飞机冲压空气涡轮系统液压泵的卸荷方法

卢岳良，陈金华，王 岩

(1.航空工业南京机电液压工程研究中心，江苏南京 211106；2.航空机电系统综合航空科技重点实验室，江苏南京 211106；3.北京航空航天大学交通科学与工程学院，北京 100191)

引言

根据民用航空规章第25部的要求:“飞机必须设计成在所有发动机都失效的情况下仍可操纵”[1-2]，为了保证飞机在所有发动机同时失效情况下的可操纵性，现代先进民用飞机液压系统普遍安装了冲压空气涡轮系统(Ram Air Turbine,RAT)[3]。因民用航空客机飞行速度低，使用的冲压空气涡轮通常是桨叶式涡轮[4]，一般在飞机上有3个安装位置，分别在机身前部、机身中部和机翼下部[5]，在飞机失去主动力和辅助动力的紧急情况下，RAT舱门打开，采用自动或人工使RAT从飞机上放出，在飞机迎面气流的冲击下，风叶旋转，将气流的冲压能转化成转子机械能，带动涡轮旋转，涡轮驱动液压泵向飞机提供应急能源，作为飞行安全的“最后一根救命稻草”[6]。 RAT是在应急状态使用，飞机正常飞行时，RAT系统处于收回状态，机舱内温度较低，泵内油液黏性较大、各摩擦副摩擦阻力较大，阻碍了RAT液压泵的快速启动，甚至可能导致RAT系统无法正常启动[7]；RAT弹出机舱工作时，从静止开始加速，能量提取部件涡轮从零转速起转，启动力矩小、带载能力弱，初始驱动负载能力差，而作为RAT涡轮负载的RAT液压泵通常为恒压变量柱塞泵，正常启动力矩需求大，因此，可能导致RAT系统启动时间长甚至有可能无法启动投网。

目前国外RAT系统技术成熟、产业完整，处于绝对垄断地位。国内对变量柱塞泵的工作特性等开展了较为深入的研究：文献[8-10]分别基于EASY5和AMESim软件对恒压变量柱塞泵静动态特性进行了仿真，得出泵工作时出口压力和流量特性曲线；文献[11]针对双压力变量柱塞泵在压力切换过程中出现的压力超调问题进行了研究；文献[12]采用AMESim建立压力流量控制变量泵模型，仿真结果表明，减小阀芯质量、增大阻尼孔孔径可减小输出压力超调；文献[13]针对油液的黏性对泵输出流量的影响进行了研究；文献[14]结合试飞数据对飞机RAT的带载能力进行了研究；文献[15]提出了RAT启动时间在1～10 s之间，分析了RAT的输出流量、输出压力及启动的地面检查方法；文献[16]提出了一种RAT系统风洞性能试验台。

可以看出国内对于RAT系统中液压泵的研究涉及较少，而对于影响飞机安全性的RAT液压泵启动卸荷方法的研究更少。RAT液压泵卸荷就是减小RAT涡轮启动时液压泵的功率输出，达到降低其输入功率目的，减小对RAT涡轮功率需求，加速涡轮快速启动。RAT液压泵输出功率等于压力乘流量，实现方法有降低RAT液压泵输出压力，或减小RAT液压泵输出流量，或者同时减小其压力和流量。针对RAT液压泵的卸荷启动需求，围绕减小功率输出途径，在保证系统可靠性前提下，提出RAT液压泵的以下3种卸荷方法：采用旁通阀卸荷，即输出压力为0，输出流量最大；采用内控恒压卸荷方式，即减小输出压力，输出流量为0；采用外控恒压卸荷方式，即减小输出压力，输出流量为0。RAT液压泵压力控制包括恒压变量机构和卸荷机构两个部分，对每一种卸荷方法基于AMESim开展特性仿真分析，精确建立RAT液压泵模型，预测卸荷机构性能，探究由卸荷向恒压变量转换过程中RAT液压泵输出压力和流量的变化规律及压力切换过程中可能出现的压力超调，并分别开展3种卸荷方法的试验验证，为实现RAT液压泵的卸荷启动提供工程实践参考。

1 3种卸荷方法的卸荷机构和卸荷原理

1.1 旁通阀卸荷

旁通阀卸荷的方式是通过在RAT液压泵进出口并联1个旁通卸荷阀(二位二通阀)，在RAT系统刚启动时，该卸荷阀打开，使RAT液压泵进出口相通，系统处于全流量低压力下工作，实现RAT液压泵卸荷。

其液压原理如图1所示。在RAT启动时，卸荷阀处于开启状态，泵的进出贯通，形成一个低压、大流量的液压循环回路。当系统压力达到设定压力时，卸荷阀逐渐关闭，RAT液压泵进入正常恒压变量工作状态，与恒压变量泵工作原理相同。

图1 旁通阀卸荷液压原理

(1) 优点：在不改变恒压变量泵结构情况下，仅接入旁通阀，通过最简单的结构实现RAT液压泵卸荷。

(2) 不足：该种卸荷方式为低压、大流量卸荷。启动时，泵为全流量，必须驱动一定负载。

1.2 内控恒压卸荷

内控恒压卸荷是一种在RAT液压泵内集成自反馈卸荷装置，不需外部控制，通过内部调节机构控制即可达到卸荷，在正常工作时恢复提供满足需要的应急能源，并在再次需要卸荷时降低负载力矩。其本质属于一种闭环反馈卸荷方式，整个过程通过转速反馈实现自卸荷闭环控制，在液压泵转速低于设定转速时处于卸荷，高于设定转速时与恒压变量泵工作原理相同。

内控恒压卸荷RAT液压泵主要由卸荷泵、恒压变量泵、卸荷阀、恒压变量补偿阀等组成，具有互相独立的两套变量控制机构：一套由卸荷泵、三位四通卸荷阀等组成的卸荷变量控制机构；一套由恒压变量实现的压力补偿变量控制机构。泵排量分别由恒压变量补偿阀控制小随动活塞或卸荷阀控制大随动活塞推动斜盘摆角变化，从而达到变排量目的。其卸荷工作原理为：与恒压变量泵同轴串联1个卸荷泵(可采用内啮合齿轮泵，也可采用叶片泵等)，进入恒压变量泵的油液同时被吸入到卸荷泵入口，将卸荷泵作为卸荷阀的液压控制油源，卸荷泵输出油压与其输出流量，即与泵的转速有关，其输出油压与泵的转速成平方的比例关系。卸荷液压原理图如图2所示，系统刚启动时，转速较低，卸荷泵输出压力较低，因此，卸荷阀在弹簧力作用下处于左工作位，大随动活塞腔与低压相通，斜盘在回位弹簧力作用下处于最大摆角位置；当转速升高至低于调定的卸荷转速时，卸荷泵输出油压作用于卸荷阀，克服弹簧力的作用使卸荷阀处于中工作位，大随动活塞腔与系统输出高压相通，斜盘在大随动活塞腔高压油作用下处于最小摆角位置，泵排量接近于0，压力较低，此时泵输出极小的流量仅满足内部泄漏，处于卸荷状态；当转速进一步升高到高于调定的卸荷转速时，卸荷泵输出压力进一步增大，输出油压作用于卸荷阀，克服弹簧力的作用进一步使卸荷阀处于右工作位，大随动活塞腔与低压相通，斜盘在回位弹簧力作用下处于最大摆角位置，此时泵排量最大，输出流量最大，压力达到正常工作压力，恒压变量泵恢复到正常恒压变量工作状态。

图2 内控恒压卸荷液压原理

1) 内控恒压卸荷方式的显著优点

(1) 卸荷压力和液压泵出口压力独立分开。在RAT液压泵上安装卸荷泵，卸荷泵驱动大随动活塞实现RAT液压泵卸荷，卸荷泵压力和RAT液压泵出口压力完全独立，有利于实现RAT液压泵低压卸荷；

(2) 低压、小流量卸荷。内控恒压卸荷液压泵可实现低压、小流量卸荷，更有利于RAT小功率启动。

(3) 内控恒压卸荷液压泵可以实现转速闭环反馈卸荷控制。在液压泵转速低于卸荷调定转速时处于卸荷，高于卸荷调定转速时自动进入正常供给液压能源的状态。

2) 内控恒压卸荷方式的不足

内控恒压卸荷机构需要安装卸荷泵和高精度的三位四通卸荷阀，增加了结构的复杂性以及加工的难度。

1.3 外控恒压卸荷

其本质是采用1个外控电磁阀通电来实现卸荷。在RAT启动时，电磁阀处于开启状态，液压泵形成1个低压、小流量循环回路。当系统压力达到设定压力时，电磁阀断开，RAT液压泵进入正常恒压变量工作状态，与恒压变量泵工作原理相同。其液压原理如图3所示。

图3 外控恒压卸荷液压原理

外控恒压卸荷机构的原理和内控恒压机构卸荷原理基本相同，通过大小随动活塞的配合实现RAT液压泵的卸荷和恒压变量，采用外部电磁阀控制进入大随动活塞的油液进出，推动斜盘摆角变小。

与内控恒压卸荷方式不同的是，外控恒压卸荷机构外部电磁阀的控制油液来自于RAT液压泵的出口。

1) 外控恒压卸荷方式有2个显著优点

(1) 低压、小流量卸荷。外控恒压卸荷液压泵可实现低压、小流量卸荷，更有利于RAT小功率启动；

(2) 简化了卸荷调节结构。采用电磁阀控制卸荷大随动活塞，通过简化卸荷机构设计，也满足了低压、小流量卸荷的小功率启动方式。

2) 外控恒压卸荷的不足

外控恒压卸荷电磁阀的控制需要外部通断电干预，无法实现闭环反馈自卸荷，也无法实现自动进入正常供给液压能源的状态。

这3种卸荷方式均可通过与恒压变量柱塞泵集成来实现卸荷启动，在启动瞬间降低负载力矩，并在正常工作时恢复提供满足需要的应急能源，通过卸荷变量控制机构和压力补偿变量控制机构，实现了小负载扭矩启动和驱动力矩过低时RAT涡轮的防停转保护，保证了应急能源系统的快速投网和使用安全性。

2 基于AMESim的3种卸荷方式动态特性仿真

RAT涡轮由0加速到一定转速时，RAT液压泵由卸荷进入工作状态，在状态转换过程中需要考虑压力和流量的变化规律，包括压力调节时间、超调量等。为了分析RAT液压泵的卸荷性能和由卸荷向恒压变量过渡过程，通过AMESim仿真研究RAT液压泵卸荷性能。3种卸荷方法采用的液压泵参数如表1所示。

收集到的音乐资源都是民间流传下来的，因此当中所包含的内容非常庞杂，并不都适合幼儿学习，所以，需要教师筛选出一些内容积极向上、曲调欢快、节奏明快的民间音乐作为教学内容。如果有的民间音乐曲调以及节奏都很适合幼儿学习，但是歌词却有不当的，也可以根据学习内容及幼儿的年龄特点更改创编歌词，使其符合幼儿的学习需要。

表1 3种卸荷方法的液压泵参数

基于AMESim建立恒压变量柱塞泵模型如图4所示。该模型包括柱塞运动模块、柱塞容积模块、配油盘吸/排油口模块、滑靴与斜盘之间的泄漏模块、配油盘与缸体之间的泄漏模块。

图4 恒压变量柱塞泵模型

设定RAT液压泵输入转速如图5所示。RAT液压泵的涡轮以3000 r/min2升速，当转速到达4600 r/min时趋于稳定。

图5 RAT液压泵输入转速

2.1 基于AMESim的旁通阀卸荷液压泵动态特性

基于旁通阀卸荷方法的卸荷原理和卸荷机构，其AMESim实现如图6所示。将卸荷机构加入恒压变量柱塞泵模型，得到旁通阀卸荷液压泵模型如图7所示。从卸荷到零流量工作状态，RAT液压泵流量如图8所示，出口压力如图9所示。

图6 旁通阀卸荷机构

图7 旁通阀卸荷液压泵模型

由图8可以看出，在升速阶段，负载流量为0，通过卸荷阀流量随着转速升高而增大，最大流量为11.1 L/min，随着流量增大，系统的压力不断增大，如图9所示。

图8 RAT液压泵流量

图9 RAT液压泵出口压力

由图8、图9可以看出，采用旁通卸荷阀实现了RAT液压泵低压大流量卸荷；在RAT液压泵卸荷阶段，系统压力为3.5 MPa；在负载流量为0时，由卸荷状态切换到零流量状态，RAT液压泵出口产生压力冲击，最大冲击瞬时压力为额定压力7.1倍；在由卸荷阶段结束t1=1.39 s，过渡到恒压变量阶段t2=1.72 s，系统调节时间Δt1=0.33 s。通过分析计算可知，卸荷功率为全负荷功率的20.6%。

2.2 基于AMESim的外控恒压卸荷液压泵动态特性

基于外控恒压卸荷方法的卸荷原理和卸荷机构，其AMESim模型如图10所示。将卸荷机构加入恒压变量柱塞泵模型，得到外控恒压卸荷液压泵模型如图11所示。

图10 外控恒压卸荷机构

图11 外控恒压卸荷液压泵模型

从卸荷到零流量工作状态，RAT液压泵流量如图12所示，出口压力如图13所示。

图12 RAT液压泵流量

图13 RAT液压泵出口压力

由图12可以看出，在升速阶段，负载流量为0，RAT液压泵输出流量随转速升高而增大，最大流量为2.95 L/min；到达最大流量后系统进入卸荷阶段，卸荷阶段平均流量为0.4 L/min；在卸荷阀关闭后系统进入恒压变量阶段，此时平均流量为0.77 L/min。

在由卸荷阶段向恒压变量阶段过渡中出现的压力陷阱现象，会影响系统正常工作，可以通过在系统卸荷回路增加节流措施来减小压力的波动。

2.3 基于AMESim的内控恒压卸荷液压泵动态特性

基于内控恒压卸荷方法的卸荷原理和卸荷机构，其AMESim实现如图14所示。将卸荷机构加入恒压变量柱塞泵模型，得内控恒压卸荷液压泵模型如图15所示。从卸荷到零流量工作状态，RAT液压泵流量如图16所示，出口压力如图17所示。

图14 内控恒压卸荷机构

图15 内控恒压卸荷液压泵模型

图16 RAT液压泵流量

图17 RAT液压泵出口压力

由图16可以看出，在升速阶段，负载流量为0，RAT液压泵输出流量随转速升高而增大，最大流量为13.6 L/min，到达最大流量后系统进入卸荷阶段，液压泵输出流量随之逐渐减小。

由图16、图17可以看出，采用卸荷泵的内控恒压卸荷方式实现了RAT液压泵低压、小流量卸荷；在RAT液压泵卸荷阶段，系统压力为7 MPa；在负载流量为0时，由卸荷状态切换到零流量状态，RAT液压泵出口产生压力冲击，最大冲击瞬时压力为额定压力1.08倍；在由卸荷阶段结束t1=1.36 s，过渡到恒压变量阶段t2=1.42 s，系统调节时间Δt3=0.06 s。通过分析计算可知，卸荷功率为额定功率的6.1%。

3 试验验证

试验验证在如图18所示的航空液压泵专用试验台上进行，液压泵入口油液温度设置为(80±5)℃，入口压力设置为(0.35±0.05)MPa。

图18 验证试验设备

3种卸荷方法的试验数据如表2所示。

表2 3种卸荷方法的试验数据

4 结论

从试验验证结果可看出，3种卸荷方法均实现了小负载扭矩启动和驱动力矩过低时RAT涡轮的防停转保护；从结构原理和仿真特性可看出，3种卸荷方法具有各自优缺点和各自的适应场合：

(1) 结构上：旁通阀卸荷机构最简单，内控恒压卸荷机构最复杂，外控恒压卸荷机构处于中间；

(2) 卸荷时出口流量：旁通阀卸荷流量为全流量；另外2种卸荷流量为小流量；

(3) 卸荷时出口压力：均为低压力；

(4) 卸荷功率：旁通阀卸荷功率为额定功率的20.6%，外控恒压卸荷最大功率为额定功率的6.4%，内控恒压卸荷最大功率为额定功率的6.0%，因此旁通阀卸荷较另外两种卸荷效果差；

(5) 出口压力冲击：旁通阀卸荷最大冲击瞬时压力为额定压力7.1倍；外控恒压卸荷最大冲击瞬时压力为额定压力1.07倍；内控恒压卸荷最大冲击瞬时压力为额定压力1.08倍，旁通阀卸荷最大冲击瞬时压力较高；

(6) 卸荷过渡到恒压变量阶段调节时间：旁通阀卸荷调节时间为0.33 s；外控恒压卸荷调节时间为0.13 s；内控恒压卸荷调节时间为0.06 s；

(7) 旁通阀卸荷为全流量卸荷，损失功率贮存在油液里导致油液温度过高，限制了这种卸荷方式的应用，一般来说适用于排量不大于9 mL/r的RAT液压泵；而外控恒压卸荷和内控恒压卸荷都是通过控制斜盘倾角来调节泵的排量，可以实现RAT液压泵小流量卸荷，适用于大排量的RAT液压泵。

该研究成果已应用于大型运输机、高性能无人机等，提高了国产飞机的安全性，打破了国际垄断，卸荷机构集成在泵内，提高了RAT液压泵的集成性。然而，液压泵的变化形式是多种多样的，对于RAT液压泵还有其他的卸荷方法，针对不同的液压泵结构以及不同的飞机需求，更优的卸荷适应场合可进一步开展研究；另外，对于内控恒压卸荷方式，部件间的设计参数匹配，比如卸荷泵的排量设计，阀芯面积、油路设计等直接影响卸荷性能，可进一步开展深入研究。