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涡喷发动机燃油供油系统的设计与研究设计方案,喷发,动机,念头,燃油,供油,系统,设计,研究,钻研,设计方案
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毕业设计2015年1月16日涡喷发动机燃油供油系统的设计与研究设计方案所属学院长沙航空职业技术学院专业班级学号姓名指导老师长沙航空职业技术学院毕业设计诚信声明诚信声明本人郑重声明：所呈交的毕业设计，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究所取得的成果。尽我所知，除了设计（论文）中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。毕业设计网毕业设计作者签名：黄正霞2015年1月16日长沙航空职业技术学院毕业设计摘要涡喷发动机燃油供油系统的设计和研究摘要：在航空发动机数控系统中，燃油系统占有极其重要的地位；燃油附件，燃油调节器中计量装置的设计既是难点又是关键技术：采用燃油供给和控制结构的形式，将直接影响发动机的性能和可靠性。本文对燃油附件和燃油计量装置的控制技术进行了较充分的理论分析，介绍了一种新的燃油计量装置的结构设计，对燃油附件各个附件着重阐述各部分的构造，工作原理、性能和调整原理。从而保证发动机各稳定工作状态下的转速、排气温度及发动机的加速、减速和和启动性能的正常。航空发动机的燃油系统是发动机的重要组成部分。燃油系统的主要任务是对进入发动机的燃油流量进行控制，按照发动机的不同工作情况提供所需的燃油。在发动机控制系统中，燃油系统的设计既是难点又是关键技术。因为发动机采用什么什么样的燃油供给与控制机构，将直接影响其性能与可靠性。主燃油系统的功用是；用来供给，调节发动机在各工作状态和各工作条件下主燃烧室的供油量，以保证发动机各稳定工作状态下的转速，排气温度及发动机的加速、减少和起动性能正常。因此，主燃油系统的好坏，对发动机性能的充分发挥及安全可靠性地工作有重大的影响。在现代航空发动机燃油系统中，近年来，国外的发动机燃油系统正越来越多地采用数字电子控制及其执行机构来取代机械液压伺服系统。对控制精度要求很高的航空发动机控制系统而言这种取长沙航空职业技术学院毕业设计摘要代标志着控制技术水平的显著提高。在航空发动机数控系统中，燃油计量装置若采用步进电机作为驱动执行机构将具有工作可靠，控制精度高等优点。在现代航空发动机燃油系统中，燃油计量占有重要的地位。这是因为这部分元件多采用单通道，同时又处于相对恶劣的工作环境中，若计量装置出现故障，将直接导致数控系统不能正常工作。再者燃油计量方式直接影响数控系统的稳定控制精度和动态特性。关键字燃油系统燃油附件燃油计量装置控制技术长沙航空职业技术学院毕业设计目录目录1.1.绪论（1）1.2航空发动机燃油系统控制技术概述（1）1.2课题的意义（1）2燃油系统的构造（2）2.1概述（2）2.2离心增压泵（2）2.3燃油滤（3）2.4柱塞式油泵（4）2.5分配器，燃油总管和工作嘴（7）3燃油系统的控制（8）3.1传统的发动机液压式燃油系统长沙航空职业技术学院毕业设计摘要（8）3.2新的燃油系统的基本形式和特点分析（9）3.3燃油系统的设计流程（11）3.3.1建立数控执行的数学模型（11）3.3.2计算机仿真（11）3.3.3控制规律的研究（11）3.3.4.控制气的设计（11）3.3.5半物理仿真实验（12）参考文献（13）致谢（14）长沙航空职业技术学院毕业设计发动机燃油供油系统的设计与研究11.正文1.1.绪论航空发动机的燃油系统是发动机的重要组成部分。燃油系统的主要任务是对进入发动机的燃油流量进行控制，按照发动机的不同工作情况提供所需的燃油。在发动机控制系统中，燃油系统的设计既是难点又是关键技术。因为发动机采用什么什么样的燃油供给与控制机构，将直接影响其性能与可靠性。1.2.航空发动机燃油系统控制技术的发展概述燃油系统控制技术的发展可追溯到1942年的第一台-GE公司IA发动机的问世。该发动机的控制采用了液压机械控制器，该控制器根据涡轮设定转速和实际转速之间的差值按比例的计量进入发动机的燃油流量。为防止发动机熄火燃油计量阀采用最小燃油流量限制。为防止发动机超温，还采用了做大流量限制.60年代初，现代技术开始诞生，线性状态空间方法提供了模拟、控制和评估的新途径。多变量控制这一新的设计发逐步取代传统的单输入，单输出控制变量和频率响应为主的设计方法。60年代中期，发展了计算机化的、部件级稳态发动机性能模型。动态性能分析中90%的工作是通过模拟或数字计算机分析完成的，10%的工作手工分析完成的。闭环控制系统中，典型的分析方法包括频率响从1990到2004年，双通道的FADEC成为发动机的标准控制系统，由于微处理器的速度和储存技术的飞速发展，新一代控制系统重量更轻、尺寸更小。在这一时期，电力作动系统被更广泛地接受。除步进电机外，电机械的作动器已经开始在发动机上使用。为改进作动系统的总性能，各子系统的综合成为发动机控制系统设计技术发展的驱动力。许多现代的控制设计方法在电子阶段和综合阶段进行了理论和实验研究，但大多数的设计都只进行仿真验证或实验室环境的验证，尚未应用到真实的发动机上。1.2课题意义在现代航空发动机燃油系统中，燃油计量占有重要的地位。这是因为这部分元件多采用单通道，同时又处于相对恶劣的工作环境中，若计量装置出现故障，将直接导致数控系统不能正常工作。再者燃油计量方式直接影响数控系统的稳定控制精度和动态特性。燃油计量装置的燃油系统核心部分，因此从名称上来说燃油计量装置可以指代燃油系统，本文所指的燃油系统即燃油计量装置。燃油计量装置在发动机的工作原理如图1所示。长沙航空职业技术学院毕业设计发动机燃油供油系统的设计与研究2压气机引来压缩空气进入定压油箱，定压油箱通过定压装置保持燃油泵进口压力恒定。燃油进燃油泵和计量装置进入发动机。微机控制通过调节计量装置的开度，改变通流面积，从而控制进入发动机的燃油流量。目前国内该型航空发动机采用的燃油计量装置是电液伺服阀。但电液伺服阀需要高压油源，小流量时计量精度下降，内泄漏较大，动态相应慢，并且成本也很高，等等。在对燃油控制的精度要求较高的情况下，电液伺服阀不是理想的燃油计量装置。不能很好的适应工作需求。近年来，国外的发动机燃油系统正越来越多地采用数字电子控制及其执行机构来取代机械液压伺服系统。对控制精度要求很高的航空发动机控制系统而言这种取代标志着控制技术水平的显著提高。在航空发动机数控系统中，燃油计量装置若采用步进电机作为驱动执行机构将具有工作可靠，控制精度高等优点。中国航空工业第一集团公司动力控制研究所在航空发动机燃油计量装置的设计中采用了步进机，代带步的燃油计量装置的方案设计、步进电机的选型、步进电机的性能试验等方面作了一系列开创性工作，初步验证了步进机子在航空发动机燃油计量装置中应用的可行性。但燃油计量装置采用开环控制，并且也没有采取细分技术对步进电机步距角进行细分。西安空军工程大学工程学院在控制发动机泵调节器油门开度的应用研究中，也将步进电机应用于其控制方案中，设计了步进电机控制泵调节的机械传动装置，实现了对步进电机的计算机控制，并进行了一系列的试验；但系统仍是开环控制。西北工业大学动力与能源学院针对喷气发动机数控技术系统需求设计了一种步进电机驱动燃油计量阀门的燃油计量装置，为防止步进电机的丢步，给设计设法使作用在计量阀门上的左右轴向力相互抵消，使旋转轴与密封盖端的端面摩擦力减小，有效地减少了步进机的旋转阻力距，步进电机虽然是在开环控制状态下，也能实现相对精确的运动。长沙航空职业技术学院毕业设计发动机燃油供油系统的设计与研究32燃油系统的构造2.1概述主燃油系统的功用是；用来供给，调节发动机在各工作状态和各工作条件下主燃烧室的供油量，以保证发动机各稳定工作状态下的转速，排气温度及发动机的加速、减少和起动性能正常。因此，主燃油系统的好坏，对发动机性能的充分发挥及安全可靠性地工作有重大的影响。2.2离心增压泵发动机工作时，为保证主泵和加力泵进口油压在235372KFa(2.43.8kgf/cm)范围内，在进口中设置了离心增压泵。（一）离心增压泵由离心式由离心式油泵、定压活门和放油开关三部分组成，如图53所示。她安装在附件机匣的右下方。离心式油泵由导流器、叶轮、封严皮碗、传动轴和壳体组成。导流器和叶轮通过传动轴由发动机高压转子带着旋转。壳体左端有进油孔，用导管与飞机消耗油箱连通。为防止燃油漏人附件机匣或滑油漏油进增压泵，传动轴上装有两个封严皮碗并在它之间设有漏油管，以便将漏油的燃油和滑油引入前漏油收集器，经导管排出机外。定压活门由活门、薄膜、弹簧、调整螺帽和壳体组成。壳体右端有油孔燃油滤；左端调整螺帽上有通气孔，使弹簧直接与发动机机舱相通。放油开关由弹簧、顶杆和圆盘形活门等组成。长沙航空职业技术学院毕业设计发动机燃油供油系统的设计与研究42.3燃油滤燃油滤的功用是过滤燃油中的杂质。燃油滤由外壳、过滤元件（纸质滤芯）和穿过过滤元件的紧固螺栓等组件，如图54所示。外壳上还装有放弃活门，供发动机油封和启动时使用。发动机工作时，从离心增压泵来的燃油先去滑油散热然后流到燃油滤周围，经滤芯过滤后，杂质留在滤芯的外面，滤尽的燃油进入滤芯中央，在经外壳的出油孔流出，供往主泵和加力泵。燃油滤在外场使用期内不清洗，他能保证安全工作。当发动机长期停放或大气温度有急剧变化时，油滤的结合面处容易漏油，开车前及试车中应注意检查。长沙航空职业技术学院毕业设计发动机燃油供油系统的设计与研究12.4柱塞式油泵柱塞式油泵的功用是；提高工作喷嘴的燃油压力，供给主燃油所需的燃油。柱塞式油泵由转子、柱塞、弹簧、斜盘、分油盘、盖子和壳体组成，如图56所示。油泵的青铜转子与钢制的的轴尾连成一体，其两端装有两个滚动轴承。转子上有九个柱孔，孔内装有弹簧。弹簧座和、柱塞；转子上还有斜孔，与右端的中央孔相连。，压装在油泵壳体内，上面有进油槽和出油槽，分别和油泵的进，出口相通。另外还有三个小孔：一个油泵进口通转子的进油斜孔；一个转子室通油泵进口的回油孔和一个卸油孔。长沙航空职业技术学院毕业设计发动机燃油供油系统的设计与研究6另外还有三个小孔：一个油泵进口通转子的进油斜孔；一个转子室通油泵进口的回油孔和一个卸呀孔。斜盘用两个固定销支撑在油泵壳体内，可绕固定销转动；斜盘上的滚珠止推轴承承受柱塞的作用力；斜盘上的耳环与随动活塞杆相连，斜盘角度由随动活塞位置决定，其最小、最大斜盘角度分别由盖子的最小角度限动钉和壳体上的最大斜盘角度限动钉限定。为了防止转子室内的燃油顺油泵转子轴尾漏人附件机匣，油泵盖子上装有封严装置。他由弹簧、弹簧座、密封垫片、密封胶圈和弧形垫片等组成，如图5-7所示。漏油孔相通，并接有漏油导管，将渗过封油装置的燃油排至机外。长沙航空职业技术学院毕业设计发动机燃油供油系统的设计与研究12.5分配器、燃油总管和工作喷嘴分配器的功用是：根据燃油压力的大小，控制主、辅燃油总管的入口油路（简称主、辅油路）打开的时机和大小，使小流量时工作喷嘴前有足够的油压，保证雾化良好；大流量是工作喷嘴前油压油不致过高，以免主燃油系统密封困难和油泵负荷过大。燃油总管（又称输油圈）由主燃油总管和辅助燃油总管组成，固定在燃烧室外套的前部如图518所示。他是连接主泵和工作喷嘴的附件。发动机工作时，燃油从分配器的主、辅油路流出，分别进入主燃油总管和辅助燃油总管，然后分配到各个工作喷嘴。图7-a分流隔板表面温度与供气温度的关系保持结构参数和其它供气参数不变,改变供气流量,得到分流隔板表面温度分布/前缘表面温度分布供气流量的关系。分别见图8a和图8b有图8c和图8b可知，隔板和前缘表面的表面温度随供气流量的增大而升高，呈线性变化关系。长沙航空职业技术学院毕业设计发动机燃油供油系统的设计与研究2分油衬筒、副喷嘴、主喷口、封严圈和垫圈，他们用拧在壳体上的喷嘴螺帽压紧，螺帽用锁圈锁住。主、副油路上都有使燃油旋转的切向槽、旋流室和喷空。每个喷嘴用两个螺钉固定在燃烧室外套上的喷嘴安装座中，喷嘴螺帽的外圆柱面插入火焰筒头部球体的内孔里，起支挂火焰筒的作用。发动机工作时，从燃油总管来的燃油，经工作喷嘴接头内的主、副油滤过滤后，在经分油衬筒流向主、副喷口上的切向槽，在旋流室内高速旋转，然后从喷孔呈雾状喷入火焰筒。由于离心式喷嘴采用了旋流室，使燃油从喷孔喷出时，不仅不同半经上燃油质点速度的方向和大小不同，使油珠互相撕裂、撞击厉害；而且因油膜厚度变小、喷射角度大，增大了油珠与空气的撞击面积，使油珠更容易碎裂，从而提高了燃油的雾化质量。3燃油系统的控制3.1传统的发动机机械液压式燃油系统燃油调节系统主要离心飞重、杠杆组件、1#弹簧、2#弹簧、摆杆、反馈薄膜、活门喷嘴、导杆泄流孔、导杆组件、导杆斜槽、11、3#弹簧、12、加速杠杆、13、4号弹簧、14、控制腔进油节流嘴等组成面温度较高，使表面温度高于规定值所需的供气流量较少或供气温度较低，均可以节约能源。表1中的数据说明在其它参数不变是，选用较小孔径得到的表面最低温度较高，隔板与前缘表面温差较小，对于防冰系统，只要表面温度略高于所要求的温度即可，由图9可知，选用孔径为21mm合适。长沙航空职业技术学院毕业设计发动机燃油供油系统的设计与研究3P为控制腔压力。该燃油调节系统的基本工作原理是通过调节发动机的燃2油流量Qt来控制发动机的高压压气机转速为希望转速：离心飞重感受发动机的高压压气机转速，以换算轴向力作用于杠杆组件上。杠杆组件上还用着转速调准弹簧力，它给定转速的希望值。当实际转速偏离希望值时，离心飞重的换算轴向力将与调准弹簧力之间将产生偏差力，从而造成摆杆的移动，摆杆的移动带的活门喷嘴的开度的变化，进一步改变控制腔压力P.控制腔压力P的变化22导致导杆组件的移动，这样将改变导杆斜槽的节流面积，从而使燃油流量QT发生变化燃油流量的变化将改变发动机的高压压气转速。当打洞机的高压压气机转速恢复到希望值后，离心飞重的换算轴向力和弹簧力达到平衡，调节过程结束。计算机仿真和发动机台架试车的结果表明：在系统的控制过程中，活门喷口出现了被完全关闭的情况:而导杆泄流也出现了被完全打开的情况。在这些因素的作用下，系统供给发动机的调节燃油也出现了最大变化受限的情况。当慢车稳态活门喷口开度位置偏大（小）时，也就是调节供油量大（小）于发动机需油量时系统会产生稳态误差：而活门喷口位置合适时，其稳定性又会降低。系统也存在响应慢，调节时间长，内泄漏较大等缺陷。显然，这种机械液压式的燃油控制器远远不能满足现代发动机对燃油控制系统的高要求。3.2新燃油系统的基本形式和特点分析发动机控制系统原理如图3所示长沙航空职业技术学院毕业设计发动机燃油供油系统的设计与研究4从图3可以看出，流量控制的主要环节是泵调节器。泵调节器需给燃油系统提供高压燃油，并在电子控制器的作用下按发动机动力需求提供燃油流量。泵调节器即是数控系统的执行机构。要求泵调节器的主要参数有:(1)供给燃油流量范围：20390kg/h(2)进口燃油压力：0.10.38Mpa:(3)出口燃油压力：8Mpa:(4)稳态控制精度：+-L/h泵调节器由燃油泵、燃油计量装置等组成。研制新的燃油系统的关键之一是要研制新的燃油计量装置。步进电机是将电脉冲信号转变为机械角位移或线位移的执行元件，输入脉冲信号与转角成线性关系，输出角位移无累计误差。在无信号输入的情况下具有自锁的功能。随着发动机对燃油系统控制精度要求的提高，在发动机数控系统中引进步进机作为高精度的执行元件十分必要。因此新的燃油计量装置的设计中，采用步进电机与计量油针刚性连接，燃油流量控制由电子控制器、燃油泵、步进电机和燃油计量油针等构成一个小闭环控制，其原理图见图4.计量油针中包括位置反馈LVDT、压差活门、增压活门、定压活门等。长沙航空职业技术学院毕业设计发动机燃油供油系统的设计与研究5由燃油流量控制原理图可见，电子控制器根据油门杆位子（）与油针位置之间的给定的关系调整油针位置，给定油针位置信号（h）与当前LVDT输出信号（L）叠加，得到偏差信号（ek）。偏差信号经过PID和放大处理后向步进电机发出一个脉冲电压控制信号，步进电机调节的计量油针的开度。计量油针的开度由与之刚性连接的LVDT线位移传感器测量，并反馈到比较环节与油针位置信号（h）长沙航空职业技术学院毕业设计发动机燃油供油系统的设计与研究11进行叠加。这样就形成了一个位置随动系统（即闭环控制），油门杆位置、油针位置与燃油流量具有一一对应关系：LQtQt=f()-(2,1)发动机起动时，数控系统根据油门杆位置与油针位置之间的给定关系（软件实现）给定一个起始供油量，保证发动机点火。然后增加供油量使发动机转速上推到慢车状态。发动机起动完成后在各状态之间转换时，数控系统根据油门杆位置与油针位置的给定关系控制供油量。3.3燃油系统的设计流程3.3.1建立数控执行机构的数学模型数控执行机构是电子控制对象，它的数学模型的正确与否，对发动机转速的控制精度影响极大。执行机构中最主要的原件是步进电机，计量油针等。建立它们的模型至关重要。用实验的方法对系统施加一定的实验信号，测量系统的输入和输出，并对这些输入输出数据进行分析和处理，初步确定系统的数学模型；再通过实验对假设的模型加以验证和修正，以求出能正确描述系统的数学模型。3.3.2计算机仿真用仿真软件对系统进行仿真，与实验进行对比，调整参数，检验执行机构模
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