CN115653759A - 基于流量分配的加力燃烧室供油系统及控制流程设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航空发动机加力控制设计领域，公开了基于流量分配的加力燃烧室供油系统及控制流程设计方法，通过将总管油路Ⅰ连同其对应的喷杆设置为扇形结构的点火油路，将总管油路Ⅱ设置为与总管油路Ⅰ位于同一截面圆环上，总管油路Ⅲ设置为圆环形的供油截面；并对各路总管油路按油量条件设置开启时机和分配进油量，能够实现与加力燃烧室进口条件更好匹配，通过航空发动机各路总管供油渐近式开启和关闭的控制方法，实现加力燃烧室的可靠点着和稳定供油性能；规避了传统的总管及燃油分布器按分压模式进行供油时实际供油偏差大而对发动机加力性能产生影响的问题，显著提升航空发动机加力接通及稳定工作的可靠性。

Description

基于流量分配的加力燃烧室供油系统及控制流程设计方法

技术领域

本发明涉及航空发动机加力控制设计领域，公开了基于流量分配的加力燃烧室供油系统及控制流程设计方法。

背景技术

发动机加力控制系统中，加力供油需要保证各路总管的压力和流量，通过典型工况下的加力燃油喷嘴特性获取各路总管的压力流量关系设计加力燃油分配器，按压力分配模式进行各路总管的开启，当加力总管数量3个及以上时，在不增加计量装置的情况下，为满足多路总管供油的需求，多采取分压活门分压增加油路和供油(如图5)。

但是，因流量和压差不是直接线性关系，且发动机工况点多，流量范围和压差范围变化大，由机械结构保证全工况范围的精度偏差较大。同时对活门型孔精度设计和弹簧匹配要求高，使分压活门结构设计复杂，加工难度加大、产品调试周期长。而且当发动机技术状态变化后，需要根据新的需求进行分压分配设计，流程繁琐，控制精度难以保障。

发明内容

本发明的目的在于提供基于流量分配的加力燃烧室供油系统及控制流程设计方法，可以实现加力燃油各总管油路分段匹配控制，简化燃油附件结构，提高了加力燃油控制精度，在保证加力燃烧性能的基础上减轻发动机质量。采用流量控制后，点火流量和各区总管流量均可按设定比例由数控系统自动调节，更好保证喷嘴的燃油雾化效果。

为了实现上述技术效果，本发明采用的技术方案是：

基于流量分配的加力燃烧室供油系统，包括分别通过多个喷杆为加力燃烧室供油的总管油路Ⅰ、总管油路Ⅱ和总管油路Ⅲ，所述总管油路Ⅰ、总管油路Ⅱ分布于加力燃烧室的同一横截面圆环上；总管油路Ⅰ为扇形结构，且位于点火区；总管油路Ⅱ与总管油路Ⅰ组成对应横截面圆环结构，所述总管油路Ⅲ分布于加力燃烧室的另一横截面圆环上。

进一步地，还包括：

FADEC控制器，用于根据发动机油门杆对应状态计算的加力总流量，并向加力燃油控制装置发出对加力各区各总管油路进行开启、供油流量控制和关闭的控制信号；

加力燃油控制装置，用于根据加力总流量进行电液转换，计量所需要的燃油流量，用于通过加力燃油分配器分别向总管油路Ⅰ、总管油路Ⅱ和总管油路Ⅲ供油；

加力燃油分配器，包括设置于每路总管油路的活门组件。

为实现上述技术效果，本发明提供了基于流量分配的加力燃烧室供油系统控制流程设计方法，包括如下步骤：

S1、根据加力燃烧室总管数量和各路总管油路对应的喷杆数量，得到稳定燃烧时各路总管油路的供油分配比例；

S2、确定在加力点火时总管油路Ⅰ供油量值W_Iign，以及点火成功后总管油路Ⅰ供油量值W_I、总管油路II供油量值W_II和总管油路Ⅲ的供油量值W_III；

S3、确定总管油路Ⅰ的开启点火时机；

S4、总管油路Ⅰ点火成功后，开启总管油路Ⅱ；

S5、根据总管油路Ⅱ和总管油路Ⅲ的压差转折点对应的供油流量值W_b，确定总管油路Ⅲ开启时机，并在对应时刻开启总管油路Ⅲ。

进一步地，步骤S3中根据航空发动机油门杆角度以及发动机相对进口的换算转速，确定总管油路Ⅰ的开启点火时机。

进一步地，步骤S2中根据发动机加力燃烧室点火区域油气比要求，计算出总管油路Ⅰ加力点火时供油量W_Iign＝a·W_fAB全；其中，a为常数；W_fAB全为全加力流量值，根据油门杆角度确定。

进一步地，点火成功后总管油路Ⅰ的供油量W_I＝k·W_Iign，其中k为常数。

进一步地，步骤S2中根据加力燃烧室全包线范围内总管油路Ⅰ需要的最大流量确定总管油路Ⅰ的最大供油量W_Imax，且当计算所得的W_I大于最大供油量W_Imax时，取W_I＝W_Imax。

进一步地，步骤S2中点火成功后总管油路Ⅱ的供油量值W_II为：

若总管油路Ⅲ未开启，当前加力总流量W_Σ小于压差转折点对应的供油流量值W_b，且W_Σ小于等于n/m倍W_I时，总管油路Ⅱ的供油量值W_II＝W_Σ-W_I；

若总管油路Ⅲ未开启，当前加力总流量W_Σ小于W_b，且总流量大于n/m倍W_I时，总管油路Ⅱ的供油量值W_II＝(n/m)·W_I；

若总管油路Ⅲ开启，当前加力总流量W_Σ大于等于W_b时，W_II＝(n/m)·W_I；

其中，n/m为步骤S1中得到总管油路Ⅱ与总管油路Ⅰ的供油分配比值。

进一步地，步骤S4中加力总流量大于等于压差转折点对应的供油流量值W_b时，开启总管油路Ⅲ。

进一步地，步骤S2中总管油路Ⅲ的供油量确定方法为：根据加力燃烧室供油特性，建立总管油路Ⅲ供油量与加力总流量的函数关系，按总管油路Ⅲ供油量与加力总流量关系公式计算W_III＝f(W_Σ)＝d₁·W_Σ ²+d₂·W_∑-d₃；其中W_Σ是根据当前油门杆状态计算出总供油流量，d₁、d₂、d₃为常量。

与现有技术相比，本发明所具备的有益效果是：

1、本发明通过将总管油路Ⅰ连同其对应的喷杆设置为扇形结构的点火油路，将总管油路Ⅱ设置为与总管油路Ⅰ位于同一截面圆环上，总管油路Ⅲ设置为圆环形的供油截面；并对各路总管油路按油量条件设置开启时机和分配进油量，能够实现与加力燃烧室进口条件更好匹配；

2、通过航空发动机各路总管供油渐近式开启和关闭的控制方法，实现加力燃烧室的可靠点着和稳定供油性能；规避了传统的总管及燃油分布器按分压模式进行供油时实际供油偏差大而对发动机加力性能产生影响的问题，显著提升航空发动机加力接通及稳定工作的可靠性。

3、可以取消加力燃油分布器中的分压活门组件，由FADEC控制器实现加力燃油各路总管分段匹配控制，简化燃油附件结构，提高了加力燃油控制精度，在保证加力燃烧性能的基础上减轻发动机质量；而且采用流量控制后，点火流量和各路总管油路供油量均可按设定比例由数控系统自动调节，更好保证喷嘴的燃油雾化效果。

附图说明

图1为实施例1或2中基于流量分配的加力燃烧室供油系统结构框图；

图2为实施例1或2中总管油路Ⅰ、总管油路Ⅱ及其喷杆在加力燃烧室截面分布示意图；

图3是实施例1或2中总管油路Ⅲ及其喷杆在加力燃烧室截面分布示意图；

图4为总管油路Ⅱ和总管油路Ⅲ的喷嘴压差关系图；

图5为现有技术中基于分压模式的加力燃烧室供油系统结构框图；

其中，1、喷杆；2、加力燃烧室；3、FADEC控制器；4、加力燃油控制装置；5、加力燃油分配器。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

参见图1-3，基于流量分配的加力燃烧室供油系统，包括分别通过多个喷杆1为加力燃烧室2供油的总管油路Ⅰ、总管油路Ⅱ和总管油路Ⅲ，总管油路Ⅰ、总管油路Ⅱ分布于加力燃烧室2的同一横截面圆环上；总管油路Ⅰ为扇形结构，且位于点火区；总管油路Ⅱ与总管油路Ⅰ组成对应横截面圆环结构，总管油路Ⅲ分布于加力燃烧室2的另一横截面圆环上。

本实施例中还包括：

FADEC控制器3(全权限数字式电子控制器)，用于根据发动机油门杆对应状态计算的加力总流量，并向加力燃油控制装置4发出对加力各区各总管油路进行开启、供油流量控制和关闭的控制信号；

加力燃油控制装置4，与加力燃油泵连通，用于根据加力总流量进行电液转换，计量所需要的燃油流量，利用加力燃油分配器5分别向总管油路Ⅰ、总管油路Ⅱ和总管油路Ⅲ供油；

加力燃油分配器5，包括设置于每路总管油路的活门组件。

本实施例中基于流量分配的加力燃烧室2供油系统控制流程设计方法，主要通过FADEC控制器3预设参数和采集各路总管油路供油量数据，由FADEC控制器3实现供油控制，具体控制流程包括如下步骤：

S1、根据加力燃烧室2总管数量和各路总管油路对应的喷杆1数量，得到稳定燃烧时各路总管油路的供油分配比例；

S2、确定在加力点火时总管油路Ⅰ供油量值W_Iign，以及点火成功后总管油路Ⅰ供油量值W_I、总管油路Ⅱ供油量值W_II和总管油路Ⅲ的供油量值W_III；

S3、确定总管油路Ⅰ的开启点火时机；

S4、总管油路Ⅰ点火成功后，开启总管油路Ⅱ；

S5、根据总管油路Ⅱ和总管油路Ⅲ的压差转折点对应的供油流量值W_b，确定总管油路Ⅲ开启时机，并在对应时刻开启总管油路Ⅲ。

在本实施例中，通过将总管油路Ⅰ连同其对应的喷杆1设置为扇形结构的点火油路，将总管油路Ⅱ设置为与总管油路Ⅰ位于同一截面圆环上，总管油路Ⅲ设置为圆环形的供油截面；并对各路总管油路按油量条件设置开启时机和分配进油量，能够实现与加力燃烧室2进口条件更好匹配，通过航空发动机各路总管供油渐近式开启和关闭的控制方法，实现加力燃烧室2的可靠点着和稳定供油性能；规避了传统的总管及燃油分布器按分压模式进行供油时实际供油偏差大而对发动机加力性能产生影响的问题，显著提升航空发动机加力接通及稳定工作的可靠性。

同时，采用流量分配控制方法后，可以取消加力燃油分布器中的分压活门组件，由FADEC控制器3实现加力燃油各路总管分段匹配控制，简化燃油附件结构，提高了加力燃油控制精度，在保证加力燃烧性能的基础上减轻发动机质量；而且采用流量控制后，点火流量和各路总管油路供油量均可按设定比例由数控系统自动调节，更好保证喷嘴的燃油雾化效果。

实施例2

参见图1-5，本实施例以航空发动机某型加力燃烧室2加力供油系统和相关控制方法为例进行具体说明，其中，燃烧室供油系统结构包括分别通过多个喷杆1为加力燃烧室2供油的总管油路Ⅰ、总管油路Ⅱ和总管油路Ⅲ，总管油路Ⅰ、总管油路Ⅱ分布于加力燃烧室2的同一横截面圆环上。燃烧室加力分区为：加力零区、加力一区、加力二区，其中加力零区为加力点火区域，实现加力点火，对应总管油路Ⅰ；加力一区通过总管油路Ⅱ供油，加力二区通过总管油路Ⅲ供油，产生发动机推力。总管油路Ⅰ为扇形结构，且位于点火区；总管油路Ⅱ与总管油路Ⅰ组成对应横截面圆环结构，总管油路Ⅲ分布于加力燃烧室2的另一横截面圆环上。还包括FADEC控制器3、加力燃油控制装置4以及主要由设置于每路总管油路的活门组件组成的加力燃油分配器5。

由FADEC控制器3根据发动机油门杆对应状态计算的加力总流量，并向加力燃油控制装置4发出对加力各区各总管油路进行开启、供油流量控制和关闭的控制信号，加力燃油控制装置4接收FADEC控制器3传输的加力总流量以及各总管油路所需油量控制信号进行电液转换，并计量所需要的燃油流量，利用加力燃油分配器5分别向总管油路Ⅰ、总管油路Ⅱ和总管油路Ⅲ供油。具体控制流程包括如下步骤：

步骤1、获取该型加力燃烧室2各总管油路的喷杆1数量，得到各路总管油路的供油比例关系；本实施例中各总管油路的分配比例见表1；总管油路Ⅰ、总管油路Ⅱ、总管油路Ⅲ之间需要保持的供油流量关系为：W_II＝(n/m)·W_I，W_III＝(p/m)·W_I。

表1各总管油路的喷杆数量及供油分配比例

总管油路序号	Ⅰ	Ⅱ	Ⅲ
				喷杆数量	m	n	p
供油比例	1	n/m	p/m
				供油流量	W<sub>Ⅰ</sub>	W<sub>Ⅱ</sub>	W<sub>Ⅲ</sub>

步骤2、预设的进行加力点火时的总管油路Ⅰ油路相对总供油流量的占比比例值a，根据发动机加力燃烧室2点火区域油气比要求，计算出总管油路Ⅰ加力点火时供油量W_Iign＝a·W_fAB全；其中，a取值范围4％～20％；W_fAB全为全加力流量值，根据油门杆角度确定；

步骤3、确定在加力点火成功后加力点火区域进行稳定燃烧时总管油路Ⅰ供油量值：预设加力点火成功后的总管油路Ⅰ线性递增比例系数k，点火成功后总管油路Ⅰ的供油量W_I＝k·W_Iign，其中k取值范围为1～1.5，具体取值可根据发动机试验结果进行调整；

本实施例中需要对总管油路Ⅰ供油量值最大边界值W_Imax进行限定：根据加力燃烧室2全包线范围内总管油路Ⅰ需要的最大流量确定总管油路Ⅰ的最大供油量W_Imax，且当计算所得的W_I大于最大供油量W_Imax时，取W_I＝W_Imax。

步骤4、根据已知的加力燃烧室2供油特性，依据总管油路Ⅰ、总管油路Ⅱ、总管油路Ⅲ对应的喷嘴压差的平方根与各路流量的线性关系(如图4所示)，计算压力转择点b对应的喷嘴进口和出口之间的压力差；总管油路Ⅰ、总管油路Ⅱ、总管油路Ⅲ流量值

(数值上取等)，P_Ib、P_IIb、P_IIIb分别为总管油路Ⅱ、总管油路Ⅲ压差转折点时对应的喷嘴将确定的转折点b的各路总管流量进行累加，得到加力燃烧室2的当前压力转折点的对应的总流量值

步骤5、确定在加力点火成功后总管油路Ⅱ供油量值：本实施例中根据当前加力总流量值以及总管油路Ⅰ和总管油路Ⅱ的供油比例关系，分段进行总管油路Ⅱ流量值确定：

1)若总管油路Ⅲ未开启，当前加力总流量W_Σ小于压差转折点对应的供油流量值W_b，且W_Σ小于等于n/m倍W_I时，总管油路Ⅱ的供油量值W_II＝W_Σ-W_I；

2)若总管油路Ⅲ未开启，当前加力总流量W_Σ小于W_b，且总流量大于n/m倍W_I时，总管油路Ⅱ的供油量值W_II＝(n/m)·W_I；

若总管油路Ⅲ开启，当前加力总流量W_Σ大于等于W_b时，W_II＝(n/m)·W_I；

其中，n/m为总管油路Ⅱ与总管油路Ⅰ的供油分配比值；W_Σ是根据航空发动机当前状态，包括油门杆角度及发动机相对换算转速等参数计算出总供油流量W_Σ。

步骤6、确定在加力点火成功后总管油路Ⅲ供油量值：

根据当前加力总流量和设定的总管油路Ⅲ开启时机，分段进行总管油路Ⅲ流量值确定：

1)若当前加力总流量未小于W_b时，总管油路Ⅲ未开启，流量值W_III等于0；

2)若当前加力总流量W_Σ大于等于W_b时，总管油路Ⅲ供油量按设定的总供油流量的函数关系W_III＝f(W_Σ)＝d₁·W_Σ ²+d₂·W_∑-d₃进行供油；其中W_Σ是根据当前油门杆状态计算出总供油流量，d₁、d₂、d₃为常量。

步骤7、根据航空发动机油门杆角度以及发动机相对进口的换算转速，确定总管油路Ⅰ的开启点火时机。本实施例中通过确定航空发动机包括油门杆角度位置及发动机相对进口的换算转速等状态参数，二者同时满足油门杆位置PLA≥75°，发动机相对进口的换算转速N2r≥79％，确定为总管油路Ⅰ的开启点火时机。

步骤8、总管油路Ⅰ点火成功后，开启总管油路Ⅱ；

步骤9、根据总管油路Ⅱ和总管油路Ⅲ的压差转折点对应的供油流量值W_b，当前加力总流量W_Σ大于等于压差转折点对应的供油流量值W_b时，确定为总管油路Ⅲ开启时机，并在对应时刻开启总管油路Ⅲ。

本实施例中基于流量分配的加力燃烧室2供油系统控制方法，由FADEC控制器3实现一体化加力各区供油量匹配和线性递增，能够与加力燃烧室2进口条件更好匹配，减少了加力燃油分布器的分压活门，提高了加力供油流量的控制精度，显著提升航空发动机加力接通的可靠性和稳定性。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于流量分配的加力燃烧室供油系统，其特征在于，包括分别通过多个喷杆为加力燃烧室供油的总管油路Ⅰ、总管油路Ⅱ和总管油路Ⅲ，所述总管油路Ⅰ、总管油路Ⅱ分布于加力燃烧室的同一横截面圆环上；总管油路Ⅰ为扇形结构，且位于点火区；总管油路Ⅱ与总管油路Ⅰ组成对应横截面圆环结构，所述总管油路Ⅲ分布于加力燃烧室的另一横截面圆环上。

2.根据权利要求1所述的基于流量分配的加力燃烧室供油系统，其特征在于，还包括：

FADEC控制器，用于根据发动机油门杆对应状态计算的加力总流量，并向加力燃油控制装置发出对加力各区各总管油路进行开启、供油流量控制和关闭的控制信号；

加力燃油控制装置，用于根据加力总流量进行电液转换，计量所需要的燃油流量，用于通过加力燃油分配器分别向总管油路Ⅰ、总管油路Ⅱ和总管油路Ⅲ供油；

加力燃油分配器，包括设置于每路总管油路的活门组件。

3.基于流量分配的加力燃烧室供油系统控制流程设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、根据加力燃烧室总管数量和各路总管油路对应的喷杆数量，得到稳定燃烧时各路总管油路的供油分配比例；

S2、确定在加力点火时总管油路Ⅰ供油量值W_Iign，以及点火成功后总管油路Ⅰ供油量值W_I、总管油路II供油量值W_II和总管油路Ⅲ的供油量值W_III；

S3、确定总管油路Ⅰ的开启点火时机；

S4、总管油路Ⅰ点火成功后，开启总管油路Ⅱ；

S5、根据总管油路Ⅱ和总管油路Ⅲ的压差转折点对应的供油流量值W_b，确定总管油路Ⅲ开启时机，并在对应时刻开启总管油路Ⅲ。

4.根据权利要求3所述的基于流量分配的加力燃烧室供油系统控制流程设计方法，其特征在于，步骤S3中根据航空发动机油门杆角度以及发动机相对进口的换算转速，确定总管油路Ⅰ的开启点火时机。

5.根据权利要求3所述的基于流量分配的加力燃烧室供油系统控制流程设计方法，其特征在于，步骤S2中根据发动机加力燃烧室点火区域油气比要求，计算出总管油路Ⅰ加力点火时供油量W_Iign＝a·W_fAB全；其中，a为常数；W_fAB全为全加力流量值，根据油门杆角度确定。

6.根据权利要求3所述的基于流量分配的加力燃烧室供油系统控制流程设计方法，其特征在于，点火成功后总管油路Ⅰ的供油量W_I＝k·W_Iign，其中k为常数。

7.根据权利要求6所述的基于流量分配的加力燃烧室供油系统控制流程设计方法，其特征在于，步骤S2中根据加力燃烧室全包线范围内总管油路Ⅰ需要的最大流量确定总管油路Ⅰ的最大供油量W_Imax，且当计算所得的W_I大于最大供油量W_Imax时，取W_I＝W_Imax。

8.根据权利要求3所述的基于流量分配的加力燃烧室供油系统控制流程设计方法，其特征在于，步骤S2中点火成功后总管油路Ⅱ的供油量值W_II为：

若总管油路Ⅲ未开启，当前加力总流量W_Σ小于压差转折点对应的供油流量值W_b，且W_Σ小于等于n/m倍W_I时，总管油路Ⅱ的供油量值W_II＝W_Σ-W_I；

若总管油路Ⅲ未开启，当前加力总流量W_Σ小于W_b，且总流量大于n/m倍W_I时，总管油路Ⅱ的供油量值W_II＝(n/m)·W_I；

若总管油路Ⅲ开启，当前加力总流量W_Σ大于等于W_b时，W_II＝(n/m)·W_I；

其中，n/m为步骤S1中得到总管油路Ⅱ与总管油路Ⅰ的供油分配比值。

9.根据权利要求3所述的基于流量分配的加力燃烧室供油系统控制流程设计方法，其特征在于，步骤S4中加力总流量大于等于压差转折点对应的供油流量值W_b时，开启总管油路Ⅲ。

10.根据权利要求9所述的基于流量分配的加力燃烧室供油系统控制流程设计方法，其特征在于，步骤S2中总管油路Ⅲ的供油量确定方法为：根据加力燃烧室供油特性，建立总管油路Ⅲ供油量与加力总流量的函数关系，按总管油路Ⅲ供油量与加力总流量关系公式计算W_III＝f(W_∑)＝d₁·W_Σ ²+d₂·W_∑-d₃；其中W_Σ是根据当前油门杆状态计算出总供油流量，d₁、d₂、d₃为常量。

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