公开/公告号CN112253316A
专利类型发明专利
公开/公告日2021-01-22
原文格式PDF
申请/专利权人 中国航发沈阳发动机研究所;
申请/专利号CN202011122592.6
申请日2020-10-19
分类号F02C7/232(20060101);F02C9/32(20060101);G06F30/20(20200101);G06F113/08(20200101);G06F119/14(20200101);
代理机构11526 北京航信高科知识产权代理事务所(普通合伙);
代理人高原
地址 110015 辽宁省沈阳市沈河区万莲路1号
入库时间 2023-06-19 09:38:30
技术领域
本申请属于定压差流量控制技术领域，特别涉及一种力补偿式压差回油活门及力补偿参数设计方法。
背景技术
航空发动机以及燃气轮机燃油控制系统广泛采用定压差流量控制原理，即通过压差保持单元保持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，在此前提下控制计量活门改变燃油流通面积实现燃油流量的调节。
在不同类型的燃油控制系统中，压差保持单元种类多样，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)集测量与执行功能为一体，结构简单、抗污染能力强、响应快，工程应用较多，但受液动力、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。若采用一种力补偿压差回油活门，可显著提高压差回油活门的整体性能和工程适用范围。
如图1所示，为压差回油活门的常规结构，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，阀芯上端作用着计量活门后部压力和弹簧力。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，阀芯与衬套之间的回油窗口开大，回油量增加，使压差下降恢复为设定值。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。
具体的，根据图1所示的原理，由阀芯的力平衡关系可得：
式中：P
定义回油窗口刚打开时的弹簧压缩量为x
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：
x>x
定义阀芯在x
x＝x
稳态液动力与回油窗口开度t成正比：
F
式中：K
将式(4)、(5)代入式(1)得：
比较式(2)与(6)知，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，弹簧力增量和稳态液动力就是影响压差的两项主要因素。
弹簧力增量与稳态液动力均与回油窗口开度成正比，因此对图1所示系统而言，计量活门开度越小，回油量越大，回油窗口开度越大，压差偏离希望值越多，这将导致系统流量特性变化，有可能对整机控制产生不利影响。
发明内容
为了解决上述技术问题至少之一，本申请提供了一种力补偿式压差回油活门及力补偿参数设计方法。
第一方面，本申请提供了一种力补偿式压差回油活门，包括衬套、设置在所述衬套内腔中的阀芯以及弹簧，其中，在所述力补偿式压差回油活门的燃油进出口管路上依次连接有齿轮泵和计量活门，另外，在所述衬套顶部设置有阻尼孔，所述阻尼孔通过管路连接至燃油进出口管路的出口处，其特征在于：
所述阀芯呈圆筒状，且在阀芯内腔中靠近顶端开口位置处密封设置有一挡板，所述挡板与位于其底部的阀芯筒壁围成一中心腔，另外，在所述中心腔位置处的阀芯筒壁上，由上至下开设有第一回油窗口和第二回油窗口；以及
所述衬套包括由上至下沿轴向分布的弹簧安装段、阀芯配合段以及活塞段，其中，所述弹簧设置在所述弹簧安装段内腔中，所述阀芯设置在所述阀芯配合段的内腔中；以及
在所述阀芯配合段的筒壁上与所述第一回油窗口相对应位置处，设置有第一回油腔，所述第一回油腔能够通过第一回油窗口与中心腔连通，同时还通过管路连接至所述齿轮泵与计量活门之间的燃油进出口管路上；以及
在所述阀芯配合段的筒壁上与所述第二回油窗口相对应位置处，设置有第二回油腔，所述第二回油腔能够通过第二回油窗口与中心腔连通，同时还通过管路连接至所述燃油进出口管路的进口处；以及
所述衬套活塞段的底部开口端，通过管路密封连接至所述齿轮泵与计量活门之间的燃油进出口管路上，另外，在所述活塞段的内腔中设置有活塞，所述活塞与活塞段的筒壁在活塞段内腔的上部围成一环腔，所述环腔与所述中心腔连通。
根据本申请的至少一个实施方式，在同一水平面上，第一回油窗口和第二回油窗口的数量为至少两个，且为偶数个。
根据本申请的至少一个实施方式，第一回油窗口和第二回油窗口流通面积满足如下关系式：
其中，A
根据本申请的至少一个实施方式，计量活门前后压力满足如下关系式：
其中，P
根据本申请的至少一个实施方式，连通的中心腔及环腔的压力满足如下关系式：
其中，P
第二方面，本申请还提供了一种力补偿参数设计方法，用于对第一方面任一项所述的力补偿式压差回油活门的力补偿参数进行设计，包括如下步骤：
步骤一、确定系统主要参数；
步骤二、初步确定活门常规结构参数；
步骤三、初步确定第二回油窗口的流通面积；
步骤四、初步确定第一回油窗口的流通面积；
步骤五、初步确定环腔端直径；
步骤六、对步骤二至步骤五的初步参数进行迭代计算，直到得到一组完全匹配的参数，实现力补偿，使压差在全计量流量范围内满足要求为止。
根据本申请的至少一个实施方式，步骤一中的系统主要参数至少包括：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。
根据本申请的至少一个实施方式，步骤二中的活门常规结构参数至少包括：阀芯上端直径、弹簧刚度、弹簧预紧力。
根据本申请的至少一个实施方式，步骤四中，根据连通的中心腔及环腔的压力与计量活门的前压力的关系，确定第一回油窗口与第二回油窗口的压力关系，从而确定第二回油窗口的流通面积，其中，中心腔及环腔的压力与计量活门的前压力的关系式如下：
其中，P
根据本申请的至少一个实施方式，步骤五中，根据关系式(a9)与关系式(a8)，得到环腔的横截面积A′的关系式，其中，关系式(a9)如下：
kt+K
其中，k为弹簧的刚度，K
再结合步骤二得到的阀芯上端直径，即可初步确定环腔端直径。
本申请至少存在以下有益技术效果：
本申请的力补偿式压差回油活门，通过力补偿的形式，以及采用合适的力补偿参数设计方法进行参数选取，消除了弹簧力增量和稳态液动力对压差的影响，使回油活门压差保持在一个相对稳定的位置，整个系统的流量特性更加稳定，提高了控制系统的控制精度；并且，该力补偿参数设计方法可在工程上进行应用，具有很强的实用性。
附图说明
图1是现有的常规压差回油活门结构示意图；
图2是本申请力补偿式压差回油活门的结构示意图(部分剖视)；
图3是本申请力补偿参数设计方法的流程图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。
需要理解的是，在本申请的描述中可能涉及到的技术术语，例如“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
下面结合附图1-图3对本申请的力补偿式压差回油活门及力补偿参数设计方法做进一步详细说明。
如图2所示，本申请公开了一种力补偿式压差回油活门，包括衬套3、设置在衬套3内腔中的阀芯2以及弹簧1，其中，在力补偿式压差回油活门的燃油进出口管路11上依次连接有齿轮泵9和计量活门10；另外，在衬套3顶部设置有阻尼孔8，阻尼孔8通过管路连接至燃油进出口管路11的出口处。
进一步的，阀芯2呈圆筒状，且在阀芯内腔中靠近顶端开口位置处密封设置有一挡板201，挡板201与位于其底部的阀芯筒壁围成一中心腔7，挡板201与位于其顶部的阀芯筒壁围成一弹簧适配腔；另外，在中心腔7位置处的阀芯筒壁上，由上至下开设有第一回油窗口4和第二回油窗口5；其中，第一回油窗口4和第二回油窗口5的数量可以根据需要进行适合的设置，本实施例中，优选在同一水平面上，第一回油窗口4和第二回油窗口5的数量为至少两个，且为偶数个；再进一步可以优选为两个，左右对称分布。
进一步的，衬套3包括由上至下沿轴向分布的弹簧安装段、阀芯配合段以及活塞段，其中，弹簧1设置在弹簧安装段内腔中，阀芯2设置在阀芯配合段的内腔中。
进一步的，在阀芯配合段的筒壁上与第一回油窗口4相对应位置处，设置有第一回油腔31；第一回油腔31能够通过第一回油窗口4与中心腔7连通，同时还通过管路连接至齿轮泵9与计量活门10之间的燃油进出口管路11上。
进一步的，在阀芯配合段的筒壁上与第二回油窗口5相对应位置处，设置有第二回油腔32；第二回油腔32能够通过第二回油窗口5与中心腔7连通，同时还通过管路连接至燃油进出口管路11的进口处。
需要说明的是，由于阀芯2是滑动设置在衬套3的阀芯配合段内腔中，因此当阀芯2滑动到某一设定位置时，是可能未与对应的第一回油腔31或第二回油腔32连通的，当然，该设计思路部分与现有的(参见图1)压差回油活门中阀芯2及衬套3设计原理相似，因此此次不再对上下第一回油窗口4、第二回油窗口5以及第一回油腔31、第二回油腔32的位置关系进行赘述。
进一步的，衬套3活塞段的底部开口端，通过管路密封连接至齿轮泵9与计量活门10之间的燃油进出口管路11上，另外，在活塞段的内腔中设置有活塞12，活塞12与活塞段的筒壁在活塞段内腔的上部围成一环腔6，环腔6与中心腔7连通。
本申请的力补偿压差回油活门与常规结构的区别主要有两点：
1)阀芯2设置中心腔7并调整回油油路形成分压器结构，具体为：
齿轮泵9后高压油先经第一回油窗口4进入阀芯中心腔7，再经第二回油窗口5返回齿轮泵9进口；
2)阀芯2下端增加活塞结构，活塞12形成的环腔6与中心腔7连通。
进一步，结合背景技术的阀芯的力平衡关系(即关系式(1))，阀芯列力平衡方程，整理后得：
其中，P
第一回油窗口4与第二回油窗口5构成液压分压器，将齿轮泵9后压力P
式中：A
可见，分压压力P3由第一回油窗口4与第二回油窗口5的流通面积比值决定。
进一步，对比关系式(a7)与背景技术的关系式(2)，若通过参数设计保证：
kt+K
则关系式(a7)将简化为：
其中，压差可保持为常数，这即是本申请图2所示压差回油活门的力补偿原理。
进一步，关系式(a9)的物理含义为：力补偿压差回油活门通过增加活塞和分压器结构，引入由P
将关系式(a8)、式(a9)联立得力补偿压差回油活门参数设计的基本约束方程：
其中，只要第一回油窗口4与第二回油窗口5的流通面积满足此约束关系，即可实现力补偿。
综上，本申请的力补偿式压差回油活门，通过力补偿的形式，消除了弹簧力增量和稳态液动力对压差的影响，使回油活门压差保持在一个相对稳定的位置，整个系统的流量特性更加稳定，提高了控制系统的控制精度。
第二方面，由于上述关系式(a10)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，为此，如图3所示，本申请还提供了一种适于工程应用的力补偿参数设计方法，包括如下步骤：
步骤一：确定系统主要参数
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首先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。
步骤二、初步确定活门常规结构参数
力补偿压差回油活门的常规结构参数包括：阀芯2上端直径、弹簧1刚度、弹簧1预紧力等。
步骤三、初步确定第二回油窗口5流通面积
系统处于某一稳定状态时，令P
步骤四、初步确定第一回油窗口4流通面积
根据步骤三确定的P
步骤五、初步确定阀芯环腔6端直径
由上述关系式(a9)及步骤三确定的P
例如选取P
通过选取系统的任意稳态点，带入(a12)式中，即可得到环腔6横截面积A′，结合步骤二得到的阀芯2上端直径即可初步确定阀芯环腔6端直径。
此部分计算较为复杂，可以采用模型辅助计算。在仿真过程，选取阀芯环腔6端直径可暂取略大于阀芯2上端直径的数值，齿轮泵9保持最大流量；计量活门10从最大开度匀速关到最小。运行模型并反复调整阀芯上端直径的数值，使压差在计量活门10全行程范围内分布于希望值附近即可。
步骤六：迭代计算
参数设计从步骤二开始，是需反复迭代的计算过程，直到得到一组完全匹配的参数，实现力补偿，使压差在全计量流量范围内满足要求为止。
综上，本申请的力补偿参数设计方法可在工程上进行应用，具有很强的实用性。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
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