燃油計量裝置回油型面特性分析

曾德堂 ，王 曦 ，覃道亮 ，徐 敏

(1.北京航空航天大學能源與動力工程學院，北京 100191；2.西安航空動力控制有限公司，西安 710077)

1 引言

關(guān)于燃油計量裝置回油型面的研究開展較廣,但鮮有論文發(fā)表；另由于試驗周期、條件以及成本因素等使得試驗不可避免存在一定局限性，雖然試驗法適合工程應(yīng)用，但對全面研究與分析回油型面特性規(guī)律仍有不足之處，相對于試驗法來說，采用等面積分析理論，有助于深化對回油型面設(shè)計認識及理解,有利于消化-吸收以及掌握型面對裝置動穩(wěn)態(tài)影響機理。國內(nèi)涉及型面設(shè)計、分析文獻較少,已有的研究也僅局限在型面設(shè)計尺寸，并未進行型面設(shè)計及特性分析[1，2]；而其他研究對型面設(shè)計多采用仿制與試驗相結(jié)合的方法。

本文借鑒已有研究成果，并對其不足，采用等面積分析法研究了三角形、矩形、圓形及錐形等回油型面特性機理,揭示了各型面對裝置動穩(wěn)態(tài)特性、計量精度及調(diào)節(jié)時間的影響。

2 回油型面及特性方程

航空發(fā)動機控制系統(tǒng)廣泛采用液壓型面結(jié)構(gòu)，特別是燃油計量裝置，如計量活門型面、回油活門型面結(jié)構(gòu)等。燃油計量裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，該裝置由齒輪泵、壓差活門及計量活門等組成，其

3 等面積分析法

文獻[3]提到型面影響系統(tǒng)特性，當回油面積和裝置設(shè)計指標（如系統(tǒng)動穩(wěn)態(tài)特性等）一定時，采用何種型面，決定型面增益和系數(shù)。等面積分析法就是在三角形、矩形、圓形及錐形型面回油流通面積相等情況下，分析其型面增益變化規(guī)律的方法。

根據(jù)上述方法和式（1）～（20）給出回油型面特性，取回油流通面積Ai（i=1～10）作為工作點，面積以△A＝2 mm2在區(qū)間[2 20]之間遞增時，得到各型面工作點特性。步驟如下：

（1）確定工作點回油面積；

（2）推導(dǎo)不同型面與各工作點流量、壓力增益、流量-壓力系數(shù)變化關(guān)系；

（3）根據(jù)裝置及活門對動穩(wěn)態(tài)和精度以及負載承載能力選取型面。

4 型面特性分析

三角形、矩形、圓形及錐形型面流量增益特性曲線如圖7所示。從圖中可見，隨著面積增大，三角形與圓形流量增益逐漸增大，而矩形與錐形流量增益變化很小，根據(jù)文獻[3]所述流量增益影響開環(huán)增益，因此，隨著面積的增加，三角形、圓形型面裝置系統(tǒng)開環(huán)增益增大，而錐形、矩形型面裝置系統(tǒng)開環(huán)增益變化不大。

三角形、矩形、圓形及錐形型面流量-壓力系數(shù)特性曲線如圖8所示。從圖中可見，隨著面積增大，三角形、矩形、圓形、錐形流量壓力系數(shù)增益逐漸增大，且三角形、矩形、圓形增加量基本一致，而錐形增速慢于前3種型面的，根據(jù)文獻[3]所述流量-壓力系數(shù)影響控制執(zhí)行元件阻尼比和速度剛度。

三角形、矩形、圓形及錐形型面壓力增益特性曲線如圖9所示。從圖中可見，隨著面積增大，三角形、矩形、圓形、錐形壓力增益逐漸減小，且減幅逐漸變小，根據(jù)文獻[3]所述壓力增益大小代表控制執(zhí)行元件承載能力，因此，錐形型面承載能力最大。

5 結(jié)論

通過等面積分析法研究了航空發(fā)動機燃油計量裝置壓差活門回油型面特性，獲得等面積下壓差回油活門三角形、矩形、圓形、錐形等回油型面壓力增益、流量增益、壓力-流量系數(shù)特性曲線。通過對比分析各型面特性曲線，為分段設(shè)計和分析壓差活門回油型面提供以下有工程實際意義的結(jié)論。

（1）流量增益影響系統(tǒng)開環(huán)增益，從而決定系統(tǒng)動穩(wěn)態(tài)性能，因此，在設(shè)計回油型面時，當控制系統(tǒng)對穩(wěn)態(tài)性能要求高時，采用三角形或圓形型面有利于增大系統(tǒng)開環(huán)增益，減少系統(tǒng)誤差；而當系統(tǒng)對動態(tài)性要求高時，采用矩形及錐形型面，將有利于改善動態(tài)特性。

（2）壓力增益影響系統(tǒng)活門承載能力，是活門負載壓力控制靈敏性的體現(xiàn)，因此在設(shè)計回油型面時，采用矩形與錐形有利于提高壓差活門負載壓力控制的靈敏度，而采用三角形或圓形，則在相同條件下降低活門負載壓力的靈敏度。

（3）流量 -壓力系數(shù)影響裝置的阻尼比與速度剛度，對于矩形型面來說，當在零位時，流量-壓力系數(shù)最小，則系統(tǒng)阻尼比最低，能在零位穩(wěn)定工作，在其他工作點也能穩(wěn)定工作，在同等條件下，采用矩形和錐形比三角形和圓形能提高阻尼比和速度剛度快。

（4）采用等面積設(shè)計有利于快速設(shè)計型面和分析特性。

[1]劉正,郭迎清，等.某型壓差計量裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計及性能計算[C].中國航空學會第十二屆發(fā)動機自動控制學術(shù)會議論文集,2004:158-162.

[2]文元江.用EASY5分析回油式壓差活門特性[J].機床與液壓,2005(1):21-26.

[3]宋志安.用基于MARLAB的液壓伺服控制系統(tǒng)分析與設(shè)計[M].北京：國防工業(yè)出版社,2007.

[4]Manring Noah D.Hydraulic Control Systems[M].Hoboken,New Jersey:John Wiley＆amp;Sons,Inc,2005.