燃气涡轮发动机(第二版)第6章

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1、燃气涡轮发动机（第二版 ）,第6章 燃油及控制系统,飞机的不同飞行阶段（滑跑、起飞、爬升、巡航、下 降、进近、复飞等）需要不同的推力（或功率），对应着发动机不同的工作状态，也就是说供给发动机不同的燃油量。 动力装置在地面和空中有其安全工作范围。发动机控制应该避免发动机工作中出现超温、超转、喘振、贫油或富油熄火、超压、和超扭。 燃油系统的功用： 是在各个工作状态下将清洁的、无蒸汽的、经过增压的、计量好的燃油供给发动机。,6.1 燃油分配系统,6.1.1 燃油的规格、添加剂及安全措施,航空燃油及添加剂 燃气涡轮发动机燃油是液体的碳氢化合物，象掺和汽油的煤油。掺和汽油减少煤油燃料在高空太黏的趋势。地

2、面动力装置没有遇到这个问题。通过在燃气涡轮发动机燃料燃烧形成的氧化物大多数是气体。保持固体颗粒为最低是选择喷气燃料的另一个质量要求，固体颗粒能够冲击涡轮叶片和导向器，引起腐蚀。 在商用和通用航空中最常用的喷气燃料有： Jet-A： 重煤油基燃料，闪点110-150，凝固点-40，18 600Btu/lb（英制热量单位）（约为19600千焦）；类似于海军JP-5燃油。 Jet-A1：除了凝固点-58外同Jet-A一样。类似于北约带添加剂的JP-8燃油。 Jet-B： 重汽油基燃料，闪点0，凝固点-76，18 400Btu/lb （约为19400千焦） ；类似于军用JP-4燃油。 Jet-A，Je

3、t-A1和Jet-B是主要的商用燃油，对于大多数燃气涡轮发动机使用是可互换的。军用JP-4和JP-5常适于作备用燃油。,燃油添加剂是加入到燃油中的一种化合物，其量很少。它能改进和提高燃油品质。在各种等级燃油中允许加入多少是由适当的规则进行严格控制的。 防氧化剂：防止在燃油系统的元件上形成由于燃油氧化而产生的胶质沉淀，同时也防止在喷出燃油中形成过氧化物。 抗静电剂：消除由于燃油在高速传输过程中产生静电的有害影响。 抗腐剂：保护燃油系统中的含铁金属，防止腐蚀，如管道和油箱。有些抗腐剂可提高喷出燃油的润滑性。 燃油防冰剂：降低由于高空低温导致从燃油中析出的水分的冰点，并防止形成冰晶。这些冰晶将阻碍发

4、动机中燃油流动。这种添加剂不会影响燃油本身的冰点。 金属钝化剂：降低一些金属，尤其是铜对燃油氧化的催化作用。,燃油系统的供油过程: 发动机燃油系统是由飞机燃油系统将燃油供到发动机的燃油泵开始，一直到燃油从燃烧室喷嘴喷出，这中间除燃油泵外还有燃油加热器、燃油滤、燃油控制器、燃油流量计、分配活门或增压和泄油活门，燃油总管、燃油喷嘴,6.1.2 燃油分配系统的工作,低压系统,高压燃油系统,燃油泵 燃油泵：负责供油和增压，常常包括增压级和主级。 增压的目的：燃油喷咀工作的需要；提供伺服燃油。 增压级也叫低压泵，给主级进口提供所需的流量和压 力，可由离心泵或齿轮泵完成；主级也叫高压泵，提 供燃油系统所需

5、的最终压力，通常由齿轮泵完成。 分类：容积式泵和叶轮式泵,2. 燃油滤,原理图,滤芯,燃油加热器,空气-燃油加热器,燃油流量传感器 涡轮流量传感器：通过测量传感器中涡轮转速来间接测量流体流量,燃油喷嘴 燃油喷嘴 燃油燃烧过程要经过雾化、蒸发、混合、燃烧。燃油喷嘴可分为雾化型和汽化型（蒸发管）。 燃油喷嘴是燃油系统的最终部件，其基本功能是执行燃油雾化或汽化的任务，以保证燃油快速燃烧。 燃油喷嘴的另一种空气喷雾原理，使用高速的空气取代高速的燃油来进行雾化，它可以在低的燃油流量下使燃油雾化。 燃油雾化。 雾化型喷嘴已发展成5个不同的品种，即单油路喷嘴，可调进口喷嘴，双油路喷嘴，溢流式和空气雾化式喷嘴

6、。,燃油雾化的各个阶段,单油路喷嘴 ：它有一个内腔，使燃油产生漩涡，还有一个固定面积的雾化孔。这种燃油喷嘴，在较高的燃油流量，即在较高的燃油压力时，能提供良好的雾化质量,单油路和可调进口喷嘴,双油路喷嘴：有初级和主燃油总管和有两个独立的孔，一个孔比另一个孔小很多。较小的孔处理较低燃油流量，较大的孔随着燃油压力的增加供应较高的燃油流量。这种类型喷嘴采用增压活门将燃油分配到不同的总管。随燃油流量和压力增加，增压活门移动，逐渐使燃油进入主燃油总管和主油孔。这给出组合的两个总管供油。 与单油路相比，在相同的最大燃油压力下，双油路喷嘴能够在较宽的流量范围内实现有效雾化。而且在高空条件下如果要求低燃油流量

7、时，也可获得有效的雾化。 对于一个供油总管的采用双油路喷嘴的情况，在喷嘴内有流量分配器，低流量时喷嘴中心孔喷油，流量大时，燃油压力打开流量分配器，喷嘴中心孔和外圆孔一起喷油。,空气雾化喷嘴： 使喷射的燃油携带一部分燃烧室的一股空气。 优点： 可以避免局部富油。减少了积碳的形成。减少排气冒烟。 燃油雾化要求的压力低。 采用重量较轻的齿轮泵,蒸发管 是指燃油在蒸发管内汽化并与空气混合，燃烧稳定，但启动时仍然需要雾化喷嘴。 为防止停车后，燃油在重力作用下从喷咀滴出并形成积炭，在喷咀内通常有单向活门，在停车关断燃油后，总管压力降低，单向活门关闭,6.2 燃油控制系统,6.2.1 燃油控制系统的工作原理

8、、功用及控制方法分类 发动机控制按控制功能分 : 稳态控制：是指在人工指令不变的情况下，对外界干扰引起的发动机工作状态变化，发动机控制能消除干扰的影响，保持既定的发动机稳定工作点不变的控制功能。如恒速控制。 过渡控制（瞬态工作）：在人工指令改变的情况下，发动机控制能按指令的要求，控制发动机从原有工作状态，平稳、快速、准确地过渡到所选定的新的工作状态。如：启动停车、加速、减速、反推等。 安全限制：指发动机在各种工作状态和全部的飞行条件下，保证发动机主要参数不超出安全范围，即不超出允许的限制。如发动机控制装置能确保发动机在任何情况下，不超温、不超转、不喘振、不熄火、不超压、不超扭等。,发动机控制按

9、可控变量分 根据可控变量的不同：发动机控制分为燃油流量控制和几何控制。 燃油流量控制：以燃油流量，即供油量为可控变量，控制发动机的转速、压力比（），以控制发动机的推力为目的。 几何控制：以发动机的某些几何参数为可控变量，通过控制和调节，以保证发动机稳定和提高发动机性能等内容为控制目的。如：可调静子叶片，可调放气活门或放气带，涡轮间隙，螺旋桨桨叶角、可调进气道，可调面积（或方向）喷管等。 发动机控制按控制原理分 开环控制系统 闭环控制系统 复合控制系统,开环控制 控制装置和被控对象同时感受外界干扰，改变可控变量，补偿干扰量 引起的被控参数变化，按补偿原理工作 优点：及时、稳定。 缺点：不能补偿所

10、有干扰，精度差。,开环控制实例： 飞行高度增加进入发动机的空气流量减少（若不补偿则会引起发动机转速升高）膜盒膨胀档板活门的开度增大随动活塞上移柱塞泵的斜盘角变小供油量减少保持转速不变。,开环控制主要元件 敏感元件为膜盒，感受进气总压; 进气总压是飞行高度和飞行马赫数的函数; 油门杆为指令机构，通过传动臂，齿轮，齿套等来改变调准弹簧力，确定转速的给定值; 放大元件为档板活门，档板通过与膜盒相连的杠杆的作用来改变其开度; 执行元件为随动活塞, 它控制柱塞泵斜盘的角度，从而改变供油量; 供油元件为柱塞泵。,闭环控制系统 闭环控制： 控制装置与被控对象之间既有顺向作用 又有反向联系的控制过程。 特点：

11、 对元件的精度要求低而调节的准确度高； 调节不及时，使系统经常处于有偏差状态下工作; 易引起过调和振荡。 闭环控制 被控对象的输出n即为控制装置的输入n ，控制装置的输出qm,f即为被控对象的输入qm,f，整个控制系统形成一个闭合的回路。按偏离原理工作。 优点:精度高，不仅对外界干扰而且对内部部件性能退化所造成的被控参数变化也能修正。 缺点：不及时。,闭环控制实例： 稳态工作时：发动机稳定工作时，发动机的转速和给定值相等，分油活门处于中立位置，控制器各部分都处于相对静止状态。 干扰引起偏离时（动态）：飞行高度增加空气流量减少涡轮功大于压气机功转速增加离心力变大分油活门上移随动活塞下移柱塞泵斜盘

12、角变小供油量减少转速回落，恢复到给定值。,闭环控制主要元件 敏感元件是离心飞重，其功用是感受发动机的实际转速; 指令机构是油门杆，它通过传动臂，齿轮，齿套等来改变调准弹簧力，确定转速的给定值; 推力杆经钢索，连杆联到燃油控制器上的功率杆。 放大元件是分油活门，分油活门的位置由离心飞重的轴向力与指令机构给定的调准弹簧力比较后的差值决定; 执行元件是随动活塞; 它控制滑油路的走向，改变斜盘角度； 供油元件是燃油泵。控制柱塞泵斜盘的角度，从而改变供油量。,复合控制系统 特点： 调节及时、准确； 控制器的结构复杂； 容易引起过调和振荡。 复合控制 开、闭环控制的结合，兼有二者优点，精度高，及时、稳定；

13、能补偿所有干扰；弥补各自的缺点。,发动机控制系统分类: 液压机械式 监控型电子式 全功能数字电子式,6.2.2 液压机械式燃油系统 液压机械式控制器 计算是由凸轮、杠杆、滚轮、弹簧、活门等机械元件组合实现的，由液压油源作为伺服油（控制油） 燃油控制器 功用 感受各种参数，按照驾驶员的要求，向燃烧室供应足够的燃油，使发动机产生需要的推力 控制器按照预先确定的供油计划，作为油门杆角度、压气机出口压力、压气机进口温度和发动机转速的函数调节供油量。 组成 计量系统 计算系统,计量系统 功用 按照驾驶员要求的推力，根据发动机的工作状态和飞机的飞行状态，在发动机的工作限制之内，依据计算系统计算的流量向燃烧

14、室供应燃油 组成 粗油滤和细油滤、计量活门、压力调节活门、最小压力和切断活门、风车旁路和停车活门、自动储备推力和环境压力伺服等部件。 实现方法 由压力调节活门用来感受计量活门进、出口的压力，保持压差不变，使供油量只与计量活门的流通面积有关 影响供油量调节的因素：由流量公式可知，流量取决于计量活门的节流面积和前后压差。流量与面积成正比，与压差的平方根成正比。 在压力调节活门内，装有双金属式的温度敏感元件，作为温度补偿器，补偿燃油温度变化对供油量的影响。 压力调节活门上的压差调整钉兼做燃油密度选择器，即燃油比重调整。,计算系统 功用 感受各种参数，在发动机所有工作阶段控制计量部分的输出 感受参数有

15、发动机转速，压气机出口总压，压气机出口总温，压气机进口总温，油门杆角度等 组成 计算系统由压气机出口压力传感器、压气机出口压力限制器、转速调节器、压气机进口温度传感器及操纵机构等组成,民航发动机常用的燃油控制器的共同特点概括如下： 1同燃油控制器联用的燃油泵通常有齿轮泵（包括增压级和主级）、柱塞泵和叶片泵。 柱塞泵可按需油量向燃烧室供油； 齿轮泵、叶片泵则要求燃油控制器将超出需要的燃油返回油泵进口。 2控制器一般分为计量部分和计算部分。 计算部分感受各种参数，在发动机的所有工作阶段控制计量部分的输出。 计量部分按照驾驶员要求的推力（或功率），在发动机工作限制之内，依据计算系统计划的燃油流量供往

16、发动机喷嘴。,3改变燃油流量一般通过改变计量活门的流通面积和/或计量活门前、后压差实现。 相当多的燃油控制器，利用压力调节活门（压差活门）保持计量活门前、后压差不变，通过改变计量活门的通油面积改变供油量。 为了补偿燃油温度的影响，常在压力调节活门内装有温度补偿器。压差调整钉兼做燃油密度选择器。 4转速调节器通常是比例式的，采用刚性反馈，实施闭环转速控制。 5一些燃油控制器采用三维凸轮作为计算元件，由凸轮型面给出加速（或许还有减速、稳态）的供油计划。三维凸轮感受一个参数移动，感受另一个参数转动。凸轮型面上每一点即代表该组参数下，不发生喘振、超温、熄火的允许值 6最小压力及燃油关断活门：发动机工作时，起增压活门作用，即控制离开控制器的最低计量燃油压力，使喷嘴雾化模型良好并保证控制器内伺服机构正常工作所需的最低压力；发动机停车时，活门关闭，切断供油。 。,7风车旁路活门及油泵卸荷活门：发动机工作时，风车旁路活门关闭（不卸荷），油泵后燃油压力上升，打开最小压力活门向燃油总管供