燃油泵調節器供油特性改進方法

鄒品文，程婷，韓小曼，張偉，羅暢敏

(中航工業貴州紅林機械有限公司，貴州貴陽550009)

燃油泵調節器供油特性改進方法

鄒品文，程婷，韓小曼，張偉，羅暢敏

(中航工業貴州紅林機械有限公司，貴州貴陽550009)

燃油泵調節器供油特性的優劣，直接關系到航空發動機能否可靠工作和充分發揮性能。某燃氣渦輪起動機燃油泵調節器，為滿足用戶使用要求，需改變其起動加速供油特性。主要通過增加數控模塊，利用其控制器和傳感器來實現信號的反饋與匹配，再通過放油實現脈寬調制電磁閥對流量的修正，從而實現對燃油泵調節器起動加速供油特性的修正。最后通過試驗驗證了改進方法的可行性。

燃氣渦輪起動機；燃油泵調節器；起動加速供油特性；改進方法；占空比；特性曲線

1 燃油泵調節器

某燃氣渦輪起動機上使用的燃油泵調節器[1]，在燃氣渦輪起動機起動過程中按照GT=f(p2)的函數關系向發動機供油，并由起動加速自動裝置(圖1)實現。其中GT為供油量，p2為起動機壓氣機后的空氣壓力。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、起動加速活門、杠桿、殼體、壓差活門、齒輪泵、起動加速活門襯套、I號調整釘、密封圈、移動塊、Ⅱ號調整釘等組成[2]。起動機起動工作過程中，附件機匣上的燃油泵調節器驅動軸帶動齒輪泵，經齒輪泵增壓的燃油通過起動加速活門計量，然后供往起動機燃燒室。起動加速活門的燃油進出口之間設有壓差活門，以保證工作過程中起動加速活門前后燃油壓差穩定。因此，供油量只與起動加速活門計量窗口的實際打開面積有關，即供油量與計量窗口的實際打開面積成正比。在起動加速自動裝置中，計量活門的移動量(對應計量窗口面積)與p2相關，其實現過程為：來自起動機壓氣機后的空氣進入波紋管組件的p2端，使p2端波紋管軸向尺寸發生變化，帶動杠桿繞其旋轉中心轉動，又因杠桿穿過起動加速活門上的兩個平行圓柱銷，所以其轉動將帶動該活門上下移動，從而實現通過p2控制燃油計量面積。圖2給出了p2(絕壓)與波紋管位移的關系曲線，波紋管位移量與p2成線性關系，即通過改變p2可改變計量窗口面積，從而實現按GT=f(p2)的函數關系向燃氣渦輪起動機供油[3]。

圖1 起動加速自動裝置的結構原理Fig.1 Structure of starting and acceleration automatic device

圖2 燃氣渦輪起動機壓氣機后的空氣壓力與波紋管位移的關系曲線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，需將起動機的起動加速供油特性從圖3改為圖4。改進中，不允許改變原產品的主體結構，但可適當增加功能部件。新的起動加速供油規律仍為GT=f(p2)。

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

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

2 實現新的起動加速供油特性的方法

2.1 方法一

不改變現有結構，實現新的起動加速供油特性。如果不改變現有結構，可通過重新設計波紋管組件和起動加速活門襯套上的型孔，改變波紋管的特性及起動加速活門型孔尺寸，再通過兩者的性能匹配，實現新的起動加速供油特性。

2.2 方法二

增加數控模塊，實現新的起動加速供油特性。增加一個由硅壓阻式絕對壓力傳感器、脈寬調制(PWM)電磁閥和控制器組成的數控模塊(圖5)，對供油量進行修正，實現新的供油特性。

圖5 增加數控模塊后起動加速自動裝置的結構原理Fig.5 Structure of starting and acceleration automatic device after adding the numerical control module

2.2.1 數控模塊功能

工作過程中，數控模塊將p2對應轉換為PWM占空比信號，驅動脈寬調制電磁閥[4]工作，對供油量進行修正，實現新的起動加速供油特性要求。

硅壓阻式絕對壓力傳感器的作用，是將起動機起動工作過程中的p2對應轉化為電壓信號，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

脈寬調制電磁閥為常閉電磁閥，在PWM信號的驅動下，可控制電磁閥一個工作周期內的噴嘴打開和關閉時間之比。為保證脈寬調制電磁閥工作質量，對PWM信號做如下要求：

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

圖7為電磁閥脈寬調制驅動電路的電流特性曲線，圖中I為電流，In為強激電流，τ1為吸合動作時間，τ2為釋放動作時間。圖8為電磁閥按圖7要求的驅動信號工作時的占空比-流量特性曲線。

圖7 脈寬調制電磁閥驅動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、分析和運算功能，通過1、2、3、4信號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，并經驅動電路將電壓信號轉換成驅動電磁閥工作的PWM信號；同時，通過1、2信號線向壓力傳感器提供激勵信號(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 通過數控模塊實現起動供油特性的具體方法

從圖3和圖4中可以看出，新起動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。由于脈寬調制電磁閥對流量的修正通過放油方式來實現，因此需增大起動加速活門襯套上的型孔，在不用數控模塊對供油量進行修正的情況下，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，保證了整個供油曲線在要求的供油曲線之上。

圖9 數控模塊不工作時的供油特性曲線Fig.9 The oil supply characteristic curves when numerical control module not working

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

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

得到q0～q7的實際值后，上位機通過數控模塊中控制器上設置的數據通信接口，將式(2)編程固化到控制器中。在配裝燃氣渦輪起動機工作時，壓力傳感器感應p2，并向控制器輸出電壓信號，然后控制器根據p2的變化，按式(2)要求輸出PWM信號，驅動電磁閥工作，即可獲得新的起動加速供油特性。

2.3 兩種方法比較

方法一的優點是產品外形結構不發生變化，不會增加產品質量。缺點是波紋管研制周期長，且不能保證一次設計就能滿足使用要求，需要反復迭代，費用高，且活門襯套上的燃油計量型孔加工困難。

方法二增加了一個質量約300 g的數控模塊。只要該模塊不工作時產品的供油量大于起動機要求的供油量，就可通過數控模塊按照一定的規律放油，從而實現起動加速供油要求。其優點是適應性好，既可方便實現起動機對起動供油特性的任何修改需求，又可在外場根據起動機的實際工作需要對供油特性進行優化調節。缺點是增加了產品的質量，同時也需進行必要的可靠性試驗來驗證考核。

3 試驗驗證

考慮到研制周期及技術難度，選擇方法二進行改進。目前，已按方法二生產了一定量燃油泵調節器，通過工廠調試獲得q0～q7，并按式(2)的計算方法，將q的變化規律編程固化到控制器中。試驗驗證結果表明，改進后起動機的起動加速供油特性曲線(圖4中的實測供油線)滿足改進要求，改進方法正確。

4 結束語

針對某燃氣渦輪起動機燃油泵調節器需改變起動加速供油特性的要求，提出通過增加數控模塊，利用其脈寬調制電磁閥對調節器起動供油特性進行修正的方法，并通過了試驗驗證。這不僅滿足了燃氣渦輪起動機工作性能改進和提高的需要，有助于對起動加速工作特性的分析和理解，同時可為各類發動機配套燃氣渦輪起動機的設計和試驗研究提供參考，具有推廣應用價值。

[1]廉筱純，吳虎.航空發動機原理[M].西安：西北工業大學出版社，2005.

[2]某系列燃滑油泵調節器技術規范[R].國營143廠，2002.

[3]鐘華貴，劉洪凱，孫瑞禮.燃氣渦輪起動機高空臺高空起動試驗研究[J].燃氣渦輪試驗與研究，2013，26(5)：1—6.

[4]蘇嶺，柳泉冰，汪映，等.脈寬調制保持電磁閥驅動參數的研究[J].西安交通大學學報，2005，39(7)：689—692.

[5]航空噴氣發動機自動控制設計手冊[M].北京：國防工業出版社，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，中航工業發動機公司首席技術專家，主要從事航空發動機燃油控制系統液壓機械附件設計研究。