力补偿压差回油活门设计

2023-07-07荣芹芳侯羽石邹品文

航空发动机 2023年3期

左伟，荣芹芳，侯羽石，邹品文

（1.中国航发沈阳发动机研究所，沈阳 110015；2.中国航发贵州红林航空动力控制科技有限公司，贵阳 550009）

0 引言

在航空发动机及燃气轮机燃油控制系统中，广泛采用定压差流量控制原理调节燃烧室的燃油供流量。即通过压差保持单元计量活门前后压力差（下文“压差”均指计量活门前后的压力差）恒定，使燃油流量仅与流通面积相关，通过控制计量活门改变燃油流通面积实现燃油流量的调节。因此，压差保持单元作为燃油控制系统中的重要调节元件，直接影响燃油流量的计量精度。在不同类型的燃油控制系统中，压差保持单元种类多样，如与齿轮泵等容积式泵配合使用的回油型、与离心泵等非容积式泵配合使用的节流型、与变量柱塞泵等变排量泵配合使用的伺服型等[1]。目前，在中国发动机燃油控制系统中以齿轮泵作为主燃油泵的工程案例较多，故回油型压差保持单元应用最为普遍。根据有无放大元件，可将压差保持单元分为直接作用式和间接作用式。回油型直接作用式压差保持单元（工程上通常称为压差回油活门）集测量与执行功能于一体，结构简单、抗污染能力强、响应快，但受液动力和弹簧力等因素影响，存在全计量流量范围内压差保持精度较低的问题[2-3]。

若采取一定的补偿措施提高压差保持精度，则可显著提高压差回油活门的整体性能和扩大工程适用范围。在国内外针对此问题的研究较多。Tan 等[4]通过分析活门液动力产生的原因，提出了一种导流结构，改变了液流出口的射流角，实现了液动力补偿；杨峰等[5]也通过优化活门结构，调整液流方向补偿液动力，取得了提高压差精度的较好效果；李洪胜等[6]通过压差活门的力平衡关系，推导出压差的表达式，分析了结构参数对压差的影响。

在上述研究的基础上，本文以工程应用为目标，提出一种具有力补偿功能的新型压差回油活门结构，建立力补偿压差回油活门的仿真模型，针对力补偿压差回油活门在多种干扰下的压差保持精度进行仿真分析。

1 常规压差回油活门

压差回油活门的常规结构如图1 所示。为了便于说明工作原理，在图中增加了齿轮泵和计量活门构成的燃油计量系统。

图1 常规压差回油活门结构

从图中可见，系统进口的低压油经齿轮泵增压后作用于计量活门前部与压差回油活门阀芯下端，阀芯上端的压力和弹簧力作用于计量活门后部。通过弹簧力设定希望的压差值。当压差偏离设定值时，以偏高为例，则压差产生的液压力大于弹簧力，阀芯上移，将阀芯与衬套之间的回油窗口开大，使回油量增加，压差减小恢复为设定值。在计量活门后部通阀芯上端的油路上，通常需设置阻尼孔，以优化压差活门的动态品质。

2 问题及影响因素分析

常规压差回油活门通过阀芯的力平衡发挥调节作用。阀芯受力包括：液压力、弹簧力、惯性力、摩擦力、稳态液动力、瞬态液动力等（实际上，液动力是为了弥补液压力的计算误差而引入的数值修正[7]，并不是真实存在的“力”，但为了便于叙述，本文仍将其单独列出）。其中，惯性力、摩擦力和瞬态液动力对压差回油活门影响较小，本文忽略不计，则由阀芯的力平衡关系可得

式中：P1为计量活门前压力；P2为计量活门后压力；A为阀芯横截面积；k为弹簧刚度；x为弹簧压缩量；Fh为稳态液动力。

定义回油窗口刚打开时的弹簧压缩量为x0，此时尚无油液流动，故无液动力，则

式（2）即为通过弹簧力设定的压差希望值，为常数。

但在系统运行时，压差回油活门必然打开回油窗口，将一部分燃油放回齿轮泵进口，故

定义阀芯在x0之上的位移增量（即回油窗口开度）为t，则

稳态液动力与回油窗口开度t成正比，但具体关系较为复杂[8]，本文不展开分析，仅记为

式中：K′h为液动力刚度，与回油窗口形状和进出口压力差等有关。

将式（4）、（5）代入式（1）得

比较式（2）与（6）可知，在系统运行时，受弹簧力增量和稳态液动力的影响，压差会偏离希望值而不能保持恒定。因此，弹簧力增量和稳态液动力是影响压差的2项主要因素。

弹簧力增量与稳态液动力均与回油窗口开度成正比，针对常规压差回油活门结构系统（见图1），当计量活门开度越小，回油量越多，回油窗口开度越大，压差偏离希望值越大，导致系统流量特性变化，这将对整机控制产生不利影响。

3 力补偿压差回油活门

为了补偿弹簧力增量和稳态液动力对压差的影响，在常规结构的基础上增加力补偿结构，构成力补偿压差回油活门如图2所示。

图2 力补偿压差回油活门结构

力补偿压差回油活门与常规结构的区别主要有2点：

（1）在阀芯设置中心腔并调整回油油路：齿轮泵后高压油先经回油窗口1 进入阀芯中心腔，再经回油窗口2返回齿轮泵进口；

（2）在阀芯下端增加活塞结构，使活塞形成的环腔与中心腔连通。

力补偿压差回油活门的工作原理与常规活门的相同，其力补偿原理如下。

对于阀芯列出力平衡方程

式中：P3为中心腔及环腔压力；A为阀芯上端横截面积；A’为环腔横截面积；t为回油窗口2开度；Kh为回油窗口1、2总的液动力刚度。

回油窗口1、2 构成液压分压器，将齿轮泵后压力P1分压后得到中心腔及环腔压力P3。由于回油窗口1、2 可视为薄壁孔口且流量相同，取齿轮泵进口处的回油压力为0，应用薄壁孔口流量公式[9]得

式中：A1(t)为回油窗口1 流通面积；A2(t)为回油窗口2流通面积。

可见，分压压力P3由回油窗口2、1的流通面积比值决定。

对比式（7）与式（2），若参数设为

则式（7）将简化为式（2），压差可保持常数，由此得出压差回油活门的力补偿原理。即为：力补偿压差回油活门通过增加活塞和分压器结构，引入由P1与分压压力P3的差值产生的补偿力，消除弹簧力增量和稳态液动力的影响，提高压差保持精度。

4 力补偿参数设计方法

由式（8）、（9）联立得

该式为力补偿压差回油活门参数设计的基本约束方程，只要回油窗口1 与回油窗口2 的流通面积满足此约束关系，即可实现力补偿。

由于式（10）涉及稳态液动力，多个参数相互耦合，不易得到简明的数值解，下面介绍一种适于工程应用的力补偿参数设计方法。

第1步：确定系统主要参数见表1。

表1 系统主要参数

力补偿压差回油活门是燃油计量系统内部的元件，设计力补偿压差回油活门应明确必要的系统参数，主要包括：齿轮泵最大流量、计量活门最大流量、计量活门出口处的反压特性、压差希望值等。

下面及后续步骤给出研究过程中所用算例的部分参数，供参考。

第2 步：确定活门常规结构参数初值，见表2。

表2 活门常规结构参数初值

力补偿压差回油活门的常规结构参数包括：阀芯上端直径、弹簧刚度、弹簧预紧力等。

常规结构参数的计算可参考文献[10]等，本文不介绍。

第3步：确定回油窗口2流通面积初值线性插值，见表3。

表3 回油窗口2流通面积初值线性插值

当系统处于某稳定状态时，令P1与P3的差值取较小值（本文算例初始值取P3=0.9P1），回油窗口2的进出口压差可近似为P1，则回油窗口2 的工作条件与常规结构压差回油活门的回油窗口相近。因此可按常规回油窗口的设计方法初步确定回油窗口2 的流通面积A2（t），具体方法本文不介绍。

第4 步：初步确定回油窗口1 流通面积初值线性插值，见表4。

表4 回油窗口1流通面积初值线性插值

在第3步中已取初始值P3=0.9P1，代入式（8）得

根据式（11）确定回油窗口1流通面积的初始值。

由式（8）、（9）分析可知，为了保证回油窗口2 刚打开时能实现力补偿，回油窗口1 相对回油窗口2 应有一定预开口。预开口初始值取0.5 mm。

第5步：初步确定阀芯环腔端直径。

由式（9）及第3步确定的P3=0.9P1，得

取系统中的任意稳态点，计算式（12）右侧有关参数，从而得到环腔横截面积A’，结合第2步得到的阀芯上端直径即可初步确定阀芯环腔端直径。具体计算方法见5.2节。

第6步：迭代计算。

参数设计从第2 步开始，需反复迭代的计算过程，参数设计流程如图3所示。迭代结束的条件是计算得到的各结构参数互相匹配，同时既保证性能（全流量范围的压差保持精度）满足要求，又保证结构易于实现。

图3 参数设计流程

5 建模与仿真

5.1 系统建模

上述参数设计计算量很大，应用仿真软件建立系统模型，辅助进行参数的计算、分析极大地提高了工作效率[11-13]。本文采用AMESim 软件辅助设计[14-16]，建立的常规及力补偿压差回油活门（及其系统）模型如图4、5所示。

图4 常规压差回油活门模型

下面以参数设计过程中计算量较大的第5、6 步为例，介绍模型的具体应用。

5.2 应用模型确定阀芯环腔端直径初值

在参数设计中，阀芯环腔端直径初值的计算较为繁琐，适于用模型辅助计算。

将第4章得到的参数或参数初值赋于如图5所示的力补偿压差回油活门模型，其中阀芯环腔端直径暂取40 mm略大于阀芯上端直径的数值；齿轮泵保持最大流量；计量活门从最大开度匀速关到最小。当运行模型时，将反复调整阀芯上端直径的数值，使压差在计量活门全行程范围内分布于希望值附近即可。此时阀芯上端直径的初值为44.5 mm，结果如图6所示。