燃油泵調(diào)節(jié)器供油特性改進(jìn)方法

鄒品文，程婷，韓小曼，張偉，羅暢敏

(中航工業(yè)貴州紅林機(jī)械有限公司，貴州貴陽550009)

燃油泵調(diào)節(jié)器供油特性改進(jìn)方法

鄒品文，程婷，韓小曼，張偉，羅暢敏

(中航工業(yè)貴州紅林機(jī)械有限公司，貴州貴陽550009)

燃油泵調(diào)節(jié)器供油特性的優(yōu)劣，直接關(guān)系到航空發(fā)動(dòng)機(jī)能否可靠工作和充分發(fā)揮性能。某燃?xì)鉁u輪起動(dòng)機(jī)燃油泵調(diào)節(jié)器，為滿足用戶使用要求，需改變其起動(dòng)加速供油特性。主要通過增加數(shù)控模塊，利用其控制器和傳感器來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的反饋與匹配，再通過放油實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制電磁閥對流量的修正，從而實(shí)現(xiàn)對燃油泵調(diào)節(jié)器起動(dòng)加速供油特性的修正。最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)方法的可行性。

燃?xì)鉁u輪起動(dòng)機(jī)；燃油泵調(diào)節(jié)器；起動(dòng)加速供油特性；改進(jìn)方法；占空比；特性曲線

1 燃油泵調(diào)節(jié)器

某燃?xì)鉁u輪起動(dòng)機(jī)上使用的燃油泵調(diào)節(jié)器[1]，在燃?xì)鉁u輪起動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中按照GT=f(p2)的函數(shù)關(guān)系向發(fā)動(dòng)機(jī)供油，并由起動(dòng)加速自動(dòng)裝置(圖1)實(shí)現(xiàn)。其中GT為供油量，p2為起動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)后的空氣壓力。該裝置主要由波紋管組件(由波紋管真空端和p2端組成)、彈簧、起動(dòng)加速活門、杠桿、殼體、壓差活門、齒輪泵、起動(dòng)加速活門襯套、I號(hào)調(diào)整釘、密封圈、移動(dòng)塊、Ⅱ號(hào)調(diào)整釘?shù)冉M成[2]。起動(dòng)機(jī)起動(dòng)工作過程中，附件機(jī)匣上的燃油泵調(diào)節(jié)器驅(qū)動(dòng)軸帶動(dòng)齒輪泵，經(jīng)齒輪泵增壓的燃油通過起動(dòng)加速活門計(jì)量，然后供往起動(dòng)機(jī)燃燒室。起動(dòng)加速活門的燃油進(jìn)出口之間設(shè)有壓差活門，以保證工作過程中起動(dòng)加速活門前后燃油壓差穩(wěn)定。因此，供油量只與起動(dòng)加速活門計(jì)量窗口的實(shí)際打開面積有關(guān)，即供油量與計(jì)量窗口的實(shí)際打開面積成正比。在起動(dòng)加速自動(dòng)裝置中，計(jì)量活門的移動(dòng)量(對應(yīng)計(jì)量窗口面積)與p2相關(guān)，其實(shí)現(xiàn)過程為：來自起動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)后的空氣進(jìn)入波紋管組件的p2端，使p2端波紋管軸向尺寸發(fā)生變化，帶動(dòng)杠桿繞其旋轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動(dòng)，又因杠桿穿過起動(dòng)加速活門上的兩個(gè)平行圓柱銷，所以其轉(zhuǎn)動(dòng)將帶動(dòng)該活門上下移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)通過p2控制燃油計(jì)量面積。圖2給出了p2(絕壓)與波紋管位移的關(guān)系曲線，波紋管位移量與p2成線性關(guān)系，即通過改變p2可改變計(jì)量窗口面積，從而實(shí)現(xiàn)按GT=f(p2)的函數(shù)關(guān)系向燃?xì)鉁u輪起動(dòng)機(jī)供油[3]。

圖1 起動(dòng)加速自動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)原理Fig.1 Structure of starting and acceleration automatic device

圖2 燃?xì)鉁u輪起動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)后的空氣壓力與波紋管位移的關(guān)系曲線Fig.2 The curve of air pressure after gas turbine starter compressor and corrugated pipe displacement

為滿足用戶使用要求，需將起動(dòng)機(jī)的起動(dòng)加速供油特性從圖3改為圖4。改進(jìn)中，不允許改變原產(chǎn)品的主體結(jié)構(gòu)，但可適當(dāng)增加功能部件。新的起動(dòng)加速供油規(guī)律仍為GT=f(p2)。

圖3 原起動(dòng)加速供油特性曲線Fig.3 The original fuel supply characteristic curves of starting and accelerating

圖4 新起動(dòng)加速供油特性曲線Fig.4 The new fuel supply characteristic curves of starting and accelerating

2 實(shí)現(xiàn)新的起動(dòng)加速供油特性的方法

2.1 方法一

不改變現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)新的起動(dòng)加速供油特性。如果不改變現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，可通過重新設(shè)計(jì)波紋管組件和起動(dòng)加速活門襯套上的型孔，改變波紋管的特性及起動(dòng)加速活門型孔尺寸，再通過兩者的性能匹配，實(shí)現(xiàn)新的起動(dòng)加速供油特性。

2.2 方法二

增加數(shù)控模塊，實(shí)現(xiàn)新的起動(dòng)加速供油特性。增加一個(gè)由硅壓阻式絕對壓力傳感器、脈寬調(diào)制(PWM)電磁閥和控制器組成的數(shù)控模塊(圖5)，對供油量進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)新的供油特性。

圖5 增加數(shù)控模塊后起動(dòng)加速自動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)原理Fig.5 Structure of starting and acceleration automatic device after adding the numerical control module

2.2.1 數(shù)控模塊功能

工作過程中，數(shù)控模塊將p2對應(yīng)轉(zhuǎn)換為PWM占空比信號(hào)，驅(qū)動(dòng)脈寬調(diào)制電磁閥[4]工作，對供油量進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)新的起動(dòng)加速供油特性要求。

硅壓阻式絕對壓力傳感器的作用，是將起動(dòng)機(jī)起動(dòng)工作過程中的p2對應(yīng)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，并傳輸給控制器。圖6為硅壓阻式絕對壓力傳感器的特性曲線。

圖6 硅壓阻式絕對壓力傳感器的特性曲線Fig.6 The characteristic curve of silicon piezoresistive absolute pressure sensor

脈寬調(diào)制電磁閥為常閉電磁閥，在PWM信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，可控制電磁閥一個(gè)工作周期內(nèi)的噴嘴打開和關(guān)閉時(shí)間之比。為保證脈寬調(diào)制電磁閥工作質(zhì)量，對PWM信號(hào)做如下要求：

式中：f為PWM信號(hào)頻率；f0為占空比為50%時(shí)的信號(hào)頻率，f0=40Hz；q為占空比，且q=(T1/T)×100%，T1為一個(gè)脈沖中的吸合時(shí)間，T為一個(gè)脈沖時(shí)間。

圖7為電磁閥脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路的電流特性曲線，圖中I為電流，In為強(qiáng)激電流，τ1為吸合動(dòng)作時(shí)間，τ2為釋放動(dòng)作時(shí)間。圖8為電磁閥按圖7要求的驅(qū)動(dòng)信號(hào)工作時(shí)的占空比-流量特性曲線。

圖7 脈寬調(diào)制電磁閥驅(qū)動(dòng)電路的電流特性曲線Fig.7 The driver circuit current characteristic curve of pulse-width modulation solenoid valve

控制器具有貯存、分析和運(yùn)算功能，通過1、2、3、4信號(hào)線與壓力傳感器相連。工作中，通過3、4通道獲得壓力傳感器輸出電壓信號(hào)，并經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)電磁閥工作的PWM信號(hào)；同時(shí)，通過1、2信號(hào)線向壓力傳感器提供激勵(lì)信號(hào)(供電)[5]。

圖8 電磁閥占空比-流量特性曲線Fig.8 The characteristic curve of electromagnetic valve duty ratio-flow

2.2.2 通過數(shù)控模塊實(shí)現(xiàn)起動(dòng)供油特性的具體方法

從圖3和圖4中可以看出，新起動(dòng)加速供油特性的前段供油量比原特性小，而后段供油量比原特性大。由于脈寬調(diào)制電磁閥對流量的修正通過放油方式來實(shí)現(xiàn)，因此需增大起動(dòng)加速活門襯套上的型孔，在不用數(shù)控模塊對供油量進(jìn)行修正的情況下，使其供油量大于要求的供油量。如圖9所示，通過增大型孔，后段供油量提高到81.0 kg/h，保證了整個(gè)供油曲線在要求的供油曲線之上。

圖9 數(shù)控模塊不工作時(shí)的供油特性曲線Fig.9 The oil supply characteristic curves when numerical control module not working

圖10示出了數(shù)控模塊不工作時(shí)的供油特性曲線與實(shí)際要求的起動(dòng)加速供油特性曲線。可見，在A點(diǎn)之前供油曲線重合，在B～H點(diǎn)流量依次相差ΔQ1～ΔQ7。因此，要得到新的起動(dòng)加速供油特性，在工廠調(diào)試時(shí)，應(yīng)分別在B～H點(diǎn)對應(yīng)的p2下調(diào)整占空比，使得通過電磁閥放掉的燃油量分別為ΔQ1～ΔQ7，并記錄各壓力點(diǎn)對應(yīng)的占空比A(47.2，q0)，B(61.6，q1)，C(103，q2)，D(165，q3)，E(184，q4)，F(xiàn)(201，q5)，G(260，q6)和H(320，q7)。工作過程中，其他各壓力點(diǎn)的占空比按線性插值規(guī)律確定：

圖10 數(shù)控模塊不工作時(shí)的供油特性曲線與要求的起動(dòng)加速供油特性曲線Fig.10 The characteristic curves of oil supply when numerical control module not working

得到q0～q7的實(shí)際值后，上位機(jī)通過數(shù)控模塊中控制器上設(shè)置的數(shù)據(jù)通信接口，將式(2)編程固化到控制器中。在配裝燃?xì)鉁u輪起動(dòng)機(jī)工作時(shí)，壓力傳感器感應(yīng)p2，并向控制器輸出電壓信號(hào)，然后控制器根據(jù)p2的變化，按式(2)要求輸出PWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電磁閥工作，即可獲得新的起動(dòng)加速供油特性。

2.3 兩種方法比較

方法一的優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)品外形結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化，不會(huì)增加產(chǎn)品質(zhì)量。缺點(diǎn)是波紋管研制周期長，且不能保證一次設(shè)計(jì)就能滿足使用要求，需要反復(fù)迭代，費(fèi)用高，且活門襯套上的燃油計(jì)量型孔加工困難。

方法二增加了一個(gè)質(zhì)量約300 g的數(shù)控模塊。只要該模塊不工作時(shí)產(chǎn)品的供油量大于起動(dòng)機(jī)要求的供油量，就可通過數(shù)控模塊按照一定的規(guī)律放油，從而實(shí)現(xiàn)起動(dòng)加速供油要求。其優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)性好，既可方便實(shí)現(xiàn)起動(dòng)機(jī)對起動(dòng)供油特性的任何修改需求，又可在外場根據(jù)起動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作需要對供油特性進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)。缺點(diǎn)是增加了產(chǎn)品的質(zhì)量，同時(shí)也需進(jìn)行必要的可靠性試驗(yàn)來驗(yàn)證考核。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

考慮到研制周期及技術(shù)難度，選擇方法二進(jìn)行改進(jìn)。目前，已按方法二生產(chǎn)了一定量燃油泵調(diào)節(jié)器，通過工廠調(diào)試獲得q0～q7，并按式(2)的計(jì)算方法，將q的變化規(guī)律編程固化到控制器中。試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，改進(jìn)后起動(dòng)機(jī)的起動(dòng)加速供油特性曲線(圖4中的實(shí)測供油線)滿足改進(jìn)要求，改進(jìn)方法正確。

4 結(jié)束語

針對某燃?xì)鉁u輪起動(dòng)機(jī)燃油泵調(diào)節(jié)器需改變起動(dòng)加速供油特性的要求，提出通過增加數(shù)控模塊，利用其脈寬調(diào)制電磁閥對調(diào)節(jié)器起動(dòng)供油特性進(jìn)行修正的方法，并通過了試驗(yàn)驗(yàn)證。這不僅滿足了燃?xì)鉁u輪起動(dòng)機(jī)工作性能改進(jìn)和提高的需要，有助于對起動(dòng)加速工作特性的分析和理解，同時(shí)可為各類發(fā)動(dòng)機(jī)配套燃?xì)鉁u輪起動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究提供參考，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1]廉筱純，吳虎.航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2005.

[2]某系列燃滑油泵調(diào)節(jié)器技術(shù)規(guī)范[R].國營143廠，2002.

[3]鐘華貴，劉洪凱，孫瑞禮.燃?xì)鉁u輪起動(dòng)機(jī)高空臺(tái)高空起動(dòng)試驗(yàn)研究[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2013，26(5)：1—6.

[4]蘇嶺，柳泉冰，汪映，等.脈寬調(diào)制保持電磁閥驅(qū)動(dòng)參數(shù)的研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，39(7)：689—692.

[5]航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，1979.

Improvement Method of Fuel Supply Characteristics for Fuel Pump Regulator

ZOU Pin-wen，CHENG Ting，HAN Xiao-man，ZHANG Wei，LUO Chang-min
(AVIC Guizhou Jettisoned Machinery Co.Ltd，Guiyang 550009，China)

Fuel pump regulator is the core member of aircraft engines;its fuel properties are directly relat?ed towhether the engine can operate reliably and make engine performance into full play.Based on a gas tur?bine starter fuel regulator for the research,the improved method of starting and acceleration fuel characteris?tics of the product was explained.Mainly through the method of pulse-width modulation(PWM)solenoid valve,the starting fuel supply characteristics were modified.The feedback and matching of signal were real?ized by its controller and sensor.And the feasibility of improvement method was validated by test.

gas turbine starter；fuel pump regulator；starting and acceleration fuel supply characteristics；improved method；duty ratio；characteristic curve

V233.2+2

：A

：1672-2620(2014)05-0049-04

2013-09-05；

：2014-09-15

鄒品文(1966-)，貴州興仁縣人，研究員，中航工業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)公司首席技術(shù)專家，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制系統(tǒng)液壓機(jī)械附件設(shè)計(jì)研究。