起动电磁阀喷嘴直径直接决定节流孔后压力。设定喷嘴直径分别为0.6、0.8、1.0、1.2、1.4 mm，从图14中的流量曲线、节流孔前后压差曲线和活门移动速度曲线可看出：随着喷嘴直径的不断增大，流量曲线上升阶段的斜率不断增大，但当喷嘴直径增大到一定程度后，该斜率不再随喷嘴直径变化；建立恒流量的最小压力不断减小，但当喷嘴直径增大到一定程度后，该压力不再随喷嘴直径变化。进入恒流量阶段后，恒流量值和节流孔前后压差随着喷嘴直径的不断增大而基本不变。建立恒流量的过程中，随着喷嘴直径的不断增大，恒流量活门移动速度曲线峰值不断增大；活门移动起点值不断减小，但当喷嘴直径增大到一定程度后，该值不再随喷嘴直径变化。

图14　喷嘴直径对供油特性的影响Fig.14 Influence of nozzle diameter on fuelsupply characteristics

5　结论

建立了燃油调节器起动供油装置的数学模型和仿真模型，针对恒流量活门的初始开度、直径、节流孔直径、弹簧刚度、弹簧预紧力和喷嘴直径等结构参数，对燃油调节器起动供油特性进行了研究。目前，该型燃油调节器起动供油装置经结构优化后，已用于多型产品，工作稳定可靠，为同类起动供油装置的工程设计提供了方法和参考。本文主要研究结论有：

（1）流量曲线上升阶段的斜率，随着恒流量活门的初始开度、节流孔直径和喷嘴直径的增大而增大，与恒流量活门的直径、弹簧刚度和弹簧预紧力等的大小无关。

（2）建立恒流量的最小压力（恒流量活门移动起点），随着恒流量活门的节流孔直径和弹簧预紧力的增大而增大，随着恒流量活门的初始开度、节流孔直径和喷嘴直径的增大而减小，与恒流量活门弹簧刚度大小无关。

（3）恒流量值随着恒流量活门的初始开度、节流孔直径、弹簧刚度和弹簧预紧力的增大而增大，随着恒流量活门直径的增大而减小，与恒流量活门喷嘴直径大小无关。

（4）恒流量活门节流孔前后压差，随着恒流量活门的初始开度、弹簧刚度和弹簧预紧力的增大而增大，随着恒流量活门的直径和节流孔直径的增大而减小，与恒流量活门喷嘴直径大小无关。

（5）恒流量活门移动速度曲线峰值，随着恒流量活门的初始开度、直径和喷嘴直径的增大而增大，随着恒流量活门的弹簧预紧力、节流孔直径和弹簧刚度的增大而减小。

［1］ 马静，王镛根.某导弹燃油调节器的建模及仿真研究［J］.计算机仿真，2003，20（9）：35—38.

［2］ 葛树宏，樊丁，彭凯.某型航空发动机燃油调节器改型设计研究［J］.计算机仿真，2012，8（29）：81—84.

［3］ 樊思齐，李华聪，樊丁.航空发动机控制［M］.西安：西北工业大学出版社，2008.

［4］ 付永领，祁晓野.AMESim系统建模和仿真——从入门到精通［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2006.

［5］ 陈宏亮.X-8航空发动机燃油调节系统建模仿真研究［D］.西安：西北工业大学，2006.

Starting fuel supply characteristics of fuel regulator

LUO Chang-min，ZHOU Zhen-hua，ZHANG Wei，CHENG Ting，LV Yu

（Guizhou Honglin Machinery Corporation Ltd.，Guiyang 550009，China）

The starting fuel characteristics of fuel regulator directly relates to the success of engine igni⁃tion.Taking fuel regulator starting fuel supply device of a missile engine as the research object，and the mathematical modeling and simulation model were established by the AMESim.It was focused on the analy⁃sis of constant flow valve assembly，the key component which plays an essential role in starting fuel charac⁃teristics.The design parameter influences of constant flow valve assembly initial opening，valve assembly di⁃ameter，orifice diameter，spring stiffness，spring pre-tightening force and nozzle diameter on fuel regulator starting fuel characteristics had been obtained finally，which can provide theoretical basis for hydraulic ma⁃chinery design，improvement，retrofit and performance optimization.

missile engine；starting fuel supply characteristic；constant flow valve assembly；

V231.2

A

1672-2620（2016）04-0027-05

2015-10-29；

2016-08-21

罗畅敏（1972-），女，江西南昌人，研究员，中国航发一级技术专家，主要从事航空发动机燃油控制系统液压机械附件设计研究。