吳寶元，王玉峰，胡寶文

（1.西安航天動力研究所，陜西西安 710100；2.西北工業(yè)大學航天學院，陜西西安 710072）

液體沖壓發(fā)動機燃油充填過程仿真研究

吳寶元1，王玉峰1，胡寶文2

（1.西安航天動力研究所，陜西西安 710100；2.西北工業(yè)大學航天學院，陜西西安 710072）

為了研究液體沖壓發(fā)動機在起動期間燃油的動態(tài)充填過程，利用AMESim仿真軟件對沖壓發(fā)動機燃油調節(jié)控制系統(tǒng)進行了建模仿真。建立了空氣渦輪、離心泵、燃油調節(jié)器、燃油控制器、膜片閥及充填管路的仿真模型?；谠撃Ｐ蛯_壓發(fā)動機點火起動時的燃油充填過程進行了仿真計算，分析了不同膜片閥破裂散差情況下沖壓發(fā)動機充填過程的差異。結果表明，在給定渦輪入口壓力條件下，當燃燒室各供油路膜片閥破裂散差過大時，會造成破裂壓差大的膜片閥所在的管路無法實現可靠充填，從而影響發(fā)動機的點火起動過程和正常工作。

亞燃沖壓發(fā)動機；燃油調節(jié)系統(tǒng)；膜片閥；燃油充填過程；AMESim

0 引言

沖壓發(fā)動機無法在零速度下起動工作，必須由助推器將其加速到工作高度和工作馬赫數，進氣道具備起動條件后，沖壓發(fā)動機接力工作，為飛行器提供所需推力。沖壓發(fā)動機轉級接力過程比較復雜，涉及到助推器的分離、沖壓發(fā)動機燃油充填、燃燒室點火起動及可調噴管作動等一系列過程。為防止沖壓發(fā)動機接力過程中導彈減速過大，一般對接力時間有比較嚴格的要求。而沖壓發(fā)動機燃油充填過程包括液路控制閥門的打開、管路的充填，由于充填過程時間較長，對整個轉級接力時間影響較大。因此，對沖壓發(fā)動機燃油充填過程的研究具有一定工程應用價值。

為保證發(fā)動機的可靠貯存，一般在調節(jié)器后設置有膜片閥實現燃油的隔離。膜片閥中設置有膜片，當膜片的前后壓差大于其破裂壓差后，膜片破裂燃油路導通。但由于工藝等問題，膜片的破裂壓差存在一定的散差，因此充填過程中會存在部分膜片破裂，部分沒有破裂的問題，可能會對充填過程產生不利的影響。故需要對帶膜片閥的沖壓發(fā)動機起動充填過程進行深入的理論和仿真研究。

國外對發(fā)動機本體與燃油系統(tǒng)的耦合工作過程進行了研究，美國Lewis飛行推進實驗室的Hurrel采用試驗的方法研究沖壓發(fā)動機的動態(tài)特性［1］。日本的Ohshima等建立了沖壓發(fā)動機的仿真模型對燃油流量和噴管支板角度變化的影響進行了開環(huán)模擬［2］，并對燃油流量改變下的激波位置閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)進行了模擬。這些研究工作更注重發(fā)動機整機在燃油調節(jié)或流道調節(jié)過程中的動態(tài)特性，而對燃油系統(tǒng)本身的動態(tài)過程關注不足。

國內對沖壓發(fā)動機燃油系統(tǒng)的動態(tài)工作過程進行過一些研究。尤裕榮等基于AMESim仿真軟件［3］，完成了沖壓發(fā)動機燃油調節(jié)器的建模與動態(tài)工作過程仿真，研究了調節(jié)器的動態(tài)特性。黎林林等基于Easy5仿真軟件建立了沖壓發(fā)動機燃油調節(jié)系統(tǒng)模型［4］，并基于該模型完成了燃油調節(jié)系統(tǒng)燃油切換等動態(tài)過程研究。楊錫武等基于AMESim仿真軟件建立了燃油調節(jié)系統(tǒng)模型［5］，并基于該模型對巡航狀態(tài)下發(fā)動機供油振蕩現象進行了仿真，提出了改進措施。徐健等以某型航空發(fā)動機燃油系統(tǒng)為研究對象［6］，在系統(tǒng)仿真軟件Matlab/Simulink環(huán)境下構建了仿真模型，研究了不同轉速下燃油系統(tǒng)的動態(tài)工作特性。

國內外的研究主要著重于系統(tǒng)的動態(tài)工作特性。本文利用AMESim軟件對沖壓發(fā)動機液路系統(tǒng)進行了建模，基于該模型對膜片閥在不同的破裂壓差散差時沖壓發(fā)動機的充填過程進行了仿真計算，主要研究工藝問題引起膜片閥的破裂壓力散差對發(fā)動機啟動過程的影響。

1 燃油調節(jié)系統(tǒng)建模

1.1 燃油調節(jié)系統(tǒng)

沖壓發(fā)動機燃油調節(jié)系統(tǒng)簡圖見圖1。

圖1 燃油調節(jié)系統(tǒng)簡圖Fig.1 Diagram of fuel regulation system

沖壓發(fā)動機燃油調節(jié)系統(tǒng)主要由渦輪泵、調節(jié)器和膜片閥組成。在轉級接力時，空氣渦輪在高壓空氣的驅動下開始對泵做功，泵對貯箱供入的燃油進行增壓，膜片閥前的燃油壓力升高。當膜片閥前后壓差大于破裂壓力時，膜片閥破裂，燃油經管路后進入燃燒室。當燃油進入燃燒室后，燃燒室點火起動，沖壓發(fā)動機完成接力。

1.2 渦輪泵模型

由于渦輪泵內部流動的復雜性，建立詳細模型是非常困難的，故這里采用功能模型。功能模型雖然不能模擬泵高速旋轉產生的高頻壓力波動，但是能夠模擬系統(tǒng)關心的低頻壓力波動。

渦輪泵之間采用轉子連接，其遵循的微分方程為：

式中：ω為角速度；J為轉矩；T為扭矩。

燃油泵的揚程特性、效率特性以文件的形式在仿真模型中設置。

1.3 調節(jié)器模型

燃油調節(jié)器是沖壓發(fā)動機的燃油調節(jié)組件，由計量閥、等壓差閥、壓差執(zhí)行閥、高速電磁閥及燃油分配閥等多個閥門集成而成，原理圖見圖2。其工作原理為：控制器通過控制高速電磁閥的占空比信號來控制計量閥的開度，同時角位移傳感器實時測量計量閥開度反饋給控制器，實現閉環(huán)控制。壓差執(zhí)行機構用于保證計量閥入口和出口壓力恒定。根據供油流量的大小，通過切換閥來控制燃油路的開關。

根據圖2的工作原理建立了調節(jié)器仿真模型。

圖2 調節(jié)器原理圖Fig.2 Principle diagram of fuel regulator

2 仿真計算及結果分析

2.1 仿真模型驗模

為確定建立的仿真模型的準確性，根據圖3中給出的初始條件對燃油調節(jié)裝置的調節(jié)過程進行了仿真計算，并與地面試驗結果進行了對比。計算時渦輪入口壓力根據試驗值，渦輪壓比為4，渦輪入口總溫為800 K。在仿真時間0.5 s之前，泵后換向閥切斷調節(jié)器供油路，燃油經泵增壓后回至低壓貯箱。仿真時間0.5 s時，換向閥切換，打開調節(jié)器供油路，關閉低壓貯箱路。當膜片閥前后壓差大于破裂壓力時，燃油擠破膜片閥對管路進行充填。

圖3 計算初始條件Fig.3 Initial condition of calculation

圖4給出了仿真計算得到的第Ⅱ和第Ⅲ路噴前壓力與試驗結果的比較。

圖4 計算結果比較Fig.4 Comparison of calculated results

由圖4可以看出，仿真計算時燃油系統(tǒng)的燃油流量按圖3（a）中給出的規(guī)律進行變化。在時序0.5 s之前，由于泵后的換向閥沒有切換，燃油經換向閥進入低壓油箱，此時第Ⅱ路和第Ⅲ路噴前壓力等于環(huán)境壓力（1個大氣壓）。時序0.5 s時，換向閥實施切換，由于此時調節(jié)器的充填流量較大，在切換時出現較大的水擊壓力，使得噴前壓力有一個較大幅度的躍升，最大幅度約為3.5 MPa左右，與試驗結果吻合較好。時序11.37 s時，燃油流量增大，對應的噴前壓力也迅速升高。時序32 s時，關閉第Ⅱ路供油，燃油都進入第Ⅲ路。由圖3（b）可以看出第Ⅱ路噴前壓力迅速降低為環(huán)境壓力，而第Ⅲ路噴前則迅速抬高。由整個燃油充填和調節(jié)過程可以看出，仿真計算與試驗結果吻合較好，表明該模型具有較高的計算精度，可以較為精確的捕捉充填過程中出現的水擊、燃油切換等動態(tài)過程。

2.2 不同膜片閥破裂散差充填過程比較

根據上文的仿真結果，在燃油充填過程中，燃燒室各供油路的噴前壓力是隨時間變化的。由于膜片閥存在一定的破裂散差，如果散差過大，且部分膜片閥的破裂壓力大于泵后壓力時，就會在充填過程中出現部分膜片破裂而部分沒有破裂的問題。這種情況可能會影響發(fā)動機的整個起動點火過程和起動時間。

本節(jié)基于上文建立的仿真模型，研究了不同破裂散差時發(fā)動機的起動充填過程。計算時渦輪入口壓力為0.08 MPa，無量綱燃油流量為0.75，第Ⅰ路切換電磁閥為斷電狀態(tài)。各閥門的開啟時序與上文相同。圖5給出了破裂壓差同為2MPa，仿真計算得到的各供油路噴前壓力隨時間變化曲線。

由圖5可以看出，三路膜片閥幾乎同時破裂，燃油經膜片閥進入燃燒室積液腔后，三路噴前壓力均迅速抬升。由于第Ⅰ路切換閥為斷電狀態(tài)，當泵后換向閥切換后，在液動力的作用下第Ⅰ路逐漸關閉，關閉時間約為1s。而第Ⅱ和第Ⅲ路則最終穩(wěn)定在0.8MPa左右，表明燃油經第Ⅱ和第Ⅲ路穩(wěn)定供入燃燒室。

圖6給出了其他初始條件不變，第Ⅰ路膜片閥破裂壓差為2.0 MPa，第Ⅱ路膜片閥破裂壓差為2.2 MPa，第Ⅲ路膜片閥破裂壓差為2.5 MPa時，仿真計算得到的各路噴前壓力曲線的比較。

圖5 工況1各路噴前壓力曲線Fig.5 Pressure curves of each fuel supply passage before injection at case 1

圖6 工況2各路噴前壓力曲線Fig.6 Pressure curves of each fuel supply passage before injection at case 2

對比圖5和圖6的計算結果可以看出，當第Ⅱ路和第Ⅲ路膜片閥破裂壓差具有較大散差時，起動充填時各路膜片閥破裂時間差異很大。第Ⅰ路首先破裂，由于另外兩路的膜片閥還未破裂，導致燃油均由第Ⅰ路進入燃燒室積液腔，使得閥芯受力減小，閥的關閉時間變長，達到2.2 s左右。第Ⅱ路膜片閥的破裂壓差為2.2 MPa，由于起動過程中泵后壓力是一個逐漸爬升的過程，并且第Ⅰ路膜片閥破裂后，有一個泄壓的過程，導致第Ⅱ路的破裂時間比圖6中的計算結果延遲了0.283 s，在仿真時序1.15 s時破裂。而第Ⅲ路膜片閥由于破裂壓差較大，始終未能破裂。從而導致最終燃油均由第Ⅱ路進入燃燒室積液腔，第二路的噴前壓力大幅提高，最終穩(wěn)定在2.3 MPa左右。

由仿真計算結果可以看出，在該狀態(tài)下如果膜片閥的破裂散差達到0.5 MPa，會導致整個充填時間延長，并且破裂壓差較大的供油路無法可靠供油，從而影響燃燒室的點火起動時間和發(fā)動機的點火起動過程。

3 結論

本文基于AMESim軟件對沖壓發(fā)動機起動時燃油調節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)工作過程進行了仿真計算。并研究了不同膜片閥破裂散差時對充填過程的影響。通過仿真計算可以得出以下結論：

1）基于AMESim軟件搭建的沖壓發(fā)動機燃油調節(jié)系統(tǒng)仿真模型，可以較為準確的模擬沖壓發(fā)動機起動時液路系統(tǒng)的動態(tài)工作過程；

2） 采用膜片閥作為隔離閥時，膜片閥的破裂散差對充填過程具有較大的影響，當散差較大時會導致整個充填時間延長，并且破裂壓差較大的供油路無法可靠供油。

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［2］OHSHIMA T.Control of the intake shock position in the test rig for ramjet engine：AIAA 1997-2885［R］.USA：AIAA，1997.

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［7］李晨，張黎輝.基于AMESim的液體火箭發(fā)動機系統(tǒng)過渡過程仿真研究 ［C］//中國航天第三專業(yè)信息網第30屆技術交流會論文集.上海：上海航天動力技術研究所，2009：276-281.

［8］尤裕榮，徐中節(jié)，逯婉若.基于Simulink/RTW的沖壓發(fā)動機控制系統(tǒng)半實物仿真［J］.火箭推進，2008，34（5）：50-53. YOU Yurong，XU Zhongjie，LU Wanruo.Semi-physical simulation on ramjet control system based on simu-link/ RTW［J］.Journal of rocket pro-pulsion，2008，34（5）：50-53.

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（編輯：馬 杰）

Transient simulation of liquid fuel filling process of ramjet

WU Baoyuan1，WANG Yufeng1，HU Baowen2
（1.Xi'an Aerospace Propulsion Institute，Xi'an 710100，China；2.School of Astronautics，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China）

Dynamic modeling and simulation of the fuel supplyand control system in liquid fueled ramjet was conducted with AMESim to study the dynamic fuel filling process of the ramjet in its working state.The simulation models of air turbo，centrifugal pump，fuel regulator，fuel controller，membrane valve and fuel filling pipe were established.The fuel filling process of the ramjet at the time of its ignition startup was simulated and calculated on the basis of these models.The difference of the fuel filling process of the ramjet in the case of broken scattering difference of the different membrane valves is analyzed.The results show that，with same inlet pressure of air turbo，the pipe with the membrane valve working at large rupture pressure can not achieve the reliable fuel filling，which may affect the ignition startup and regular work ofthe ramjet

liquid fueled ramjet；fuel control system；membrane valve；fuel filling process；AMESim

V235.21-34

A

1672-9374（2016）05-0001-05

2016-07-09；

2016-08-26

國家863項目（2012AA7053021）

吳寶元（1969—），男，博士，研究員，博士生導師，研究領域為液體沖壓發(fā)動機