CN110318886A - 一种基于双联齿轮泵的燃油计量系统及其匹配方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于航空发动机燃油控制技术领域，涉及一种基于双联齿轮泵的燃油计量系统及其匹配方法。所述燃油计量系统包括由小流量齿轮泵与大流量齿轮泵构成的双联齿轮泵，双联齿轮泵通过回油活门进行回油，回油活门包括对大流量齿轮泵回油进行调节的第一阀门，回油活门内第一阀门的开启通过压差活门进行自动调控，压差活门的输入端分别连接在计量活门的入口端及出口端，从而将计量活门的压力差反馈给回油活门，进行回油的阀门开度调节。本发明燃油计量系统能够根据发动机不同工况调整双联齿轮泵的工作模式，解决低工况下高压燃油大量回油导致的能量损失大、燃油温升高的问题，显著提高了燃油计量系统乃至发动机的整体性能。

Description

一种基于双联齿轮泵的燃油计量系统及其匹配方法

技术领域

本申请属于航空发动机燃油控制技术领域，特别涉及一种基于双联齿轮泵的燃油计量系统及其匹配方法。

背景技术

航空发动机数字电子控制系统中，燃油计量系统属于控制系统的执行机构子系统，主要用以实现供发动机燃烧的燃油流量计量功能。燃油计量系统是航空发动机控制系统的重要组成部分，需在发动机所有工作状态下，供给燃油，并根据电子控制器指令调节供入发动机燃烧室的燃油流量。航空发动机的工作状态通常包括起动过程、慢车状态、巡航状态、起飞状态等，不同状态下燃烧室对燃油流量的要求不同，巡航状态的燃油需求量远小于起飞状态，并且工作持续时间最长，是航空发动机设计中需重点考虑的状态。

现有常规燃油计量系统通常基于齿轮泵实现，以民航大量采用的CFM56-5B发动机燃油计量系统为例，燃油从飞机燃油系统进入发动机进油管，流经低压级离心泵对燃油进行初步增压，然后经过主燃油/滑油热交换器、燃油滤再进入高压级齿轮泵再次增压，成为高压燃油。此后燃油进入燃油调节器，目的是计量供给燃烧室的燃油流量，再经燃油流量传感器、燃油喷嘴后进入燃烧室。

由于齿轮泵属于定量泵，因此上述采用齿轮泵的常规燃油计量系统为了计量燃油流量，必须设置回油元件将齿轮泵出口的一部分高压燃油回流至压力较低的进口。高压燃油回流至低压存在能量损失，产生热量，这部分热量被燃油吸收，引起油温升高。

在发动机起飞状态下，发动机耗油量较大，高压齿轮泵后的燃油大部分供给燃烧室，回油量较小，燃油温度升高幅度不大。但当发动机处于慢车、巡航等工作状态时，高压齿轮泵转速较高，输出的燃油流量大，而发动机消耗的燃油流量较少，所以此时高压燃油大量回油，存在较大的能量损失，并可能导致燃油温升过高。

燃油温度过高将降低燃油的热稳定性，在燃油中容易形成非溶性沉积物，一方面它可以使发动机的过滤器堵塞，使发动机供油的可靠性降低，另一方面，它将降低热交换器的效率，影响对飞机其它系统的冷却效果。因此采用齿轮泵的常规燃油计量系统通常需增加回油阀结构，当燃油温度过高时，将发动机内的一部分热燃油返回飞机油箱(通常为单独设置的热油箱)，导致发动机和飞机的相关系统结构复杂。

可见，现有的燃油计量系统存在某些工况下能量损失大、燃油温升高的问题，制约了燃油计量系统性能的进一步提升，同时增加了发动机及飞机相关系统的结构复杂度。

发明内容

本发明针对现有燃油计量系统存在的某些工况下能量损失大、燃油温升高问题，提出了一种基于双联齿轮泵的燃油计量系统及其匹配方法。

本申请第一方面提供了一种基于双联齿轮泵的燃油计量系统，包括：

小流量齿轮泵，其出口端通过主管路连接燃烧室；

大流量齿轮泵，其出口端分为两路，一路通过单向阀连接至所述主管路上，另一路连接至回油活门的窗口D；

主管路，入口端连接所述小流量齿轮泵及大流量齿轮泵，出口端连接燃烧室，所述主管路自入口端至出口端依次设置有主回油管路及计量活门；

回油活门，包括第一衬套及在所述第一衬套内滑动的第一阀芯，所述第一阀芯底端通过第一压差弹簧固定在第一衬套内，所述第一阀芯包括第一环状凸起及第二环状凸起，用于将所述衬套分割成上半部分、中间部分及下半部分，所述衬套具有连通上半部分及下半部分的通孔，所述通孔内置有节流阀，所述上半部分连接所述主回油管路，用于将所述主管路的回油通过窗口C回流，所述下半部分与压差活门的输出端连通，所述中间部分通过窗口D接收大流量齿轮泵的燃油，并通过窗口E回流所述大流量齿轮泵的燃油，所述第一阀芯在所述第一衬套内运动时，所述第一环状凸起用于打开或闭合窗口C，所述第二环状凸起用于打开或闭合窗口E；

压差活门，其输入端分别连接在所述计量活门的入口端及出口端，其输出端连接所述回油活门的下半部分，所述压差活门用于将计量活门的入口端及出口端的压力差反馈给回油活门。

优选的是，所述回油活门包括第二衬套及在所述第二衬套内滑动的第二阀芯，所述第二阀芯底端通过第二压差弹簧固定在第二衬套内，所述第二阀芯包括上凸起、中间凸起及下凸起，计量活门的入口端连接至所述上凸起与第二衬套的上壁形成的腔体内，计量活门的出口端通过窗口B连接至所述上凸起与中间凸起形成的腔体内，压差活门的输出端通过窗口A连接至回油活门，所述第二阀芯在所述第二衬套内运动时，所述中间凸起用于打开或闭合窗口A。

优选的是，所述计量活门的出口端还通过节流管路连接至所述压差活门的第二衬套的中间凸起与下凸起形成的腔体内，所述节流管路内设置有节流嘴。

优选的是，受所述第一压差弹簧及回油活门内燃油的共同作用，所述回油活门包括极上工作位置及极下工作位置，所述回油活门在所述极上工作位置时，所述窗口C及窗口E均完全打开，所述回油活门在所述极下工作位置时，所述窗口C及窗口E均完全关闭。

本申请第二方面提供了一种基于双联齿轮泵的燃油计量系统匹配方法，包括双联齿轮泵最大流量匹配设计、回油活门与双联齿轮泵的匹配设计以及回油活门与压差活门的匹配设计，其中，回油活门与压差活门的匹配设计包括：

步骤一、构建回油活门力平衡关系；

步骤二、构建由压差活门窗口A与节流阀所组成的分压器方程；

步骤三、确定分压器的分压比与回油活门内的第一压差弹簧压缩量之间的关系；

步骤四、根据分压比范围确定所述第一压差弹簧压缩量范围；

步骤五、根据所述第一压差弹簧压缩量范围设计所述第一压差弹簧。

优选的是，所述步骤一中，回油活门力平衡关系包括：

A·P₁＝AP_f+k·x

其中，A为回油活门截面面积；P₁为计量活门入口端的压力；P_f为回油活门下半部分燃油压力；k为回油活门第一压差弹簧的刚度；x为回油活门弹簧压缩量。

优选的是，所述步骤二中，分压器方程为：

P_f＝ΔP·α+P₂

其中，α为分压器的分压比，P₂为计量活门出口端的压力；ΔP为计量活门前后压差。

本发明阐述的燃油计量系统可直接应用于航空发动机。本发明阐述的燃油计量系统能够根据发动机不同工况调整双联齿轮泵的工作模式，解决低工况下高压燃油大量回油导致的能量损失大、燃油温升高的问题，可显著提高燃油计量系统乃至发动机的整体性能。

附图说明

图1是本申请基于双联齿轮泵的燃油计量系统连接示意图。

图2是本申请图1所示实施例中的回油活门极上工作位置示意图。

图3是本申请图1所示实施例中的回油活门极下工作位置示意图。

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方式中的附图，对本申请实施方式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。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，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方式，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方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。

本发明基于小流量齿轮泵1和大流量齿轮泵2组成的双联齿轮泵系统，通过回油活门这一特殊结构的设计，实现：在发动机小工况下，只有小流量齿轮泵1向计量系统供油，大流量齿轮泵2处于无负载状态；在大工况下，小流量齿轮泵1和大流量齿轮2同时向计量系统供油。

本申请第一方面提供了一种基于双联齿轮泵的燃油计量系统，如图1所示，主要包括：

小流量齿轮泵1，其出口端通过主管路连接燃烧室；

大流量齿轮泵2，其出口端分为两路，一路通过单向阀3连接至所述主管路上，另一路连接至回油活门的窗口D；

主管路，入口端连接所述小流量齿轮泵1及大流量齿轮泵2，出口端连接燃烧室，所述主管路自入口端至出口端依次设置有主回油管路及计量活门12；

回油活门，包括第一衬套6及在所述第一衬套内滑动的第一阀芯4，所述第一阀芯4底端通过第一压差弹簧7固定在第一衬套6内，所述第一阀芯包括第一环状凸起41及第二环状凸起42，用于将所述衬套分割成上半部分、中间部分及下半部分，所述衬套具有连通上半部分及下半部分的通孔，所述通孔内置有节流阀5，所述上半部分连接所述主回油管路，用于将所述主管路的回油通过窗口C回流，所述下半部分与压差活门的输出端连通，所述中间部分通过窗口D接收大流量齿轮泵2的燃油，并通过窗口E回流所述大流量齿轮泵3的燃油，所述第一阀芯4在所述第一衬套6内运动时，所述第一环状凸起41用于打开或闭合窗口C，所述第二环状凸起42用于打开或闭合窗口E；

压差活门，其输入端分别连接在所述计量活门12的入口端及出口端，其输出端连接所述回油活门的下半部分，所述压差活门用于将计量活门12的入口端及出口端的压力差反馈给回油活门。

本申请双联齿轮泵由小流量齿轮泵1和大流量齿轮泵2组成，双泵由发动机转子通过传动机构同时驱动。

本申请回油活门采用滑阀结构，包括阀芯、衬套、压差弹簧等基本结构，阀芯中央开孔，使得活门上、下两端油路通过一个节流阀相通。回油活门衬套上开有窗口C、D、E：窗口C与燃油进口相通，为小流量齿轮泵1提供回油通路；窗口D与大流量齿轮泵2出油口相通，将大流量齿轮泵2输出的燃油引入回油活门；窗口E与燃油进口相通，为大流量齿轮泵2提供回油通路。

回油活门包括第二衬套10及在所述第二衬套内滑动的第二阀芯9，所述第二阀芯9底端通过第二压差弹簧11固定在第二衬套10内，所述第二阀芯包括上凸起91、中间凸起92及下凸起93，计量活门12的入口端连接至所述上凸起91与第二衬套10的上壁形成的腔体内，计量活门12的出口端通过窗口B连接至所述上凸起91与中间凸起92形成的腔体内，压差活门的输出端通过窗口A连接至回油活门，所述第二阀芯(9)在所述第二衬套10内运动时，所述中间凸起92用于打开或闭合窗口A。

本申请压差活门也采用滑阀结构，由阀芯、衬套、压差弹簧等组成。压差活门上端与计量活门前燃油13相通。压差活门衬套上开有油路窗口A和B，窗口B与计量活门后燃油14相通，窗口A与回油活门的下端燃油16相通。为了增加压差活门阀芯9的阻尼，使其运动平稳，在压差活门下端通往计量活门后燃油14的油路中设置有节流嘴8。

本申请回油活门与压差活门的工作原理为：

双联齿轮泵将进口燃油增压，通过回油活门和压差活门间的配合实现双联齿轮泵工作模式的切换，并保证计量活门前后压差恒定。通过电子控制器控制计量活门开度，实现对供往发动机燃烧室的燃油流量的控制。具体工作原理如下：

压差活门的第二阀芯9上端作用有计量活门前燃油13的压力，下端作用有计量活门后燃油14的压力和第二压差弹簧11的预紧力，当压差活门处于稳定状态时，第二阀芯9受力平衡，计量活门前后压力差维持恒定。回油活门的第一阀芯4上端作用有燃油计量活门前燃油13的压力，下端作用有弹簧预紧力和上端燃油经过节流阀5后的燃油16的压力，当回油活门处于稳定状态时，第一阀芯4受力平衡。

当发动机改变工作状态时，电子控制器发出指令改变计量活门开度，此时计量活门12前后压差发生改变，压差活门的第二阀芯9与回油活门的第一阀芯4进入动态调整过程。以发动机由起飞状态逐渐降低转速(发动机消耗的燃油流量也逐渐下降)为例：

(1)发动机处于起飞状态时，窗口C完全关闭，窗口E部分关闭，小流量齿轮泵1回油量为零，大流量齿轮泵回油量很小，小流量齿轮泵1与大流量齿轮泵2同时向计量系统供油，当有某种干扰因素破坏第二阀芯9的力平衡时，将通过压差活门的第二阀芯9的移动控制回油活门第一阀芯4的移动来调整回油流量，从而维持计量活门前后压差恒定。若发动机转速下降，电子控制器将控制计量活门12开度减小，使计量活门12后燃油14的流量减少、压力降低，此时计量活门12的前后压差增大，第二阀芯9两端所受的燃油压力差大于弹簧预紧力，第二阀芯9向下移动，窗口A流通面积变大。由于窗口A与节流阀5构成分压器结构，因此窗口A流通面积变大使回油活门下端燃油16的压力随之降低，第一阀芯4受力不平衡向下移动，窗口E的流通面积随之变大，大流量齿轮泵2的回油流量变大，计量活门前燃油13的压力降低，压差活门的第二阀芯9逐渐回到受力平衡的稳定状态，计量活门前后压差也恢复为原值。

(2)自起飞状态持续降低发动机转速，使发动机消耗的燃油流量逐渐下降，则回油活门的第一阀芯4也逐渐下移将多余燃油回油至燃油进口。当回油活门的第一阀芯4移动至窗口E完全打开时，大流量齿轮泵2输出的燃油全部返回燃油进口，此后大流量齿轮泵2退出工作，只有小流量齿轮泵1向计量系统供油。设计窗口D、E的流通面积，可保证大流量齿轮泵2退出工作后，其出口压力较低，相当于进入无负载状态，损耗的能量较少。

(3)大流量齿轮泵2退出工作后，若继续降低发动机转速，系统的工作原理与大流量齿轮泵2退出工作前基本一致，区别仅在于窗口E完全打开，窗口C部分打开，回油活门通过调整窗口C的流通面积改变小流量齿轮泵1的回油流量。

如图2及图3所示，受所述第一压差弹簧7及回油活门内燃油的共同作用，所述回油活门包括极上工作位置及极下工作位置，所述回油活门在所述极上工作位置时，所述窗口C及窗口E均完全打开，所述回油活门在所述极下工作位置时，所述窗口C及窗口E均完全关闭。

本申请第二方面提供了一种基于双联齿轮泵的燃油计量系统匹配方法，对上述的基于双联齿轮泵的燃油计量系统进行双联齿轮泵最大流量匹配设计、回油活门与双联齿轮泵的匹配设计以及回油活门与压差活门的匹配设计。其中，回油活门与压差活门的匹配设计主要指第一压差弹簧的参数设计，该设计方法包括：

步骤一、构建回油活门力平衡关系；

步骤二、构建由压差活门窗口A与节流阀所组成的分压器方程；

步骤三、确定分压器的分压比与回油活门内的第一压差弹簧压缩量之间的关系；

步骤四、根据分压比范围确定所述第一压差弹簧压缩量范围；

步骤五、根据所述第一压差弹簧压缩量范围设计所述第一压差弹簧。

由回油活门力平衡关系可得：

A·P₁＝AP_f+k·x (3)

其中：A为回油活门截面面积；P₁为计量活门前燃油13的压力；P_f为回油活门下端燃油16的压力；k为回油活门弹簧刚度；x为回油活门弹簧压缩量，也可视为回油活门的位置。

由于节流阀5和窗口A组成分压器，故可得：

P_f＝ΔP·α+P₂ (4)

其中：α为分压器的分压比，定义为α＝(P_f-P₂)/(P₁-P₂)，取值在0～1之间；P₂为计量活门后燃油14的压力；ΔP＝P₁-P₂，为计量活门前后压差，由压差活门保证其基本为常数。

由式(3)、(4)可得：

因为A、ΔP、k均为常数，故由式(5)可知，分压器的分压比与回油活门位置存在一一对应的线性关系。

由于回油活门有C、E两个回油窗口，导致回油活门的工作行程较长(为窗口C、E轴向长度之和)，因此需要根据式(5)将回油活门的弹簧技术参数与分压器的分压比相匹配，保证回油活门在极下工作位置(窗口C、E均完全打开)和极上工作位置(窗口C、E均完全关闭)时，α值均不超出0～1的合理范围，否则分压器无法向回油活门提供合适的压力，系统将不能正常工作。

回油活门处于极下工作位置时回油活门弹簧7的压缩量最大，记为x_max，对应的分压比最小；回油活门处于极上工作位置时回油活门弹簧7的压缩量最小，记为x_min，对应的分压比最大。

工程上，首先根据压差活门与回油活门的具体结构，在0～1范围内确定易于实现的实际分压比范围α_min～α_max(例如取0.2～0.8)，α_min与α_max为分压比实际范围的最小、最大端点值，然后以式(6)、(7)为约束条件确定回油活门弹簧的技术参数，就实现了回油活门与压差活门的匹配设计。

双联齿轮泵最大流量匹配设计、回油活门与双联齿轮泵的匹配设计包括：

1)双联齿轮泵最大流量匹配设计

当发动机处于巡航状态时，只有小流量齿轮泵1向燃油计量系统供油，应满足如下关系：

Q₁＝Q_L+ΔQ (1)

其中：Q_L为发动机巡航状态需要的最大燃油流量。

当发动机处于起飞状态时，双联齿轮泵同时向燃油计量系统供油，应满足如下关系：

Q₁+Q₂＝Q+ΔQ (2)

其中：Q₁为小流量齿轮泵1最大流量；Q₂为大流量齿轮泵2最大流量；Q为发动机起飞状态需要的最大燃油流量；△Q为燃油计量系统工作所需的最小回油量。

上述两式联立确定双联齿轮泵的最大流量。

2)回油活门与双联齿轮泵匹配设计

回油活门窗口C是小流量齿轮泵1的回油窗口，因此，其面积根据小流量齿轮泵1的最大燃油流量进行设计，并且窗口压差按计量活门前燃油13的压力与燃油进口压力之差考虑；

回油活门窗口D、E是大流量齿轮泵2的回油窗口，因此，其面积根据大流量齿轮泵2的最大燃油流量进行设计，并且应保证大流量齿轮泵处于无负载状态时，D、E窗口总压差在较小范围内，以降低大流量齿轮泵2无负载状态下的能量损失；

窗口C和窗口E需要满足如下位置关系以保证双联齿轮泵工作状态的平稳切换：当窗口C未关闭时，窗口E保持完全打开，当窗口C完全关闭时，窗口E刚刚开始关闭。

本发明阐述的燃油计量系统可直接应用于航空发动机。本发明阐述的燃油计量系统能够根据发动机不同工况调整双联齿轮泵的工作模式，解决低工况下高压燃油大量回油导致的能量损失大、燃油温升高的问题，可显著提高燃油计量系统乃至发动机的整体性能。

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。

Claims (7)

1.一种基于双联齿轮泵的燃油计量系统，其特征在于，包括：

小流量齿轮泵(1)，其出口端通过主管路连接燃烧室；

大流量齿轮泵(2)，其出口端分为两路，一路通过单向阀(3)连接至所述主管路上，另一路连接至回油活门的窗口D；

主管路，入口端连接所述小流量齿轮泵(1)及大流量齿轮泵(2)，出口端连接燃烧室，所述主管路自入口端至出口端依次设置有主回油管路及计量活门(12)；

回油活门，包括第一衬套(6)及在所述第一衬套内滑动的第一阀芯(4)，所述第一阀芯(4)底端通过第一压差弹簧(7)固定在第一衬套(6)内，所述第一阀芯包括第一环状凸起(41)及第二环状凸起(42)，用于将所述衬套分割成上半部分、中间部分及下半部分，所述衬套具有连通上半部分及下半部分的通孔，所述通孔内置有节流阀(5)，所述上半部分连接所述主回油管路，用于将所述主管路的回油通过窗口C回流，所述下半部分与压差活门的输出端连通，所述中间部分通过窗口D接收大流量齿轮泵(2)的燃油，并通过窗口E回流所述大流量齿轮泵(2)的燃油，所述第一阀芯(4)在所述第一衬套(6)内运动时，所述第一环状凸起(41)用于打开或闭合窗口C，所述第二环状凸起(42)用于打开或闭合窗口E；

压差活门，其输入端分别连接在所述计量活门(12)的入口端及出口端，其输出端连接所述回油活门的下半部分，所述压差活门用于将计量活门(12)的入口端及出口端的压力差反馈给回油活门。

2.如权利要求1所述的基于双联齿轮泵的燃油计量系统，其特征在于，所述回油活门包括第二衬套(10)及在所述第二衬套内滑动的第二阀芯(9)，所述第二阀芯(9)底端通过第二压差弹簧(11)固定在第二衬套(10)内，所述第二阀芯包括上凸起(91)、中间凸起(92)及下凸起(93)，计量活门(12)的入口端连接至所述上凸起(91)与第二衬套(10)的上壁形成的腔体内，计量活门(12)的出口端通过窗口B连接至所述上凸起(91)与中间凸起(92)形成的腔体内，压差活门的输出端通过窗口A连接至回油活门，所述第二阀芯(9)在所述第二衬套(10)内运动时，所述中间凸起(92)用于打开或闭合窗口A。

3.如权利要求2所述的基于双联齿轮泵的燃油计量系统，其特征在于，所述计量活门(12)的出口端还通过节流管路连接至所述压差活门的第二衬套(9)的中间凸起(92)与下凸起(93)形成的腔体内，所述节流管路内设置有节流嘴(8)。

4.如权利要求1所述的基于双联齿轮泵的燃油计量系统，其特征在于，受所述第一压差弹簧(7)及回油活门内燃油的共同作用，所述回油活门包括极上工作位置及极下工作位置，所述回油活门在所述极上工作位置时，所述窗口C及窗口E均完全打开，所述回油活门在所述极下工作位置时，所述窗口C及窗口E均完全关闭。

5.一种基于双联齿轮泵的燃油计量系统匹配方法，其特征在于，对权利要求1-4所述的基于双联齿轮泵的燃油计量系统进行匹配设计，包括双联齿轮泵最大流量匹配设计、回油活门与双联齿轮泵的匹配设计以及回油活门与压差活门的匹配设计，其中，回油活门与压差活门的匹配设计包括：

步骤一、构建回油活门力平衡关系；

步骤二、构建由压差活门窗口A与节流阀所组成的分压器方程；

步骤三、确定分压器的分压比与回油活门内的第一压差弹簧压缩量之间的关系；

步骤四、根据分压比范围确定所述第一压差弹簧压缩量范围；

步骤五、根据所述第一压差弹簧压缩量范围设计所述第一压差弹簧。

6.如权利要求5所述的基于双联齿轮泵的燃油计量系统匹配方法，其特征在于，所述步骤一中，回油活门力平衡关系包括：

A·P₁＝AP_f+k·x

其中，A为回油活门截面面积；P₁为计量活门入口端的压力；P_f为回油活门下半部分燃油压力；k为回油活门第一压差弹簧的刚度；x为回油活门弹簧压缩量。

7.如权利要求6所述的基于双联齿轮泵的燃油计量系统匹配方法，其特征在于，所述步骤二中，分压器方程为：

P_f＝ΔP·α+P₂

其中，α为分压器的分压比，P₂为计量活门出口端的压力；ΔP为计量活门前后压差。