周秀清

（中國航發(fā)湖南動力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002）

燃油活門組件是某型渦軸發(fā)動機(jī)燃油系統(tǒng)的重要組成部分，是燃油通往燃燒室的必由之路，該附件集成了燃油分配和超轉(zhuǎn)回油功能。燃油分配的功能是將進(jìn)入燃燒室的燃油進(jìn)行分配，在發(fā)動機(jī)起動初期，采用副油路單獨供油，改善噴嘴霧化效果，提高發(fā)動機(jī)點火成功率；當(dāng)供油量增加時，采用主、副油路同時供油；在發(fā)動機(jī)停車時，放掉燃油總管中剩余的燃油，防止噴嘴積碳。超轉(zhuǎn)回油的功能是在發(fā)動機(jī)動力渦輪超轉(zhuǎn)時將出口燃油返回到高壓泵前，使發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下降，防止出現(xiàn)破壞性超轉(zhuǎn)；當(dāng)動力渦輪轉(zhuǎn)速低于超轉(zhuǎn)值時，恢復(fù)供油[1]。

1 設(shè)計要求及原理

1.1 燃油系統(tǒng)

發(fā)動機(jī)燃油系統(tǒng)框圖如圖1所示，直升機(jī)油箱的燃油進(jìn)入低壓泵增壓，經(jīng)低壓燃油濾組件過濾后進(jìn)入高壓泵和調(diào)節(jié)裝置，計量后的燃油進(jìn)入燃滑油散熱器，然后進(jìn)入燃油活門組件，燃油活門組件將燃油分配成兩路分別進(jìn)入燃燒室的主、副油路燃油總管。

圖1 發(fā)動機(jī)燃油系統(tǒng)框圖

1.2 系統(tǒng)要求

燃油系統(tǒng)對燃油活門組件提出了以下要求：

（1）起動時，向主、副油路燃油總管提供燃油；

（2）超轉(zhuǎn)時，將出口燃油返回到高壓泵前；

（3）停車時，將主、副油路燃油總管積油排至漏油口。

1.3 主、副油路打開壓力要求

1.3.1 副油路打開壓力要求

副油路負(fù)責(zé)給發(fā)動機(jī)起動噴嘴供油，選取合適的打開壓力，提高起動噴嘴霧化效果，縮短燃燒室點火時間。通過分析，確定副油路打開壓力為p副。

1.3.2 主油路打開壓力要求

主油路在發(fā)動機(jī)點火成功后打開，給主油路燃油總管供油，選取合適的打開壓力，提高發(fā)動機(jī)加速性和可靠性。通過分析，確定主油路打開壓力為p主。

若打開壓力設(shè)計過高，會給前端提供壓力油源的燃油泵調(diào)節(jié)器增加供油負(fù)擔(dān)，影響發(fā)動機(jī)的可靠性；若打開壓力設(shè)計過低，與副油路打開壓力相差不大，會有以下幾點影響：

（1）影響發(fā)動機(jī)在高原飛行的起動成功率。因為高原溫度低，燃油比較黏，需要噴嘴前的燃油壓力足夠高才能達(dá)到良好的霧化效果，如果主油路在副油路噴嘴點火成功前打開，會影響副油路的點火效率。

（2）可能會超溫。當(dāng)副油路點火成功后，燃?xì)鉁u輪后溫度會達(dá)到一個峰值，如果主油路恰好在燃?xì)鉁u輪后溫度峰值時打開，發(fā)動機(jī)可能會出現(xiàn)超溫現(xiàn)象。

（3）影響發(fā)動機(jī)的高原飛行性能。在高原時，發(fā)動機(jī)所需燃油流量少，副油路提供的流量足以維持發(fā)動機(jī)低狀態(tài)飛行，如果主油路在低狀態(tài)也參與供油，會影響噴嘴霧化效果。

1.4 協(xié)同動作時間要求

超轉(zhuǎn)保護(hù)原理：當(dāng)動力渦輪轉(zhuǎn)速超過保護(hù)值時，控制系統(tǒng)給燃油活門組件電磁閥通電，使出口燃油返回高壓泵前；當(dāng)動力渦輪轉(zhuǎn)速低于超轉(zhuǎn)保護(hù)值時，控制系統(tǒng)給燃油活門組件電磁閥斷電，恢復(fù)供油。

超轉(zhuǎn)保護(hù)響應(yīng)時間包括以下三個方面：電子控制器超轉(zhuǎn)確認(rèn)給出信號時間T1、燃油活門組件電磁閥響應(yīng)時間T2、電磁閥動作到燃油活門組件出口燃油壓力降至最小值的時間T3。時序圖如圖2所示。

圖2 超轉(zhuǎn)保護(hù)響應(yīng)時序示意圖

超轉(zhuǎn)保護(hù)響應(yīng)時間應(yīng)該考慮從發(fā)動機(jī)超轉(zhuǎn)時加速到超轉(zhuǎn)保護(hù)最大值的時間，并在該時間上進(jìn)行余量設(shè)計。燃油活門組件作為執(zhí)行元件，動作時間T回油為超轉(zhuǎn)保護(hù)響應(yīng)時間減去電子控制器確認(rèn)時間T1。

超轉(zhuǎn)保護(hù)恢復(fù)時間同樣包括T4、T5、T6三個方面，時序圖如圖3所示。

圖3 超轉(zhuǎn)保護(hù)恢復(fù)時序示意圖

超轉(zhuǎn)保護(hù)恢復(fù)時間應(yīng)該考慮在沒有燃油的情況下發(fā)動機(jī)從低于超轉(zhuǎn)的狀態(tài)下降到空氣渦輪起動機(jī)脫開狀態(tài)的時間，即在這個時間內(nèi)發(fā)動機(jī)不需要空氣渦輪起動機(jī)帶轉(zhuǎn)能再起動，并在該時間上進(jìn)行余量設(shè)計。燃油活門組件作為執(zhí)行元件，動作時間T恢復(fù)為超轉(zhuǎn)保護(hù)恢復(fù)時間減去電子控制器確認(rèn)時間T4。

通過分析，確定協(xié)同動作時間要求：

（1）常溫，從電磁閥接通的瞬時，到燃油活門組件出口壓力下降至最小值時止所需的時間不超過T回油。

（2）常溫，從電磁閥斷開的瞬時，到燃油活門組件出口壓力上升到最大值時止所需的時間不超過T恢復(fù)。

2 方案設(shè)計

2.1 組成

燃油活門組件主要由主油路活門、副油路活門、選擇活門和電磁閥構(gòu)成。燃油活門組件共有5個油口，分別是進(jìn)油口、主油路出口、副油路出口、漏油口、回油口。燃油活門組件框圖如圖4所示。

圖4 燃油活門組件框圖

2.2 工作原理

發(fā)動機(jī)未起動時，燃油活門組件進(jìn)口壓力等于外界壓力，此時燃油活門組件的主、副油路活門在彈簧作用下處于關(guān)閉狀態(tài)。

發(fā)動機(jī)起動過程中，當(dāng)進(jìn)口燃油壓力達(dá)到p副時，副油路活門閥芯移動，燃油經(jīng)副油路活門和選擇活門進(jìn)入燃燒室副油路燃油總管；當(dāng)進(jìn)口燃油壓力繼續(xù)增大至p主時，主油路活門閥芯移動，此時燃油分成兩路，分別供給主、副油路燃油總管，實現(xiàn)燃油的分配功能。

當(dāng)動力渦輪超轉(zhuǎn)時，燃油活門組件中電磁閥接通，選擇活門彈簧腔中高壓燃油與低壓腔溝通，選擇活門力平衡發(fā)生改變，閥芯移動到上止點，此時進(jìn)口和回油油路溝通，則通往燃燒室的燃油中斷，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下降，實現(xiàn)超轉(zhuǎn)回油；當(dāng)電磁閥斷電后，選擇活門內(nèi)油壓再次保持一致，閥芯移動到下止點，將進(jìn)口和出口油路重新溝通，恢復(fù)供油。

當(dāng)發(fā)動機(jī)停車時，燃油停止流向燃油活門組件，主、副燃油活門閥芯在彈簧作用下向下移動，燃燒室內(nèi)剩余的壓力p3將噴嘴和總管中的燃油吹除，防止噴嘴積碳。

2.3 主、副油路活門彈簧參數(shù)設(shè)計

根據(jù)燃油活門組件尺寸鏈，計算彈簧在活門內(nèi)打開時的壓縮量，并根據(jù)打開壓力要求，計算出彈簧的剛性大小，初步定出彈簧的基本尺寸。最后，根據(jù)擬好的彈簧參數(shù)及燃油活門組件的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，復(fù)算彈簧各參數(shù)是否能達(dá)到打開壓力要求。計算過程如下：

（1）根據(jù)接口要求及流道情況,擬定活門直徑d1，當(dāng)油壓達(dá)到打開壓力p時，通過公式（1）計算出活門需克服的彈簧工作載荷F；

（2）根據(jù)燃油活門工作環(huán)境確定彈簧材料為1Cr18Ni9，根據(jù)活門直徑初定彈簧絲徑d2和中徑D；

（3）根據(jù)彈簧穩(wěn)定性要求（高徑比b≤5.3），根據(jù)公式（2）初定自由長度H；

（4）初定彈簧間隙δ；

（5）根據(jù)公式（3）確定工作圈數(shù)n；

（6）根據(jù)公式（4）得到并圈高度H0；

（7）根據(jù)活門結(jié)構(gòu)尺寸和并圈高度H0，確定彈簧工作高度，然后得到彈簧壓縮量f；

（8）根據(jù)公式（5）得到彈簧彈力F彈，其中G為切變模量。若F彈與打開壓力F不匹配，則重新選取相關(guān)參數(shù)迭代設(shè)計，直到與打開壓力匹配。

3 半物理仿真試驗

將該渦軸發(fā)動機(jī)燃油與控制系統(tǒng)進(jìn)行半物理仿真試驗，進(jìn)口和主、副油路燃油壓力曲線如圖5所示。

用示波器同時采集電磁閥信號和出口燃油壓力信號。當(dāng)電磁閥通電后出口燃油壓力開始下降，在ΔT回油（示波器讀取，從電磁閥通電時刻開始計時）時間后，出口燃油壓力下降到最小值，ΔT回油＜T回油；當(dāng)電磁閥斷電后出口燃油壓力開始上升，在ΔT恢復(fù)（示波器讀取，從電磁閥斷電時刻開始計時）時間后，出口燃油壓力上升到最大值，ΔT恢復(fù)＜T恢復(fù)，滿足協(xié)同動作時間要求。

圖5 進(jìn)口和主、副油路燃油壓力曲線

4 結(jié)論

本文根據(jù)發(fā)動機(jī)及其燃油系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計要求，對關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行了分析，并細(xì)化、明確，在此基礎(chǔ)上提出了具有燃油分配和超轉(zhuǎn)回油功能的燃油活門組件設(shè)計方案。該燃油活門組件經(jīng)半物理仿真試驗驗證，結(jié)果表明其性能滿足發(fā)動機(jī)設(shè)計要求。燃油活門組件集成了燃油分配和超轉(zhuǎn)回油功能，簡化了燃油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減輕了發(fā)動機(jī)質(zhì)量，可為相關(guān)型號的燃油附件設(shè)計提供借鑒。