CN104763534A - 一种模块化组合式电动燃油供应与控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于动力装置的模块化组合式电动燃油供应与控制系统，包括数个模块化电动燃油供应与控制单元（简称模块单元）、燃油综合管理器，以及燃油分配器，其特征在于：所述模块单元包括燃油增压泵、电动机及其控制装置、燃油流量控制器；所述燃油综合管理器包括燃油管理策略及分布式控制方式；所述燃油分配器包括燃油分配阀以及燃油喷嘴。本发明的有益效果：本发明基于分布式控制理念，采用模块化燃油供应与控制单元的灵活组合，在燃油综合管理器的管理下，采用直接控制电动增压泵转速方式控制，系统不存在大量回油。因此工作效率高、响应速度快、控制精度高、操控性好、可靠性高、维修保障性好、具有容错处理和状态管理能力。

Description

一种模块化组合式电动燃油供应与控制系统

技术领域

 本发明涉及一种用于动力装置的模块化组合式电动燃油供应与控制系统。

背景技术

动力装置是航空航天中各类飞行器的推进系统，它包括燃气涡轮发动机、冲压发动机、脉冲爆震发动机，液体火箭发动机，以及各类组合发动机等。其中，全电式燃气涡轮发动机是下一代航空发动机的发展方向，组合发动机是未来临近空间飞行器和高超声速飞行器动力的必然选择。空天动力装置中，对于以液体燃油为燃料的动力装置，燃油供应与控制系统是各种动力装置与组合动力的重要附件系统，目前燃油供应与控制主要采用涡轮驱动或挤压式供油系统，随着技术的发展，电动燃油供应与控制系成为下一代航空航天动力装置及新型动力系统的关键技术。

对于航空、地面及舰船用的燃气涡轮发动机，以航空煤油、柴油等液体燃料的动力装置，其燃油供应与控制系统大多采用涡轮驱动燃油增压泵实现对燃油的增压。燃油增压泵一般采用离心泵、齿轮泵、柱塞泵，以及多种泵的组合，其动力来源一般由燃气涡轮发动机转子经减速装置引出，这种燃油增压方式下，燃油流量由动力装置的转速决定，其供给发动机燃烧室的燃油流量需要由专门的燃油流量调节装置完成，当发动机燃烧室所需流量与增压系统的流量不匹配时，通过相应控制机构采用回油方式将泵后高压燃油引入泵前。

采用燃油增压装置和燃油调节机构分别对燃油进行增压和调节方式具有如下缺点：

（1）燃油供应与控制系统效率不高；

由于燃气涡轮发动机上燃油的增压和调节分别采用燃油增压装置和调节机构对燃油进行增压和调节，为保证燃油供应满足供油计划要求，采用回油控制流量，特别在发动机巡航状态下，发动机转速较高，但燃油需求量较少，需要大量回油，致使燃油供应与控制系统能量转换效率低下。

（2）燃油供应与控制系统可靠性低；

燃气涡轮发动机上燃油增压和调节分立工作、系统串联实施的工作状态下，只要两个系统中任意一个部件发生故障，都将影响发动机正常工作，且航空发动机不同工作状态下的工作能力、工作时限相差甚远，不能很好保证常用工作状态下的高可靠性。

（3）燃油供应与控制系统中燃油温度高、且升温快；

燃气涡轮发动机上燃油增压和调节分立工作模式下，采用高压燃油回油到增压泵前的方式调节燃油，由于在燃油增压过程中消耗能量大部分由燃油吸收，大量回油致使泵前燃油温度快速升高，影响增压泵的工作工况和工作效率，降低燃油冷却作为冷却介质的性能。

（4）燃油供应与控制系统体积大。

采用机械液压调节方式工作的燃气涡轮发动机燃油供应与控制系统，受发动机控制计划复杂性制约，使得整个系统体积庞大。

另外，对于以液体燃料为推进剂的航天动力装置，其燃油供应与控制系统可采用空气涡轮驱动燃油泵，或者高压气体挤压实现对燃油增压。燃油增压泵一般采用离心泵、齿轮泵，以及多泵组合实现，对于采用空气涡轮驱动的燃料供应与控制系统，动力来源由空气涡轮经减速装置引出，带动增压泵工作实现燃料增压，燃油流量由燃气发动机转速控制和阀门调节控制，对于挤压式的燃料供应与控制系统，动力来源由高压气体减压后挤压燃料箱中燃料实现燃料增压，燃油流量由高压气体压力和阀门调节控制。

对于采用空气涡轮驱动燃油泵或高压气体挤压的燃料供应与控制系统具有如下缺点：

（1）对于采用空气涡轮驱动燃油泵的燃料供应与控制系统控制复杂且供油精度不高；

采用空气涡轮驱动燃油泵的燃料供应与控制系统是通过空气涡轮转速控制和阀门调节控制实现燃料流量调节，而空气涡轮转动的转速要通过燃气发生器或者引入高速空气流的流量及流速控制，而实现燃气发生器或者引入高速空气流的流量和流速控制的控制计划复杂且精度不高。

（2）对于采用高压气体挤压的燃料供应与控制系统体供油时间短、体积庞大且可控性差；

采用高压气体挤压的燃料供应与控制系统，其动力来源是高压气体的储能，随着工作时间的增加，其高压气体储能持续减少，因此要实现该系统长时间工作要求高压气体储箱越大，且高压气体储箱强度要求也很高，同时随着工作时间增加，高压气体压力逐渐减下，致使需要专门的高压气体稳压装置，因此，采用高压气体挤压的燃料供应与控制系统体积庞大且可控性差。

（3）采用空气涡轮驱动燃油泵或高压气体挤压的燃料供应与控制系统可靠性不高。

无论采用空气涡轮驱动燃油泵的燃料供应与控制系统，还是采用高压气体挤压的燃料供应与控制系统，其系统是串联工作状态，只要两个系统中任意一个部件发生故障，都将影响正常工作，且在不同工作状态下的工作能力、工作时限相差甚远，不能很好保证常用工作状态下的高可靠性。

故急需一种系统工作效率和控制精度高、操控性能好、可靠性高、体积小且质量轻、维修保障性好的组合式电动燃油供应与控制系统。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于分布式控制理念、组合灵活、工作效率高、响应速度快、控制精度高、操控性好、可靠性高、体积/质量和效率优化、维修保障性好、具有容错处理和状态管理能力的模块化组合式电动燃油供应与控制系统。

本发明的技术解决方案是：

一种用于动力装置的模块化组合式电动燃油供应与控制系统，包括数个模块化电动燃油供应与控制单元（简称模块单元）、燃油综合管理器，以及燃油分配器，其特征在于：所述模块单元包括燃油增压泵、电动机及其控制装置、燃油流量控制器；所述燃油综合管理器包括燃油管理策略及分布式控制方式；所述燃油分配器包括燃油分配阀以及燃油喷嘴

燃油增压泵，用于提高燃油供应压力，实现供油能力和效率之间优化平衡；

电动机及其控制装置，用于实现油泵在大转速范围内的准确控制；

燃油流量控制器，用于燃油流量测量以及制定控制策略；

燃油综合管理器，用于制定燃油流量控制器的供油计划，并管理系统状态。

其特征在于：燃油供应与控制系统是由模块单元构成，各模块单元功能独立，模块性能参数系列化，模块可灵活组合；燃油供应与控制系统是多模块单元组合的，其组合方式根据动力装置特点确定，实现重要供油计划具有功能备份而提高可靠性，该燃油供应与控制系统是基于综合性能优化的系统。

通过模块化电动燃油供应与控制单元的组合和燃油综合管理器的管理与调节可以满足燃气涡轮发动机、冲压发动机、脉冲爆震发动机，以及各类组合动力装置所需燃油的供给与控制功能。

本发明的模块化组合式电动燃油供应与控制系统还设有燃油综合管理器，用于监测到的燃油流量以及燃油压力状态参数，并反馈给所述燃油综合管理器，所述燃油综合管理器按需要执行流量开环/闭环控制。

所述燃油综合管理器，用于监控模块化电动燃油供应与控制单元工作状态，并管理系统运行状态。

所述燃油综合管理器还用于监控电动燃油供应与控制单元的工作状态与效率，确定主工作通道及备份工作通道，实现系统工作的冗余备份，提高了可靠性。

本发明的有益效果：模块化组合式电动燃油供应与控制系是基于分布式控制理念，且可灵活组合，具有工作效率高、响应速度快、控制精度高、操控性好、可靠性高、体积和质量适中、维修保障性好、具有容错处理和状态管理能力等特点的燃油供应与控制系统。

附图说明

图1为本发明燃油流量控制器原理框图；

图2 为本发明组合式多模块化电动燃油供应与控制系统。

具体实施方式

实施例：

参阅图1至图2；一种用于动力装置的模块化组合式电动燃油供应与控制系统，包括数个模块化电动燃油供应与控制单元（简称模块单元）、燃油综合管理器，以及燃油分配器，其特征在于：所述模块单元包括燃油增压泵、电动机及其控制装置、燃油流量控制器；所述燃油综合管理器包括燃油管理策略及分布式控制方式；所述燃油分配器包括燃油分配阀以及燃油喷嘴

燃油增压泵，用于提高燃油供应压力，实现供油能力和效率之间优化平衡；

电动机及其控制装置，用于实现油泵在大转速范围内的准确控制；

燃油流量控制器，用于燃油流量测量以及制定控制策略；

燃油综合管理器，用于制定燃油流量控制器的供油计划，并管理系统状态。

其特征在于：燃油供应与控制系统是由模块单元构成，各模块单元功能独立，模块性能参数系列化，模块可灵活组合；燃油供应与控制系统是多模块单元组合的，其组合方式根据动力装置特点确定，实现重要供油计划具有功能备份而提高可靠性，该燃油供应与控制系统是基于综合性能优化的系统。

它还设有燃油综合管理器，用于监测到的燃油流量以及燃油压力状态参数，并反馈给所述燃油综合管理器，燃油综合管理器按需要执行流量开环/闭环控制。燃油综合管理器也还用于监控模块化电动燃油供应与控制单元工作状态，并管理系统运行状态。燃油综合管理器还用于监控电动燃油供应与控制单元的工作状态与效率，确定主工作通道及备份工作通道，实现系统工作的冗余备份和容错处理。

模块化组合式电动燃油供应与控制系统能按照动力装置对燃油流量的需求，考虑模块单元的供油能力，确定模块化单元的数目，及燃油综合管理器的优化控制策略，通过燃油流量控制计划与系统实测的燃油流量信号相比较产生偏差，并结合增压泵给定工作条件下的工作特性，形成电机转速偏差信号，然后控制永磁无刷直流电机转速实现所需燃油流量的精确控制，同时针对动力装置对燃油流量调节范围较大、某一工况下长时间工作的特点，综合决策出长时间工况下燃油供给与控制的备份状态，实现可靠性备份。由于直接采用电动增压泵转速控制，系统不存在大量回油，因此提高了系统效率、抑制了增压前燃油温升，相比现有燃油供应与控制系统，相应也减小了体积、控制复杂性，提高了控制精度和响应速度。

由于模块单元采用电能作为动力，能量损失主要转化为有害的热能，因此模块单元的关键是在严格控制系统质量（重量）和体积的条件下，提高系统的机械效率。为了提高效率，必须优化电机和油泵的参数，形成科学合理的设计。

对于燃气涡轮发动机燃气涡轮发动机、冲压发动机、脉冲爆震发动机，以及各类组合动力装置，其燃油供应流量变化范围较大时，可以由多个电动燃油供应与控制单元构建其燃油供应与控制系统，其系统结构如图2所示。动力装置总的燃油控制计划信号先输入燃油综合管理器，燃油综合管理器按照系统优化策略要求，分配每个模块单元的燃油流量计划和工作状态，之后模块单元根据分燃油流量计划，利用模块单元增压泵特性，采用流量反馈的闭环方式调节电机转速实时调节电动泵工作状态，在总的燃油供应与控制管路中设置相应状态监控模块，并将状态参数反馈给燃油综合管理器，并与总燃油控制计划形成偏差信号，修正分控制计划信息，实行闭环控制。同时，燃油综合管理器监控单元模块工作状态和效率，特别是对于长时间工作的额定状态，根据监控模块单元运行状态，确定主工作通道及备份工作通道，实现系统工作的冗余备份，提高可靠性。

实施例：对于某型涡喷发动机，慢车状态油耗0.12 Kg/s、巡航状态油耗0.85 Kg/s、最大状态油耗1.65Kg/s、小加力状态油耗2.25 Kg/s、最大加力状态油耗6.65Kg/s。根据要求，构建该发动机的燃油供应与控制系统可以选用两种标准的模块单元的组合来实现，其中模块单元性能参数如下（以航空煤油为工作介质）：第一种模块单元选取，最大供油压力达8MPa、供油流量大约 1.0Kg/s（流量调节范围：0.1—1.0Kg/s）、流量脉动不大于1%、输入电源为270VDC、，最大功率14KW、质量（重量）约20Kg的模块单元；第二种模块单元选取，最大供油压力达5MPa、供油流量大约2.0Kg/s（流量调节范围：0.3—2.0Kg/s）、流量脉动不大于1%、输入电源为270VDC、，最大功率18KW、质量（重量）约30Kg的模块单元；当发动机在非加力状态，可以采用两个供油流量为1.0Kg/s标准模块满足需要；当发动机工作在加力状态时，另选则三个供油流量为2.0Kg/s模块单元。对于航空发动机，加力状态使用时间较少，特别是全加力工作状态更少；相反地，巡航状态、最大推力状态依次为工作时间最长、次长工作状态；慢车和启动状态虽然工作时间不长，但可靠性非常重要，因此，满足发动机加力状态时的模块单元可以作为非加力工作状态的备份工作通道，并通过燃油分配阀的控制实现燃油供应要求；当发动机工作于最小加力状态时，需要三个模块单元，其供油能力可达4 Kg/s，四个模块单元工作状态的设定就需要燃油综合管理器根据相应控制策略来设定。

上列详细说明是本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (4)

1.一种用于动力装置的模块化组合式电动燃油供应与控制系统，包括数个模块化电动燃油供应控制单元（简称模块单元）、燃油综合管理器以及燃油分配器，其特征在于：所述模块单元包括燃油增压泵、电动机及其控制装置、燃油流量控制器；所述燃油综合管理器包括燃油管理策略及分布式控制方式；所述燃油分配器包括燃油分配阀以及燃油喷嘴； 

燃油增压泵，用于提高燃油供应压力，实现供油能力和效率之间优化平衡；

电动机及其控制装置，用于实现油泵在大转速范围内的准确控制；

燃油流量控制器，用于燃油状态测量以及制定控制策略；

燃油综合管理器，用于制定燃油流量控制器的供油计划，并管理系统状态；

其特征在于：燃油供应与控制系统是由模块单元构成，各模块单元功能独立，模块性能参数系列化，模块可灵活组合；燃油供应与控制系统是多模块单元组合的，其组合方式根据动力装置特点确定，实现重要供油计划具有功能备份而提高可靠性，该燃油供应与控制系统是基于综合性能优化的系统。

2.根据权利要求1所述的模块化组合式电动燃油供应与控制系统，其特征在于，所述燃油综合管理器，将监测到的燃油流量以及燃油压力状态参数反馈给所述燃油管理系统，所述燃油综合管理器按需要执行流量开环/闭环控制。

3.根据权利要求1所述模块化组合式电动燃油供应与控制系统，其特征在于，所述燃油综合管理器，用于监控模块单元工作状态，并管理系统运行状态。

4.根据权利要求1所述的模块化组合式电动燃油供应与控制系统，所述燃油综合管理器还用于监控电动燃油供应与控制单元的工作状态与效率，确定主工作通道及备份工作通道，实现系统工作的冗余备份。