Arriel1D1发动机燃油系统运行原理分析

王博鳌　明卉　李锐锐

摘要：本文首先简要介绍了Arriel1D1发动机的主要特点，其次对其燃油系统的主要组成及部件的工作原理做了阐述，最后就燃油系统的运行，从发动机开车到关车，在正常自动控制与应急手动控制情况下，分阶段分情况进行了分析。通过分析对运转、出现的各类情况有整体的认知，帮助维修人员对此发动机燃油系统有更深入立体的了解。

关键词：Arriel1D1；发动机燃油系统；燃油流量；转速

1 Arriel1D1发动机简介

Arriel系列发动机是自由涡轮式涡轴发动机，由法国赛峰旗下的透博梅卡公司自20世纪70年代初期开始逐代研发而来。Arriel1D1中的“Arriel”为发动机的名称，“1”分别为类型和型号，“D”为改型，目前已有20多个衍生型号。Arriel1D1发动机被用在AS350B2“松鼠”直升机上，该直升机是原法国宇航公司（现欧洲直升机公司）研制的六座轻型多用途直升机。

Arriel1D1发动机的功率相对较高，燃油消耗率较低，大修间隔时间较长，因此这是一台功率充足、经济性比较好且可靠性较高的发动机。它由五个单元体构成：单元体为传动轴和附件齿轮箱、轴流压气机、燃气发生器高压段、动力涡轮、减速齿轮箱。单元体模块化的设计可以减少维护成本与停场维修时间，对航空发动机来说，在当时是一种比较新颖的设计理念。

2 Arriel1D1发动机燃油系统简介

Arriel1D1发动机燃油系统确保了发动机的供油、喷油，燃油控制、分配和计量。该发动机的燃油系统由直升机燃油系统供油，利用起动喷嘴和甩油盘喷油，通过液压机械式控制设备和计量设备实现燃油控制，可实现自动控制或者手动控制，手动控制可在自动控制失效之后的应急状态下，作为备用控制方式确保发动机正常运行。其主要由四大部件组成：燃油控制组件、起动活门组件、喷油组件、关车放油组件和燃烧室放油组件，如图1所示。

2.1 燃油控制组件

燃油控制组件由燃油泵组件、燃油滤组件和计量组件构成，它需要提供适当的燃油流量来让发动机功率与直升机旋翼负载相匹配。

燃油泵组件由压力泵和释压活门组成。如图2所示，压力泵是一个由主动齿轮和从动齿轮构成的正齿齿轮泵，主动齿轮由附件齿轮箱驱动，两个唇封之间有一个放油口以防止燃油进入附件齿轮箱。压力泵接收来自直升机低压燃油系统的燃油，燃油通过压力泵吸入并增压后以特定的压力排出。在正常情况下，释压活门是一个由压簧关闭的锥形活门，一旦泵的出口压力超過3300kPa（478.5PSI），释压活门就会打开并使燃油返回到燃油泵进口以限制下游系统中的最大压力，防止过压导致系统故障。

燃油滤组件包括油滤组件、旁通活门和目视预堵塞指示器。油滤组件又由一个滤芯和两个O型封严圈组成，滤芯用来过滤燃油中的杂质，O型封严圈用来确保滤芯和油滤壳体之间的封严。目视预堵塞指示器是一个差动目视指示器，它包括一个红色的指示销，当燃油滤堵塞致使压差超过设定值时指示销会弹出在透明盖中，被维护人员看到。另外，当滤子进口和出口的压差超过旁通活门设定值时，旁通活门会打开保证正常供油。燃油滤组件位于燃油泵组件和计量组件之间，防止外来物损伤精密的燃油计量组件，或堵塞燃油喷嘴。

计量组件的主要部件为等压差ΔP活门和计量油针，通过改变计量油针在校准孔中的位置来改变输出的燃油流量，而等压差ΔP活门可以维持计量油针两侧的压差恒定，使得喷入燃烧室的燃油流量只受计量油针控制。

2.2 起动活门组件

起动活门组件由起动喷嘴电磁阀、P2球形活门、再喷油抑制压力开关和起动放油活门组成，该组件位于燃烧室机匣的上部。如图3所示，起动喷嘴电磁阀在起动过程中通电的情况下打开，确保燃油被分配到两个起动喷嘴，并且在起动结束后开始通气。P2球形活门使得在发动机成功起动之后通P2气，以防止残余的燃油形成积碳阻塞喷嘴。再喷油抑制开关在完成起动后，万一误触起动按钮的话防止起动喷嘴再喷油，在P2压力达到一个定值时再喷油抑制开关就会断开电磁阀的供电。在起动初始阶段，直升机燃油系统提供的燃油通过单向活门到达起动放油活门，起动放油活门打开会将燃油返回燃油箱，其目的是排出系统中可能存在的空气，防止形成气塞堵塞油路。

2.3 喷油组件

喷油组件由进油组件、供油管、分配器和带喷嘴的离心甩油盘构成，其功能是实现径向喷油，将燃油喷入燃烧室以提供稳定高效的燃烧。喷油组件安装在发动机的燃烧室内部，其中进油组件安装于压气机机匣的下右前方面板上，供油管连接进油组件和燃油分配器，分配器用螺栓安装于扩压器后侧板上，甩油盘安装在离心压气机和涡轮轴之间。

2.4 关车放油组件

关车放油组件包括一个关车放油活门和一个增压活门，位于燃烧室机匣的左下部位。增压活门是为了确保在起动阶段燃油优先提供给起动喷嘴，在发动机转速较高后再供油给甩油盘。而关车放油活门是为了在发动机关车后排净甩油盘中的残余燃油以防止积碳。

2.5 燃烧室放油组件

燃烧室放油组件是为了将燃烧室中未燃烧的燃油排出以防止形成积碳，它安装在发动机涡轮机匣的下部。它的主要部件是燃烧室放油活门，该活门为半球形活门，发动机起动后燃烧室压力增大，此压力作用于活门上部并使之向下移动，从而关闭活门，大约在40%N1转速时关闭，放油结束；当发动机关车后，活门通过拉簧打开，燃烧室中未燃烧的燃油通过放油活门排放，以确保燃烧室中没有残积燃油。

3 Arriel1D1发动机燃油系统运行分析

Arriel1D1发动机燃油系统在发动机运行的全过程中扮演着极其重要的角色，接下来我们对整个燃油系统的运行，从发动机开车到关车，正常自动控制与应急手动控制情况下，分阶段分情况进行分析。

3.1 自循环排气阶段

在发动机起动前，燃油箱至发动机的管路中难免会有空气，这些空气容易引起气塞现象，而气塞会让燃油系统的运行不稳定，因此就需要在起动前将空气排出。

发动机燃油泵是由附件齿轮箱来驱动的，发动机未工作时发动机燃油泵也无法给燃油增压，所以它的下游没有压力。油箱内的电动增压泵接通后，经它增压过的燃油绕过发动机燃油泵，流经单向活门至起动放油活门。因为发动机燃油泵的下游没有压力，所以起动放油活门的膜盒在增压泵的作用下向下移动，起动放油活门中的燃油就会自循环返回至燃油箱，这样就实现了发动机起动前燃油管路的排气。

3.2 N1转速小于45%的起动阶段

发动机起动时起动附件开始供电，发动机燃油泵开始运转，在增压活门的作用下将燃油优先提供给起动燃油喷嘴。同时火花塞被供电，点燃起动喷嘴喷出的燃油。然后随着发动机转速的增大，发动机燃油泵出口压力增大，打开增压活门后为离心甩油盘供油。起动喷嘴位置的火焰点燃甩油盘甩出的燃油。通过油门杆可以控制燃油流量，当N1转速达到45%时，起动附件的供电因为松开起动按钮而断开，起动电磁阀切断起动喷嘴的供油油路，来自压气机的P2气因而可以顶开球形活门，并通入起动燃油喷嘴以避免积碳堵塞燃油喷嘴。此时，只通过离心甩油盘给燃烧室供油。

3.3 N1转速大于52%的起动阶段

发动机继续加速至52%N1转速时，在P2气压力的作用下再喷油抑制压力开关会切断起动电磁阀的供电，以防止飞行员意外触动起动按钮再喷油。这时候如果再喷油会造成燃烧室富油，可能导致发动机熄火。油门杆逐渐移动至飞行位的过程中，逐渐打开的主燃油活门会加速发动机直到液压机械控制开始接管。

3.4 自动控制

发动机在加速至52%N1转速之后，就会进入自动控制阶段，由液压机械控制来完成对燃油流量的控制。涡轴发动机有两大主要部件：燃气发生器和动力涡轮。动力涡轮用于驱动负载装置（直升机旋翼和尾桨系统），其主要作用是保持转速恒定，进而实现旋翼产生的升力只受桨矩的变化来控制。燃气发生器转速越大，产生的燃气就越多，动力涡轮吸收的能量就越多。而燃气发生器提供的燃气和燃油流量的大小密切相关，因此就需要液压机械控制来计量燃油流量的大小，以按旋翼负载的需求来匹配发动机的功率，从而维持动力涡轮和旋翼转速恒定。

液压机械控制的原理在于，将来自动力涡轮的转速信号转化为燃油流量的调制信号，系统通过控制燃油计量油针的位置来控制燃油流量大小。在发动机加速时会增大燃油流量，为避免加速时供油量增加得太快导致燃气发生器喘振，需要加速控制器在加速过程中适当控制燃油量的增加过程；在发动机减速时会减小燃油流量，为避免供油量减小得过快导致燃烧室熄火，需要减速控制器在减速过程中适当控制燃油量的减小过程。

燃气发生器和动力涡轮分别是靠燃气发生器调速器和动力涡轮调速器进行转速控制的。动力涡轮调速器根据旋翼负载的变化确定一个相应的燃气发生器转速（简称Ng）调节信号，并将信号传递给燃气发生器调速器，使之据此信号调节Ng，以保持动力涡轮转速（简称Nft）不变。而燃气发生器调速器能比较动力涡轮调速器传递来的Ng调节信号和当时实际的Ng，然后调节燃油流量使Ng達到所需要的值，从而保持Nft不变。

3.4.1 动力涡轮调速器调节分析

动力涡轮调速器调节的基本原理是根据负载变化建立一个调制压力，从而通过放大器确定一个燃气涡轮转速调节信号。燃油调节器的定压活门提供基准压力燃油，它一方面经节流嘴进入调制腔，另一方面作用于放大器活塞左边，调制腔内的压力取决于放大器活塞上的分压器喷嘴的回油量，即挡板活门位置，而挡板活门位置则由离心飞重和预调器凸轮的位置决定。

预调器与直升机总距杆是联动的，总距改变时预调器通过凸轮改变弹簧的压缩量。离心飞重随动力涡轮传动轴旋转，产生的离心力与弹簧弹力平衡。在稳定状态下，挡板活门的位置一定，调制腔内的调制压力稳定不变，放大器活塞右边作用着调制压力，而左边作用着基准压力，因此活塞处于平衡状态。它决定了比例杠杆的一个位置，也就是决定了燃气发生器转速。

当负载变化时，由于预调器凸轮改变了弹簧弹力或离心飞重组件改变了离心力，原来的平衡状态被打破，挡板活门位置改变，调制压力改变，放大器活塞移动，确定一个新的燃气发生器调节信号，通过比例杠杆传递给燃气发生器调速器，经燃气发生器调速器调节计量燃油流量从而得到一个新的燃气发生器转速，使之适应负载变化，动力涡轮转速会重新稳定在额定转速。

3.4.2 燃气发生器调速器调节分析

燃气发生器调速器的调节原理在于将自由涡轮调速器传递来的Ng调节信号转化为调制压力，通过工作活塞控制计量油针位置来控制燃油流量。同步活塞和同步节流嘴起液压阻尼作用。从定压活门来的基准压力燃油，经节流嘴进入调制腔，腔内的调制压力决定于分压器喷嘴回油量即挡板活门位置，挡板活门位置又取决于感受Ng调节信号的弹簧弹力和离心飞重的离心力。稳态时，这两个力互相平衡，挡板活门稳定在平衡位置不动，调制压力也稳定不变，工作活塞也处于稳定状态。

当感受到Ng调节信号（比例杠杆位置）有变化时，弹簧力改变，原来的平衡状态被打破，挡板活门移动，调制压力改变，工作活塞和计量油针位置随之改变，因计量活门燃油流量只与计量油针位置有关，故燃油流量也相应改变，从而获得能满足调节信号要求的Ng值，去适应负载变化而保持Nft不变。

3.5 手动应急控制

手动应急控制是在液压机械控制失效，不能正常控制燃油流量的情况下，作为备份控制，通过手动操纵来实现对燃油流量的控制。手动操纵包括的部件有油门杆、总距杆和燃油控制组件。

当发现燃油流量异常小的情况时，可手动将油门杆推至应急范围来增大燃油流量。这时应急燃油活门打开，燃油不经过燃油计量活门，而是从旁通油路进入发动机。此时甩油盘总的燃油流量就是计量活门的流量与应急活门的流量之和。当发现燃油流量异常大时，可将油门杆收回到正常飞行位置以下，关小主燃油活门来限制燃油流量。

3.6 发动机关车阶段

发动机关车时，油门杆会被移至最后的关车位置，以关断主燃油活门使燃油切断，主燃油活门下游的燃油压力为零。此时发动机还在运转中，燃油泵下游主燃油活门上游位置的燃油压力不变，因而关车放油活门向下移动，离心甩油盘的供油油路被切断的同时与连接至燃油箱的放油管连通。在燃烧室残余气压的作用下，离心甩油盘中残余的燃油会被反吹至燃油箱，以防止残余的燃油在燃烧室高温余温的作用下形成积碳，堵塞甩油盘。

结语

本文简要介绍了Arriel1D1发动机的主要特点，参考Arriel1发动机培训手册阐述了其燃油系统主要组成部件的工作原理，并且着重分析了其燃油系统的运行原理。希望能借本文分享自己的浅知拙见，与航空发动机从业人员交流。

参考文献：

［1］包显君.基于故障树方法的ARRIEL系列发动机熄火故障分析［C］//中国航空学会.探索 创新 交流——第六届中国航空学会青年科技论坛文集（下册）.航空工业出版社，2014：6.

［2］朱桐斌.基于功率裕度的ARRIEL 2S系列发动机全寿命性能分析与研究［D］.厦门大学，2017.

作者简介：王博鳌（1991—），男，吉林公主岭人，硕士研究生，研究方向：民航机务维修技术。