CN110067652A - 一种航空发动机供油系统及供油控制方法 - Google Patents

Abstract

一种航空发动机供油系统，其特征在于，所述系统包括：结构部，所述结构部包括低压油泵、高压油泵、计量活门、回油活门、引射装置；所述低压油泵用于从飞机的油箱中抽取燃油；所述高压油泵用于对输入所述高压油泵的燃油进行增压；所述计量活门用于计量从所述高压油泵输出的一部分燃油的供油量，所述一部分燃油进入航空发动机燃烧室；所述回油活门用于将所述高压油泵输出的另一部分燃油向所述高压油泵回输，包括至少一个回油门；所述引射装置，将其中一个回油门输出的燃油引射低压油泵输出的燃油，并输出燃油到所述高压油泵。

Description

一种航空发动机供油系统及供油控制方法

技术领域

本发明属于发动机技术领域，尤其涉及一种航空发动机的供油系统及供油控制方法。

背景技术

目前，世界主流航空发动机主燃油计量供油原理为：通过机械液压控制保持计量前后压差恒定，此时，计量流量Q仅为计量活门面积A的函数，电子控制单元4(ECU)通过控制计量活门面积A来控制计量流量。为便于机械液压控制的实现，供油系统的供油泵采用了正定排量泵，计量后燃油的增压采用高压关断活门，使得当计量燃油到达一定压力时，才能推开高压关断活门，实现燃油增压，同时，不论控制单元4如何控制计量活门，飞机可以直接通过控制增压关断活门弹簧腔压力实现将供往燃烧室的燃油切断。

如上述所述原理目前仍是军民用航空发动机主计量活门的基本原理,目前公布最新的航空发动机如leap系列、PW1000、Trent 1000等仍然采用该原理。基于该原理，供油泵采用正定排量泵，如齿轮泵，由于齿轮泵结构简单可靠性好，流量特性好，几乎所有的军民用航空发动机主计量活门均采用该类齿轮泵，但使用该类齿轮泵所带来的负面问题：

1.由于需要保持计量前后压差恒定，计量活门必须将齿轮泵供给的多余燃油返回到齿轮泵进口，特别是在高空慢车状态，燃油供给量小，计量后的燃油压力小，为了保持计量前后压差恒定，80％～90％的燃油需要返回，导致大量的液压功率在回油路中变成热量释放到燃油中，导致燃油温度大幅上升，燃油温度上升直接导致一些敏感元件，如传感器、电液伺服元件等特性衰退或改变，并且由于燃油温度上升粘度下降润滑性能降低，进一步使得运动部件出现磨损或结构件强度降低，另外，由于燃油温度上升导致燃油析出结焦物，容易引起精密元件污染和卡滞；

2.齿轮泵一般作为限寿件，即当工作一定时数后，进行返厂大修，无法自检或在翼检查。

因此，本领域需要一种能够降低返回燃油的液压功率损失、实现供油齿轮泵在线自检测的供油系统以及供油控制方法。

发明内容

本发明的目的提出一种能够降低返回燃油的液压功率损失、实现供油齿轮泵在线自检测的供油系统及供油控制方法。

一种航空发动机供油系统，所述系统包括：

结构部，所述结构部包括低压油泵、高压油泵、计量活门、回油活门、引射装置；

所述低压油泵用于从飞机的油箱中抽取燃油；

所述高压油泵用于对输入所述高压油泵的燃油进行增压；

所述计量活门用于计量从所述高压油泵输出的一部分燃油的供油量，所述一部分燃油进入航空发动机燃烧室；

所述回油活门用于将所述高压油泵输出的另一部分燃油向所述高压油泵回输，包括至少一个回油门；

所述引射装置，将其中一个回油门输出的燃油引射低压油泵输出的燃油，并输出燃油到所述高压油泵。

在一个实施例中，所述高压油泵为齿轮泵。

在一个实施例中，所述结构部还包括关断活门、停车控制阀、单向阀、引射控制阀，所述停车控制阀在开启状态时，用于将所述高压油泵输入的高压燃油输送至所述关断活门，以关闭所述关断活门；所述停车控制阀在开启状态时，还用于将高压油泵输入的高压燃油经过单向阀输送至所述回油活门；所述引射装置控制阀用于控制流入所述引射装置的燃油量。

在一个实施例中，所述回油活门包括回油活门，所述回油活门包括第一回油门、第二回油门，所述第一回油门用于将燃油输入至所述引射装置，所述第二回油门用于将燃油输入至所述高压油泵。

在一个实施例中，所述系统还包括控制部，所述控制部包括控制单元、计量活门位置传感器、回油活门位置传感器、计量活门控制阀、回油活门控制阀、第一压力传感器、第二压力传感器、温度传感器、转速传感器，所述第一压力传感器、第二压力传感器分别用于感测燃油经过所述计量活门前后的压力，所述温度传感器用于感测燃油经过所述计量活门后的温度，所述转速传感器用于感测发动机转子的转速；所述控制单元接收所述计量活门位置传感器、回油活门位置传感器、第一压力传感器、第二压力传感器、温度传感器、转速传感器感测的信号，并输出信号控制计量活门控制阀、回油活门控制阀。

在一个实施例中，所述控制部还包括定压活门，所述定压活门输出定压力燃油为所述计量活门控制阀、回油活门控制阀提供油源。

在一个实施例中，控制单元包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

步骤a.根据发动机的燃油需求量确定所述计量活门的期望位置；

步骤b.检测、调节所述计量活门的实际状态，使其达到步骤a所述的

计量活门的期望位置；

步骤c.确定所述回油活门的期望位置：

根据燃油经过所述计量活门前后的压力值，计算所述回油活门的第一期望位置；

根据回油活门的第一期望位置的燃油经过所述计量活门前的压力值，与实际状态的燃油经过所述计量活门前的压力值，计算所述回油活门的第二期望位置；

根据所述计量活门的开启或关闭状态判断输出所述回油活门的第一期望位置或第二期望位置；

步骤d.检测、调节所述回油活门的实际状态，使其达到步骤c所述输出的计量活门的第一期望位置或第二期望位置。

在一个实施例中，所述步骤c中计算所述回油活门的第一期望位置、第二期望位置的算法为PI或PID算法。

在一个实施例中，所述存储器存储了标定数据，所述标定数据包括高压油泵在正常状态下，发动机的转速值对应的燃油经过所述计量活门之前的压力值，所述处理器执行所述程序时还实现以下步骤：

步骤e.根据发动机的实际转速，当实际转速与所述标定数据的发动机转速相等时，对比实际的燃油经过所述计量活门之前的压力值与所述标定数据的压力值。

在一个实施例中，所述标定数据还包括高压油泵在正常状态下，发动机的转速值、计量活门位置、回油活门位置对应的燃油经过所述计量活门之前的压力值，所述步骤e还包括，当发动机的实际转速、所述计量活门、所述回油活门的实际位置与标定数据相等时，对比实际的燃油经过所述计量活门之前的压力值与所述标定数据的压力值。

本发明的进步效果在于，针对现有技术中燃油供给系统为了保持计量前后压差恒定，导致大量的液压功率在回油路中变成热量释放到燃油中，导致燃油温度大幅上升的缺点，本发明提出了一种航空发动机供油系统及供油控制方法，该系统及方法通过在回油活门中增设回油门、引射装置的设计，将回油油路中的液压功率用于对从低压油泵进入的燃油进行增压，实现了对液压功率的重复利用；同时，通过回油活门的第二期望位置、单向阀的设置，使得在停车状态时，燃油供给系统能够及时释放压力，避免供油系统压力超限；同时，通过对高压转子转速、回油活门位置、计量活门位置、计量前压力P1以及温度的分析，判断高压油泵的当前状态，实现了对高压油泵的在线自检，进一步增强了供油系统的可靠性。

附图说明

本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

图1本发明的航空发动机供油系统一实施例示意图。

图2本发明的航空发动机供油系统控制步骤一实施例流程图。

图3本发明的航空发动机供油系统检测步骤一实施例流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

需要注意的是，附图仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。

参考图1，本发明的一种航空发动机供油系统的实施例，包括结构部、控制部，结构部包括高压油泵1、计量活门16、回油活门14、引射装置19、低压油泵20，本实施例中，结构部还包括关断活门11、停车控制阀12、单向阀10。回油活门14包括第一回油门17、第二回油门15。控制部包括第一压力传感器2、第二压力传感器7、温度传感器9、转速传感器3、计量活门位置传感器6、回油活门位置传感器13、计量活门位置控制阀5、回油活门位置控制阀22、引射装置控制阀18、控制单元4。

燃油在本实施例中的流动路线如下：低压油泵20的进口通过管路连接飞机油箱从其抽取燃油，用于将来自飞机油箱的燃油增压，以防止高压油泵1发生气蚀，低压油泵20的出口连接引射装置19，经过低压油泵20一次增压的燃油作为引射介质进入引射装置19，引射装置19的出口通过管路连接高压油泵1，高压油泵1在本实施例中为齿轮泵，但不以此为限。高压油泵1由航空发动机的转子驱动，即高压油泵1的转速与发动机转速成正比。将燃油经过高压油泵1增压后的压力，记为计量前压力P1，经过高压油泵1增压后的燃油分别进入计量活门16、回油活门14，计量活门16的位置控制燃油供给至燃烧室的流量，燃油经过计量活门16后，再经过关断活门11，当燃油压力与关断活门弹簧力平衡时，关断活门11稳定；将燃油经过计量活门16之后的压力，记为计量后压力P2，燃油经过关断活门11后，最终进入燃烧室。进入回油活门14油路的燃油，其压力与计量前压力P1相等，回油活门14包括第一回油门17、第二回油门15，燃油从第一回油门17流出后，经过引射装置控制阀18，作为工作介质流入引射装置19，用以对经过低压油泵20流入引射装置19的燃油进行增压，使得进入高压油泵1前后的燃油压差减小，从而减小了高压油泵1的载荷；而燃油从第二回油门15直接流回高压油泵1。第一回油门17、第二回油门15的开度由回油活门14的位移进行调节。

参考图1、图2，在燃油的供油控制部中，控制单元4接收来自计量活门位置传感器6、回油活门位置传感器13、燃油温度传感器9、计量前压力传感器2、发动机转速传感器3的信号。

计量活门位置传感器6可以是直线位移传感器，例如线性可变差动变压器(LVDT)。计量活门控制阀5可以是电液伺服阀。计量活门位置传感器6将计量活门16位置反馈给控制单元4，控制单元4根据计量活门位置传感器6的位置信号计算出驱动计量活门控制阀5的电流，以控制计量活门16的位置。

回油活门位置传感器13可以是直线位移传感器，例如线性可变差动变压器(LVDT)。回油活门控制阀22可以是电液伺服阀。回油活门位置传感器13将回油活门14位置反馈给控制单元4，控制单元4根据回油活门位置传感器13的回油活门位置信号计算出驱动回油控制阀22的电流，以控制回油活门14的位置。

当计量活门控制阀5与回油活门控制阀22为电液伺服阀时，由定压活门8输出的定压力燃油作为供油源。

流经计量活门的供油量理论上可被计算为：其中Q为计量燃油量，μ为常量，由计量活门所决定，A是计量活门16的开启面积，ΔP是P1与P2的实际压差，以及ρ是燃油密度。由于ΔP应保持恒定，公式中只有一个自变量，即计量活门16的开启面积A。

控制单元4包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如图2所示的以下步骤：

步骤a：根据发动机的燃油需求量确定计量活门16的期望位置；

具体地，控制单元4可先根据发动机的工作状态来计算该燃油需求量，然后确定计量活门16的期望位置。

本步骤可以通过本领域技术人员熟知的试验标定过程来确定。例如，事先已经通过试验标定出计量活门16的位置对应多少的供给燃油量，这些标定的试验数据存储在控制单元4中。工作中，由控制单元4根据发动机的工作状态计算出需要的燃油量，然后根据该燃油需求量去查找该试验数据以确定对应的计量活门16的期望位置。

优选地，关断活门11的下游处设有温度传感器9以感测燃油温度。燃油温度的变化导致燃油密度也相应发生变化。发动机燃烧室需要的是质量流量，但计量活门16计量的是体积流量，因此，控制单元4计算出来并向计量活门指示的燃油需求量也是体积流量。于是，由于密度的变化，导致实际供给的燃油量出现误差。在本发明中，可由温度传感器9对油温进行感测，并且感测到的油温可以被控制单元4用于对燃油需求量进行校正，并根据校正后的燃油需求量来确定计量活门16的期望位置。

步骤b：计量活门16的实际位置检测与调节；

具体地，计量活门位置传感器6不断地感测当前计量活门16的实际位置，并将其反馈给控制单元4，控制单元4驱动计量活门控制阀5，调节计量活门16的实际位置至期望位置。

步骤c：确定回油活门14的期望位置；

具体地，由第一压力传感器2与第二压力传感器7得到P1与P2的实际压差，若该实际压差与恒定的ΔP的期望值存在偏差，则回油活门14的实际位置与期望位置也存在偏差，通过实际压差与期望压差的偏差来计算出回油活门14的第一期望位置，同时通过第一压力传感器2测得P1的实际值与P1的期望值的偏差，根据P1的实际值与期望值的偏差计算出回油活门14的第二期望位置，上述计算应尽量包含一个积分算法，以消除引射装置19及油路连接所带来的不稳定因素，该计算可以是PI、PID等常规的包含积分算法的算法。上述回油活门14的第一期望位置、第二期望位置，根据计量活门位置传感器6的位置信号判断计量活门16的开启状态，若计量活门16处于开启状态，则将出回油活门14的实际位置调整到回油活门的第一期望位置，若计量活门16处于关闭状态，则将出回油活门14的实际位置调整到回油活门第二期望位置。

步骤d：回油活门14的实际位置检测与调节

具体地，回油活门位置传感器13不断地感测当前回油活门14的实际位置，并将其反馈给控制单元4，控制单元4驱动回油活门控制阀22，调节回油活门14的实际位置至回油活门14的第一期望位置或第二期望位置，使得ΔP保持恒定。

再具体地，例如，当发动机处于慢车状态，需要减小往燃烧室的供油量时，控制单元4计算出减小供油量的计量活门16的期望位置，并驱动计量活门控制阀5调节计量活门16至期望位置，以减小往燃烧室的供油量；计量活门16输出的油量减小后，P2随之减小，ΔP随之增大，由第一压力传感器2与第二压力传感器7得到P1与P2的实际压差，将该实际压差与恒定的ΔP的期望值的偏差，通过算法得到回油活门14的第一期望位置；同时第一压力传感器2测得的P1的实际值与P1的期望值的偏差通过算法计算出回油活门14的第二期望位置；此时计量活门16仍处于开启状态，因此输出回油活门14的第一期望位置；控制单元4根据回油活门位置传感器13感测的当前回油活门14的实际位置，驱动回油活门控制阀22，调节回油活门14的实际位置至回油活门14的第一期望位置，即回油活门14位置的下移，增大了第一回油门17的开启面积，燃油经过第一回油门17、引射装置控制阀18之后作为工作介质进入引射装置19，对经过低压油泵20的燃油进行增压，使得进入高压油泵1前后的燃油压差减小，从而减小了高压油泵1的载荷。同时，也避免了现有技术中，燃油直接返回高压油泵1造成的高压燃油在回油油路中，液压功率变成热量释放到燃油中，导致燃油温度大幅上升的缺点。

再例如，当发动机处于停车状态时，计量活门16关闭，处于常闭状态的停车阀12开启，具有P1压力的然后从停车阀12流过，高压力燃油驱动关断活门11关闭，阻止燃油进入燃烧室。此时，P2＝P1，ΔP骤降为0，由于计量活门16处于关闭状态，因此输出回油活门14的第二期望位置；控制单元4根据回油活门位置传感器13感测的当前回油活门14的实际位置，驱动回油活门控制阀22，调节回油活门14的实际位置至回油活门14的第二期望位置，回油活门14的位置继续下移，开启第二回油门15，将燃油回流至高压泵1；同时从停车阀12流过的高压燃油推动开启常闭的单向阀10，将高压燃油导入回油活门14，推动回油活门14向下运动，进一步打开第二回油门15。由上可知，回油活门14的第二期望位置、单向阀10的设置，使得在停车状态时，燃油供给系统能够及时释放压力，避免供油系统压力超限。

容易理解，根据闭环控制的原理，通过多次循环上述步骤可以迅速缩小位置偏差量直至偏差为零。在不同的循环中，调整量的绝对值可以根据偏差量的绝对值而定，在初始的循环中，位置偏差量绝对值较大时，可以较大的调整幅度进行调整，随着位置偏差量的绝对值的缩小，调整幅度也逐渐缩小。

如图3所示，根据本发明的一方面的航空发动机在翼检测高压油泵1性能方法的示意图。该方法可包括：

步骤a：根据发动机的转速，标定P1的期望值；

本步骤可以通过本领域技术人员熟知的试验标定过程来确定。例如，通过试验标定出在高压油泵1在正常状态下，发动机的转速值对应的燃油经过所述计量活门之前的压力值P1，将标定数据储存在控制单元4的存储器中。

控制单元4的处理器执行程序时还实现以下步骤：

步骤e：判断P1实际值；

根据发动机的实际转速，当实际转速与上述标定数据的发动机转速相等时，对比实际的燃油经过所述计量活门之前的压力值与所述标定数据的压力值。工作中，由控制单元4根据转速传感器3感测的发动机转速、第一压力传感器2感测的P1实际值，对应实际工作状态下的发动机转速与P1实际值，与标定数据的P1期望值对比，判断P1的实际值是否过小，从而判断高压油泵1的当前状况。

优选地，为了更精确地对应发动机转速与P1，标定数据还应包括计量活门16的位置、回油活门14的位置、发动机的转速值，对应的燃油经过所述计量活门之前的压力值P1；判断P1实际值时，结合计量活门16、回油活门14的实际位置的位置判断高压油泵1的当前状况。

尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些步骤不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

综上，针对现有技术中燃油供给系统为了保持计量前后压差恒定，导致大量的液压功率在回油路中变成热量释放到燃油中，导致燃油温度大幅上升的缺点，本发明提出了一种航空发动机供油系统及供油控制方法，该系统及方法通过在回油活门中增设回油门、引射装置的设计，将回油油路中的液压功率用于对从低压油泵进入的燃油进行增压，实现了对液压功率的重复利用；同时，通过回油活门14的第二期望位置、单向阀10的设置，使得在停车状态时，燃油供给系统能够及时释放压力，避免供油系统压力超限；同时，通过对高压转子转速、回油活门14位置、计量活门16位置、计量前压力P1以及温度的分析，判断高压油泵1的当前状态，实现了对高压油泵的在线自检，进一步增强了供油系统的可靠性。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种航空发动机供油系统，其特征在于，所述系统包括：

结构部，所述结构部包括低压油泵、高压油泵、计量活门、回油活门、引射装置；

所述低压油泵用于从飞机的油箱中抽取燃油；

所述高压油泵用于对输入所述高压油泵的燃油进行增压；

所述计量活门用于计量从所述高压油泵输出的一部分燃油的供油量，所述一部分燃油进入航空发动机燃烧室；

所述回油活门用于将所述高压油泵输出的另一部分燃油向所述高压油泵回输，包括至少一个回油门；

所述引射装置，将其中一个回油门输出的燃油引射低压油泵输出的燃油，并输出燃油到所述高压油泵。

2.如权利要求1所述的航空发动机供油系统，其特征在于，所述高压油泵为齿轮泵。

3.如权利要求1所述的航空发动机供油系统，其特征在于，所述结构部还包括关断活门、停车控制阀、单向阀、引射控制阀，所述停车控制阀在开启状态时，用于将所述高压油泵输入的高压燃油输送至所述关断活门，以关闭所述关断活门；所述停车控制阀在开启状态时，还用于将高压油泵输入的高压燃油经过单向阀输送至所述回油活门；所述引射装置控制阀用于控制流入所述引射装置的燃油量。

4.如权利要求1所述的航空发动机供油系统，其特征在于，所述回油活门包括回油活门，所述回油活门包括第一回油门、第二回油门，所述第一回油门用于将燃油输入至所述引射装置，所述第二回油门用于将燃油输入至所述高压油泵。

5.如权利要求1所述的航空发动机供油系统，其特征在于，所述系统还包括控制部，所述控制部包括控制单元、计量活门位置传感器、回油活门位置传感器、计量活门控制阀、回油活门控制阀、第一压力传感器、第二压力传感器、温度传感器、转速传感器，所述第一压力传感器、第二压力传感器分别用于感测燃油经过所述计量活门前后的压力，所述温度传感器用于感测燃油经过所述计量活门后的温度，所述转速传感器用于感测发动机转子的转速；所述控制单元接收所述计量活门位置传感器、回油活门位置传感器、第一压力传感器、第二压力传感器、温度传感器、转速传感器感测的信号，并输出信号控制计量活门控制阀、回油活门控制阀。

6.如权利要求5所述的航空发动机供油系统，其特征在于，所述控制部还包括定压活门，所述定压活门输出定压力燃油为所述计量活门控制阀、回油活门控制阀提供油源。

7.如权利要求5所述的航空发动机供油系统，其特征在于，控制单元包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

步骤a.根据发动机的燃油需求量确定所述计量活门的期望位置；

步骤b.检测、调节所述计量活门的实际状态，使其达到步骤a所述的计量活门的期望位置；

步骤c.确定所述回油活门的期望位置：

根据燃油经过所述计量活门前后的压力值，计算所述回油活门的第一期望位置；根据回油活门的第一期望位置的燃油经过所述计量活门前的压力值，与实际状

态的燃油经过所述计量活门前的压力值，计算所述回油活门的第二期望位置；根据所述计量活门的开启或关闭状态判断输出所述回油活门的第一期望位置或第二期望位置；

步骤d.检测、调节所述回油活门的实际状态，使其达到步骤c所述输出的计量活门的第一期望位置或第二期望位置。

8.如权利要求7所述的航空发动机供油系统，其特征在于，所述步骤c中计算所述回油活门的第一期望位置、第二期望位置的算法为PI或PID算法。

9.如权利要求8所述的航空发动机供油系统，其特征在于，所述存储器存储了标定数据，所述标定数据包括高压油泵在正常状态下，发动机的转速值对应的燃油经过所述计量活门之前的压力值，所述处理器执行所述程序时还实现以下步骤：

步骤e.根据发动机的实际转速，当实际转速与所述标定数据的发动机转速相等时，对比实际的燃油经过所述计量活门之前的压力值与所述标定数据的压力值。

10.如权利要求9所述的航空发动机供油系统，其特征在于，所述标定数据还包括高压油泵在正常状态下，发动机的转速值、计量活门位置、回油活门位置对应的燃油经过所述计量活门之前的压力值，所述步骤e还包括，当发动机的实际转速、所述计量活门、所述回油活门的实际位置与标定数据相等时，对比实际的燃油经过所述计量活门之前的压力值与所述标定数据的压力值。