燃油计量装置回油型面特性分析

曾德堂 ，王 曦 ，覃道亮 ，徐 敏

(1.北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京 100191；2.西安航空动力控制有限公司，西安 710077)

1 引言

关于燃油计量装置回油型面的研究开展较广,但鲜有论文发表；另由于试验周期、条件以及成本因素等使得试验不可避免存在一定局限性，虽然试验法适合工程应用，但对全面研究与分析回油型面特性规律仍有不足之处，相对于试验法来说，采用等面积分析理论，有助于深化对回油型面设计认识及理解,有利于消化-吸收以及掌握型面对装置动稳态影响机理。国内涉及型面设计、分析文献较少,已有的研究也仅局限在型面设计尺寸，并未进行型面设计及特性分析[1，2]；而其他研究对型面设计多采用仿制与试验相结合的方法。

本文借鉴已有研究成果，并对其不足，采用等面积分析法研究了三角形、矩形、圆形及锥形等回油型面特性机理,揭示了各型面对装置动稳态特性、计量精度及调节时间的影响。

2 回油型面及特性方程

航空发动机控制系统广泛采用液压型面结构，特别是燃油计量装置，如计量活门型面、回油活门型面结构等。燃油计量装置结构如图1所示，该装置由齿轮泵、压差活门及计量活门等组成，其

3 等面积分析法

文献[3]提到型面影响系统特性，当回油面积和装置设计指标（如系统动稳态特性等）一定时，采用何种型面，决定型面增益和系数。等面积分析法就是在三角形、矩形、圆形及锥形型面回油流通面积相等情况下，分析其型面增益变化规律的方法。

根据上述方法和式（1）～（20）给出回油型面特性，取回油流通面积Ai（i=1～10）作为工作点，面积以△A＝2 mm2在区间[2 20]之间递增时，得到各型面工作点特性。步骤如下：

（1）确定工作点回油面积；

（2）推导不同型面与各工作点流量、压力增益、流量-压力系数变化关系；

（3）根据装置及活门对动稳态和精度以及负载承载能力选取型面。

4 型面特性分析

三角形、矩形、圆形及锥形型面流量增益特性曲线如图7所示。从图中可见，随着面积增大，三角形与圆形流量增益逐渐增大，而矩形与锥形流量增益变化很小，根据文献[3]所述流量增益影响开环增益，因此，随着面积的增加，三角形、圆形型面装置系统开环增益增大，而锥形、矩形型面装置系统开环增益变化不大。

三角形、矩形、圆形及锥形型面流量-压力系数特性曲线如图8所示。从图中可见，随着面积增大，三角形、矩形、圆形、锥形流量压力系数增益逐渐增大，且三角形、矩形、圆形增加量基本一致，而锥形增速慢于前3种型面的，根据文献[3]所述流量-压力系数影响控制执行元件阻尼比和速度刚度。

三角形、矩形、圆形及锥形型面压力增益特性曲线如图9所示。从图中可见，随着面积增大，三角形、矩形、圆形、锥形压力增益逐渐减小，且减幅逐渐变小，根据文献[3]所述压力增益大小代表控制执行元件承载能力，因此，锥形型面承载能力最大。

5 结论

通过等面积分析法研究了航空发动机燃油计量装置压差活门回油型面特性，获得等面积下压差回油活门三角形、矩形、圆形、锥形等回油型面压力增益、流量增益、压力-流量系数特性曲线。通过对比分析各型面特性曲线，为分段设计和分析压差活门回油型面提供以下有工程实际意义的结论。

（1）流量增益影响系统开环增益，从而决定系统动稳态性能，因此，在设计回油型面时，当控制系统对稳态性能要求高时，采用三角形或圆形型面有利于增大系统开环增益，减少系统误差；而当系统对动态性要求高时，采用矩形及锥形型面，将有利于改善动态特性。

（2）压力增益影响系统活门承载能力，是活门负载压力控制灵敏性的体现，因此在设计回油型面时，采用矩形与锥形有利于提高压差活门负载压力控制的灵敏度，而采用三角形或圆形，则在相同条件下降低活门负载压力的灵敏度。

（3）流量 -压力系数影响装置的阻尼比与速度刚度，对于矩形型面来说，当在零位时，流量-压力系数最小，则系统阻尼比最低，能在零位稳定工作，在其他工作点也能稳定工作，在同等条件下，采用矩形和锥形比三角形和圆形能提高阻尼比和速度刚度快。

（4）采用等面积设计有利于快速设计型面和分析特性。

[1]刘正,郭迎清，等.某型压差计量装置结构设计及性能计算[C].中国航空学会第十二届发动机自动控制学术会议论文集,2004:158-162.

[2]文元江.用EASY5分析回油式压差活门特性[J].机床与液压,2005(1):21-26.

[3]宋志安.用基于MARLAB的液压伺服控制系统分析与设计[M].北京：国防工业出版社,2007.

[4]Manring Noah D.Hydraulic Control Systems[M].Hoboken,New Jersey:John Wiley＆amp;Sons,Inc,2005.