隨著民航業(yè)運輸要求的提高，飛機正朝著更快飛行速度、更大發(fā)動機推力的方向發(fā)展。在新時代工業(yè)強國的背景下，《中國制造2025》規(guī)劃提出把航空發(fā)動機作為未來10年的重要突破目標。在實際工作中，由于飛機面臨不同的飛行狀態(tài)和環(huán)境對發(fā)動機的工作條件會有不同的動力要求，因此對發(fā)動機的性能提出了特殊的要求。燃油管路系統(tǒng)是航空發(fā)動機的重要組成部分之一，其主要功能是向燃燒室和飛控系統(tǒng)穩(wěn)定輸送燃油，燃油溫度影響著航空發(fā)動機的性能。燃油在管路流動過程中一方面吸收來自燃油泵、熱交換器等部件運行時產(chǎn)生的熱量，一方面與外界環(huán)境發(fā)生熱交換，在飛機起飛后發(fā)動機需要保持在高溫、高壓和高負荷的工況下長期運轉(zhuǎn)，當系統(tǒng)中燃油溫度過高時，易發(fā)生氧化、結(jié)焦造成燃油泵卡滯及管道堵塞等問題，影響發(fā)動機正常工作，并且，燃油超過140℃就會有氧化結(jié)焦的風險，進而帶來連鎖危害。

航空發(fā)動機燃油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前對系統(tǒng)溫度特性的研究主要集中在燃油系統(tǒng)中單一節(jié)點或流程的作用，而燃油系統(tǒng)的運行受多因素的共同影響，對整體燃油系統(tǒng)某一元件變化經(jīng)多個環(huán)節(jié)多級影響后鮮有噴嘴處的溫度特性變化規(guī)律以及對影響程度指數(shù)的研究。本文將系統(tǒng)探討航空發(fā)動機燃油管路系統(tǒng)的溫度特性，從工作原理到模擬構(gòu)建，從部件影響機制到系統(tǒng)仿真分析，提供全面而深入的技術(shù)洞察。

一、燃油管路系統(tǒng)工作原理與結(jié)構(gòu)組成

航空發(fā)動機燃油管路系統(tǒng)是一個由多子系統(tǒng)構(gòu)成的精密流體機械網(wǎng)絡(luò)。其核心功能是在各種飛行工況下，向發(fā)動機燃燒室穩(wěn)定、精確地提供所需質(zhì)量和流量的燃油。某型航空發(fā)動機燃油管路系統(tǒng)主要由低壓離心泵、燃/滑油熱交換器、高壓齒輪泵、燃油計量活門、回油管路、燃油噴嘴以及各類燃油控制閥組成。系統(tǒng)中的控制機構(gòu)主要包括實現(xiàn)機械控制的壓差活門、轉(zhuǎn)換活門和控制計量活門的電液伺服閥等部件。

系統(tǒng)工作時，燃油從油箱經(jīng)供油管路到達發(fā)動機，首先經(jīng)過低壓離心泵進行初步增壓，然后流經(jīng)燃/滑油熱交換器，與高溫滑油發(fā)生熱交換吸收熱量。隨后，燃油通過燃油濾芯過濾掉其中的微小雜質(zhì)，防止磨損精密部件。過濾后的燃油通過管路流經(jīng)主齒輪泵，經(jīng)過主齒輪泵進一步增壓至工作壓力（現(xiàn)代航空發(fā)動機燃油壓力可達34.5MPa以上）后，根據(jù)飛機控制器的指令，由燃油計量元件定量提供燃油到噴嘴處。多余燃油則經(jīng)回油管路回到低壓離心泵附近，重新進入系統(tǒng)管路循環(huán)。

在整個燃油流動過程中，燃油溫度在噴嘴處達到峰值。這是因為燃油在流動過程中不斷吸收來自燃油泵、熱交換器等部件運行時產(chǎn)生的熱量，同時與外界環(huán)境發(fā)生熱交換。當飛機起飛后，發(fā)動機需要保持在高溫、高壓和高負荷的工況下長期運轉(zhuǎn)，系統(tǒng)中燃油溫度過高時（超過140℃），易發(fā)生氧化、結(jié)焦現(xiàn)象，造成燃油泵卡滯及管道堵塞等問題，嚴重影響發(fā)動機正常工作。

航空發(fā)動機燃油系統(tǒng)面臨的核心挑戰(zhàn)是在極端環(huán)境條件下保持穩(wěn)定的燃油溫度。在冷啟動條件下，系統(tǒng)通過智能溫控閥建立正常油壓；而在高溫環(huán)境下，則依賴燃油-滑油熱交換器和燃油冷卻循環(huán)技術(shù)控制油溫，確保燃燒效率。湖南泰德航空技術(shù)有限公司針對這一挑戰(zhàn)，研發(fā)了具有超高壓流體控制能力的電動離心+燃油組合泵，集成同步電機與動態(tài)功率分配系統(tǒng)，通過模糊邏輯算法實時調(diào)整兩泵工作比例，在典型飛行任務(wù)中節(jié)能20%-30%，并有效解決高空氣蝕問題。

二、燃油管路模擬系統(tǒng)構(gòu)建與方法

針對航空發(fā)動機燃油管路系統(tǒng)溫度特性的研究，仿真模擬已成為不可或缺的技術(shù)手段。AMESim作為多學科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真平臺，憑借其強大的應(yīng)用庫和計算設(shè)計能力，在航空航天、汽車、液壓等許多工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。采用AMESim搭建航空發(fā)動機燃油系統(tǒng)仿真模型，能夠充分考慮系統(tǒng)各元件的相互作用，全面分析溫度特性的變化規(guī)律。

2.1 建?；A(chǔ)與假設(shè)

在構(gòu)建燃油管路模擬系統(tǒng)時，需要基于以下合理假設(shè)以確保模型的可行性和準確性：

將燃油視為不可壓縮流體，雖然燃油實際上具有一定壓縮性，但在系統(tǒng)工作壓力下這一假設(shè)對溫度分析影響有限；

忽略重力因素影響，因發(fā)動機燃油系統(tǒng)主要以壓力驅(qū)動流動；

假設(shè)燃油的熱物理參數(shù)不隨溫度變化，盡管實際工作中燃油物性會隨溫度略有變化，但在研究溫度范圍不大時可接受此假設(shè)；

假定系統(tǒng)元件機械能損失的能量全部被燃油吸收，這一假設(shè)簡化了能量守恒的計算過程。

2.2 系統(tǒng)建模與參數(shù)設(shè)置

根據(jù)航空發(fā)動機燃油系統(tǒng)原理以及元件理論模型，利用AMESim搭建系統(tǒng)仿真模型。建模過程中，需要特別關(guān)注燃油進入燃燒室之前噴嘴處的溫度，因為這是整個燃油管路系統(tǒng)中溫度最高的位置，也是保證燃油系統(tǒng)安全運行的關(guān)鍵監(jiān)測點。

參考飛機在實際運行過程中的工況參數(shù)，航空燃油選擇RP-3噴氣燃料，滑油選擇4050滑油，并在初步模型中可以設(shè)定其物性參數(shù)不變。根據(jù)調(diào)研得到的飛機實際運行情況為參考，設(shè)置系統(tǒng)進口溫度、燃油泵相關(guān)參數(shù)、熱交換器參數(shù)等模擬系統(tǒng)參數(shù)。

研究的主要因素包括：系統(tǒng)入口溫度、滑油溫度、泵轉(zhuǎn)速、泵效率、回油管路、外界環(huán)境。所有這些因素的最終影響都集中體現(xiàn)在燃油進入燃燒室之前噴嘴處的溫度變化上。

三、關(guān)鍵部件對燃油系統(tǒng)溫度的影響機制

航空發(fā)動機燃油管路系統(tǒng)的溫度特性受多個關(guān)鍵部件影響，這些部件通過不同的物理機制改變?nèi)加偷臒釥顟B(tài)。深入理解各部件對燃油溫度的影響機制，對于系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計至關(guān)重要。

3.1 燃油泵的溫度影響機制

燃油泵作為燃油管路系統(tǒng)的動力來源，其對燃油溫度的影響主要表現(xiàn)為機械能轉(zhuǎn)化為熱能的過程。根據(jù)研究數(shù)據(jù)，在高壓泵轉(zhuǎn)速分別為400r/min和1600r/min時，高壓油泵出口溫度增加幅度分別約為4.5℃和23.3℃。這一明顯的溫升主要來源于兩部分：一是燃油泵內(nèi)機械摩擦產(chǎn)生的熱量，二是燃油在泵內(nèi)壓縮過程中產(chǎn)生的熱量。

燃油泵對燃油的溫升效應(yīng)與泵的工作效率密切相關(guān)。效率較低的燃油泵會將更多的機械能轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致燃油溫度顯著升高；而高效燃油泵則能將更多能量用于提升燃油壓力，減少熱量產(chǎn)生。湖南泰德航空技術(shù)有限公司針對這一問題，研發(fā)了創(chuàng)新的電動燃油泵，通過特殊的表面處理工藝，使摩擦副在超高壓下仍保持潤滑，顯著提升了耐久性，同時降低了因摩擦產(chǎn)生的溫升。

此外，燃油泵的轉(zhuǎn)速變化也直接影響燃油溫度。隨著泵轉(zhuǎn)速的提高，燃油在泵內(nèi)的流動速度加快，摩擦和剪切作用增強，同時壓縮過程也更加劇烈，這些都會導(dǎo)致燃油溫度上升。因此，在航空發(fā)動機不同工作狀態(tài)下，通過合理控制燃油泵的轉(zhuǎn)速，可以有效管理燃油系統(tǒng)的溫度。

3.2 回油管路的溫度影響機制

回油管路在燃油系統(tǒng)溫度調(diào)節(jié)中扮演著熱量再分配的角色?，F(xiàn)代航空發(fā)動機燃油系統(tǒng)通常采用回油設(shè)計，將多余燃油返回至低壓泵前或油箱，這一過程不僅影響系統(tǒng)流量分配，也對燃油溫度有著重要影響。

回油管路對系統(tǒng)燃油溫度的影響主要表現(xiàn)在兩個方面：一是改變系統(tǒng)熱容量，回油將部分已加熱的燃油帶回系統(tǒng)入口，提高了入口處燃油的溫度；二是調(diào)節(jié)系統(tǒng)熱量分布，通過控制回油量和回油位置，可以調(diào)整系統(tǒng)各部分的溫度分布。

在燃油溫度20℃、40℃時的壓力變化較小，而燃油溫度0℃、60℃時的壓力變化較大。這表明在不同溫度區(qū)間，燃油對系統(tǒng)壓力的影響不同，進而影響回油管路的工作特性。在低共軌壓力時，燃油溫度引起的噴油量變化大，高共軌壓力時燃油溫度引起的噴油量變化小。因此，回油管路的設(shè)計需考慮不同溫度和壓力條件下的燃油行為，以確保系統(tǒng)在各種工況下的穩(wěn)定性。

回油管路中的燃油溫度變化還受環(huán)境條件影響。當回油管路暴露在極端環(huán)境條件下時，如高空低溫或發(fā)動機艙高溫環(huán)境，會與外界環(huán)境發(fā)生熱交換，導(dǎo)致回油溫度進一步變化。因此，在回油管路設(shè)計中常需考慮隔熱措施，如湖南泰德航空技術(shù)有限公司采用的復(fù)合式濾清器通過特殊涂層技術(shù)延長使用壽命，減少外界環(huán)境對燃油溫度的影響。

3.3 熱交換器的溫度影響機制

熱交換器作為燃油管路系統(tǒng)中最主要的熱管理部件，其作用是調(diào)節(jié)燃油溫度，防止燃油過熱或過冷。在燃/滑油熱交換器中，高溫滑油（來自發(fā)動機潤滑系統(tǒng)）與燃油進行熱交換，將熱量傳遞給燃油。這一過程雖然有助于冷卻滑油系統(tǒng)，但會導(dǎo)致燃油溫度升高。

熱交換器對燃油溫度的影響主要取決于滑油溫度、流量和換熱效率。當滑油溫度較高時，通過熱交換傳遞給燃油的熱量增加，導(dǎo)致燃油出口溫度上升；反之，當滑油溫度較低時，燃油溫升較小。熱交換器的傳熱效率直接影響熱量傳遞的速率，高效率的熱交換器能夠在較短時間內(nèi)傳遞更多熱量，導(dǎo)致燃油溫度快速上升。

研究發(fā)現(xiàn)，在共軌管壓力從55MPa增大到140MPa時，共軌管出口的燃油溫度僅在35℃~55℃之間變化。這一相對較小的溫度變化范圍表明， properly設(shè)計的熱交換器與系統(tǒng)配合，可以在較大壓力變化范圍內(nèi)維持燃油溫度相對穩(wěn)定。

湖南泰德航空技術(shù)在熱管理方面實現(xiàn)了創(chuàng)新突破，針對eVTOL的混合動力需求，開發(fā)了輕量化燃油系統(tǒng)，重量減輕35%，并配合相變冷卻技術(shù)，油冷技術(shù)對于未來航空發(fā)動機燃油系統(tǒng)的熱管理具有重要借鑒意義。

四、系統(tǒng)仿真與結(jié)果分析

4.1 燃油進口溫度對系統(tǒng)溫度特性的影響

燃油進口溫度是影響整個系統(tǒng)溫度特性的初始條件和基礎(chǔ)因素。不同進口溫度的燃油在流經(jīng)系統(tǒng)各部件時，會表現(xiàn)出不同的溫升特性和熱力學行為。仿真研究表明，當燃油進口溫度較低時，系統(tǒng)各部件對燃油的加熱效應(yīng)更為明顯，燃油溫度上升幅度較大；而當燃油進口溫度較高時，由于與部件溫差減小，燃油溫度上升幅度相對較小。

燃油進口溫度還影響燃油的物理性質(zhì)，如粘度、密度和比熱容，這些性質(zhì)的變化會進一步影響燃油在系統(tǒng)中的流動和傳熱特性。例如，低溫下燃油粘度較大，流動阻力增加，燃油泵做功增多，可能導(dǎo)致額外的溫升；而高溫下燃油粘度降低，流動性增強，但可能接近燃油的沸點或裂解溫度，增加結(jié)焦風險。

航空發(fā)動機在實際工作中，燃油進口溫度受多種因素影響，包括油箱位置、飛行高度、環(huán)境溫度和前期飛行狀態(tài)等。"U"形管路在飛機燃油管路系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛，研究表明當壁面溫度從-59℃升至-31℃時，管道內(nèi)的壓差和溫差分別減少了3.99kPa和5.64℃。這一發(fā)現(xiàn)對于優(yōu)化燃油系統(tǒng)設(shè)計，特別是在低溫環(huán)境下的啟動和運行具有重要意義。

4.2 滑油溫度對系統(tǒng)燃油溫度的影響

滑油溫度作為燃油系統(tǒng)主要的外部熱源，通過燃/滑油熱交換器對燃油溫度產(chǎn)生顯著影響。研究表明，滑油溫度的變化幾乎線性影響燃油系統(tǒng)出口溫度，但這種影響程度受系統(tǒng)工況和熱交換器特性的調(diào)節(jié)。

在高功率發(fā)動機工況下，滑油系統(tǒng)承受較大負荷，溫度較高，通過熱交換器傳遞給燃油的熱量增多，導(dǎo)致燃油溫度顯著上升。例如，當滑油溫度從80℃升至120℃時，燃油系統(tǒng)噴嘴處溫度可能上升15-25℃，具體幅度取決于熱交換器的效率和燃油流量。

值得注意的是，滑油溫度對燃油溫度的影響并非固定不變，而是隨著燃油流量的變化而改變。當燃油流量較大時，燃油在熱交換器內(nèi)停留時間短，單位質(zhì)量的燃油吸收熱量少，滑油溫度對燃油的影響相對較?。欢斎加土髁枯^小時，燃油在熱交換器內(nèi)充分吸熱，滑油溫度對燃油溫度的影響更為顯著。

航空發(fā)動機燃油系統(tǒng)長期面臨的技術(shù)瓶頸之一便是如何在保證潤滑冷卻效果的同時，控制滑油對燃油的加熱作用。湖南泰德航空技術(shù)有限公司通過材料與工藝革新，在超高壓換向閥中采用鈦合金閥體與復(fù)合材料密封件，重量較傳統(tǒng)方案減輕42%，表面經(jīng)低溫離子滲硫處理生成潤滑膜，磨損率降低50%以上。這些技術(shù)創(chuàng)新間接減少了系統(tǒng)摩擦熱量的產(chǎn)生，有助于控制滑油溫度，進而降低對燃油溫度的影響。

4.3 燃油泵與回油管路對系統(tǒng)溫度的綜合影響

燃油泵和回油管路作為系統(tǒng)中兩個相互關(guān)聯(lián)的部件，對燃油溫度產(chǎn)生復(fù)合影響。燃油泵主要通過機械能轉(zhuǎn)化為熱能影響燃油溫度，而回油管路則通過熱量再分配調(diào)節(jié)系統(tǒng)溫度分布。二者的相互作用決定了系統(tǒng)整體溫度特性。

研究表明，燃油泵轉(zhuǎn)速變化會顯著改變?nèi)加蜏厣匦?。當泵轉(zhuǎn)速從低速增至高速時，燃油在泵內(nèi)的溫升幅度增加，同時由于輸出流量和壓力變化，會影響回油管路的流量分配，進而改變系統(tǒng)溫度分布。例如，在高壓泵轉(zhuǎn)速為1600r/min時，高壓油泵出口溫度增加幅度可達23.3℃，這一溫升會隨著回油管路傳遞到系統(tǒng)前端，影響整個系統(tǒng)的熱狀態(tài)。

回油管路的設(shè)計參數(shù)，如管徑、長度、隔熱措施等，會對系統(tǒng)溫度分布產(chǎn)生重要影響。較長的回油管路會增加燃油與外界環(huán)境的熱交換時間，在高溫環(huán)境下可能導(dǎo)致額外溫升，在低溫環(huán)境下則可能造成熱量損失。研究表明，隨著流量從2g/s升至5g/s，"U"形管內(nèi)的壓差上升了26.92kPa，而溫差下降了4.15℃。這表明通過優(yōu)化回油管路設(shè)計，可以一定程度上調(diào)節(jié)系統(tǒng)溫度特性。

湖南泰德航空技術(shù)有限公司在回油管路優(yōu)化方面實現(xiàn)了技術(shù)創(chuàng)新，其采用的健康管理系統(tǒng)通過傳感器網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)測金屬磨粒、粘度變化等指標，提前預(yù)警潛在故障；雙冗余電靜液作動燃油閥在eVTOL中實現(xiàn)關(guān)鍵部件失效時的無縫切換。這些技術(shù)創(chuàng)新提高了系統(tǒng)在變工況下的溫度穩(wěn)定性，確保了飛行安全。

五、結(jié)論與展望

研究表明，燃油管路系統(tǒng)的溫度特性受多種因素共同影響，其中燃油泵、熱交換器和回油管路是三個關(guān)鍵部件，它們通過不同的物理機制改變?nèi)加偷臒釥顟B(tài)，決定了系統(tǒng)整體溫度分布。

燃油泵主要通過機械能轉(zhuǎn)化為熱能的過程影響燃油溫度，泵效率、轉(zhuǎn)速和工作壓力是主要影響因素。熱交換器作為系統(tǒng)主要的熱管理部件，通過滑油-燃油熱交換過程傳遞熱量，滑油溫度、流量和換熱效率決定其對燃油溫度的影響程度?；赜凸苈穭t通過熱量再分配調(diào)節(jié)系統(tǒng)溫度分布，回油量、回油位置和管路設(shè)計參數(shù)對系統(tǒng)溫度特性有重要影響。

燃油泵轉(zhuǎn)速是燃油溫度升高的重要原因，當燃油泵轉(zhuǎn)速超過6 000 r/min，噴嘴處燃油溫升速度加快，最高超過140 ℃，因此應(yīng)適當采取措施改善燃油泵工作條件和換熱效率，控制泵對燃油系統(tǒng)的溫升影響，避免出現(xiàn)溫度過高的情況。

隨著系統(tǒng)進口溫度的改變，燃油管路溫度最大增加26 ℃，影響程度會隨著進口溫度的提高逐漸減弱；回油管路對燃油系統(tǒng)溫度影響幅值約為14 ℃，因此可以利用回油管路控制系統(tǒng)流量的同時間接控制噴嘴處燃油溫度。

相較于其他燃油部件對溫度的影響，環(huán)境溫度和燃油泵效率對燃油溫度影響較小，因此其對發(fā)動機燃油系統(tǒng)運行過程中的安全影響較小。

隨著航空技術(shù)的不斷發(fā)展，燃油管路系統(tǒng)溫度特性研究將面臨新的挑戰(zhàn)和機遇。未來研究將聚焦三大方向：數(shù)字孿生與仿真、新型材料應(yīng)用，以及綠色能源適配。湖南泰德航空技術(shù)有限公司的多物理場仿真平臺整合流體、結(jié)構(gòu)與控制模塊，使新產(chǎn)品開發(fā)周期縮短40%，能夠提前預(yù)測系統(tǒng)性能退化。這種仿真能力的提升將極大促進燃油管路系統(tǒng)溫度特性的研究和優(yōu)化。

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湖南泰德航空技術(shù)有限公司于2012年成立，多年來持續(xù)學習與創(chuàng)新，成長為行業(yè)內(nèi)有影響力的高新技術(shù)企業(yè)。公司聚焦高品質(zhì)航空航天流體控制元件及系統(tǒng)研發(fā)，深度布局航空航天、船舶兵器、低空經(jīng)濟等高科技領(lǐng)域，在航空航天燃/滑油泵、閥元件、流體控制系統(tǒng)及航空測試設(shè)備的研發(fā)上投入大量精力持續(xù)研發(fā)，為提升公司整體競爭力提供堅實支撐。

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湖南泰德航空始終堅持創(chuàng)新，建立健全供應(yīng)鏈和銷售服務(wù)體系、堅持質(zhì)量管理的目標，不斷提高自身核心競爭優(yōu)勢，為客戶提供更經(jīng)濟、更高效的飛行器動力、潤滑、冷卻系統(tǒng)、測試系統(tǒng)等解決方案。