飛機沖壓空氣渦輪系統液壓泵的卸荷方法

盧岳良，陳金華，王 巖

(1.航空工業南京機電液壓工程研究中心，江蘇南京 211106；2.航空機電系統綜合航空科技重點實驗室，江蘇南京 211106；3.北京航空航天大學交通科學與工程學院，北京 100191)

引言

根據民用航空規章第25部的要求:“飛機必須設計成在所有發動機都失效的情況下仍可操縱”[1-2]，為了保證飛機在所有發動機同時失效情況下的可操縱性，現代先進民用飛機液壓系統普遍安裝了沖壓空氣渦輪系統(Ram Air Turbine,RAT)[3]。因民用航空客機飛行速度低，使用的沖壓空氣渦輪通常是槳葉式渦輪[4]，一般在飛機上有3個安裝位置，分別在機身前部、機身中部和機翼下部[5]，在飛機失去主動力和輔助動力的緊急情況下，RAT艙門打開，采用自動或人工使RAT從飛機上放出，在飛機迎面氣流的沖擊下，風葉旋轉，將氣流的沖壓能轉化成轉子機械能，帶動渦輪旋轉，渦輪驅動液壓泵向飛機提供應急能源，作為飛行安全的“最后一根救命稻草”[6]。 RAT是在應急狀態使用，飛機正常飛行時，RAT系統處于收回狀態，機艙內溫度較低，泵內油液黏性較大、各摩擦副摩擦阻力較大，阻礙了RAT液壓泵的快速啟動，甚至可能導致RAT系統無法正常啟動[7]；RAT彈出機艙工作時，從靜止開始加速，能量提取部件渦輪從零轉速起轉，啟動力矩小、帶載能力弱，初始驅動負載能力差，而作為RAT渦輪負載的RAT液壓泵通常為恒壓變量柱塞泵，正常啟動力矩需求大，因此，可能導致RAT系統啟動時間長甚至有可能無法啟動投網。

目前國外RAT系統技術成熟、產業完整，處于絕對壟斷地位。國內對變量柱塞泵的工作特性等開展了較為深入的研究：文獻[8-10]分別基于EASY5和AMESim軟件對恒壓變量柱塞泵靜動態特性進行了仿真，得出泵工作時出口壓力和流量特性曲線；文獻[11]針對雙壓力變量柱塞泵在壓力切換過程中出現的壓力超調問題進行了研究；文獻[12]采用AMESim建立壓力流量控制變量泵模型，仿真結果表明，減小閥芯質量、增大阻尼孔孔徑可減小輸出壓力超調；文獻[13]針對油液的黏性對泵輸出流量的影響進行了研究；文獻[14]結合試飛數據對飛機RAT的帶載能力進行了研究；文獻[15]提出了RAT啟動時間在1～10 s之間，分析了RAT的輸出流量、輸出壓力及啟動的地面檢查方法；文獻[16]提出了一種RAT系統風洞性能試驗臺。

可以看出國內對于RAT系統中液壓泵的研究涉及較少，而對于影響飛機安全性的RAT液壓泵啟動卸荷方法的研究更少。RAT液壓泵卸荷就是減小RAT渦輪啟動時液壓泵的功率輸出，達到降低其輸入功率目的，減小對RAT渦輪功率需求，加速渦輪快速啟動。RAT液壓泵輸出功率等于壓力乘流量，實現方法有降低RAT液壓泵輸出壓力，或減小RAT液壓泵輸出流量，或者同時減小其壓力和流量。針對RAT液壓泵的卸荷啟動需求，圍繞減小功率輸出途徑，在保證系統可靠性前提下，提出RAT液壓泵的以下3種卸荷方法：采用旁通閥卸荷，即輸出壓力為0，輸出流量最大；采用內控恒壓卸荷方式，即減小輸出壓力，輸出流量為0；采用外控恒壓卸荷方式，即減小輸出壓力，輸出流量為0。RAT液壓泵壓力控制包括恒壓變量機構和卸荷機構兩個部分，對每一種卸荷方法基于AMESim開展特性仿真分析，精確建立RAT液壓泵模型，預測卸荷機構性能，探究由卸荷向恒壓變量轉換過程中RAT液壓泵輸出壓力和流量的變化規律及壓力切換過程中可能出現的壓力超調，并分別開展3種卸荷方法的試驗驗證，為實現RAT液壓泵的卸荷啟動提供工程實踐參考。

1 3種卸荷方法的卸荷機構和卸荷原理

1.1 旁通閥卸荷

旁通閥卸荷的方式是通過在RAT液壓泵進出口并聯1個旁通卸荷閥(二位二通閥)，在RAT系統剛啟動時，該卸荷閥打開，使RAT液壓泵進出口相通，系統處于全流量低壓力下工作，實現RAT液壓泵卸荷。

其液壓原理如圖1所示。在RAT啟動時，卸荷閥處于開啟狀態，泵的進出貫通，形成一個低壓、大流量的液壓循環回路。當系統壓力達到設定壓力時，卸荷閥逐漸關閉，RAT液壓泵進入正常恒壓變量工作狀態，與恒壓變量泵工作原理相同。

圖1 旁通閥卸荷液壓原理

(1) 優點：在不改變恒壓變量泵結構情況下，僅接入旁通閥，通過最簡單的結構實現RAT液壓泵卸荷。

(2) 不足：該種卸荷方式為低壓、大流量卸荷。啟動時，泵為全流量，必須驅動一定負載。

1.2 內控恒壓卸荷

內控恒壓卸荷是一種在RAT液壓泵內集成自反饋卸荷裝置，不需外部控制，通過內部調節機構控制即可達到卸荷，在正常工作時恢復提供滿足需要的應急能源，并在再次需要卸荷時降低負載力矩。其本質屬于一種閉環反饋卸荷方式，整個過程通過轉速反饋實現自卸荷閉環控制，在液壓泵轉速低于設定轉速時處于卸荷，高于設定轉速時與恒壓變量泵工作原理相同。

內控恒壓卸荷RAT液壓泵主要由卸荷泵、恒壓變量泵、卸荷閥、恒壓變量補償閥等組成，具有互相獨立的兩套變量控制機構：一套由卸荷泵、三位四通卸荷閥等組成的卸荷變量控制機構；一套由恒壓變量實現的壓力補償變量控制機構。泵排量分別由恒壓變量補償閥控制小隨動活塞或卸荷閥控制大隨動活塞推動斜盤擺角變化，從而達到變排量目的。其卸荷工作原理為：與恒壓變量泵同軸串聯1個卸荷泵(可采用內嚙合齒輪泵，也可采用葉片泵等)，進入恒壓變量泵的油液同時被吸入到卸荷泵入口，將卸荷泵作為卸荷閥的液壓控制油源，卸荷泵輸出油壓與其輸出流量，即與泵的轉速有關，其輸出油壓與泵的轉速成平方的比例關系。卸荷液壓原理圖如圖2所示，系統剛啟動時，轉速較低，卸荷泵輸出壓力較低，因此，卸荷閥在彈簧力作用下處于左工作位，大隨動活塞腔與低壓相通，斜盤在回位彈簧力作用下處于最大擺角位置；當轉速升高至低于調定的卸荷轉速時，卸荷泵輸出油壓作用于卸荷閥，克服彈簧力的作用使卸荷閥處于中工作位，大隨動活塞腔與系統輸出高壓相通，斜盤在大隨動活塞腔高壓油作用下處于最小擺角位置，泵排量接近于0，壓力較低，此時泵輸出極小的流量僅滿足內部泄漏，處于卸荷狀態；當轉速進一步升高到高于調定的卸荷轉速時，卸荷泵輸出壓力進一步增大，輸出油壓作用于卸荷閥，克服彈簧力的作用進一步使卸荷閥處于右工作位，大隨動活塞腔與低壓相通，斜盤在回位彈簧力作用下處于最大擺角位置，此時泵排量最大，輸出流量最大，壓力達到正常工作壓力，恒壓變量泵恢復到正常恒壓變量工作狀態。

圖2 內控恒壓卸荷液壓原理

1) 內控恒壓卸荷方式的顯著優點

(1) 卸荷壓力和液壓泵出口壓力獨立分開。在RAT液壓泵上安裝卸荷泵，卸荷泵驅動大隨動活塞實現RAT液壓泵卸荷，卸荷泵壓力和RAT液壓泵出口壓力完全獨立，有利于實現RAT液壓泵低壓卸荷；

(2) 低壓、小流量卸荷。內控恒壓卸荷液壓泵可實現低壓、小流量卸荷，更有利于RAT小功率啟動。

(3) 內控恒壓卸荷液壓泵可以實現轉速閉環反饋卸荷控制。在液壓泵轉速低于卸荷調定轉速時處于卸荷，高于卸荷調定轉速時自動進入正常供給液壓能源的狀態。

2) 內控恒壓卸荷方式的不足

內控恒壓卸荷機構需要安裝卸荷泵和高精度的三位四通卸荷閥，增加了結構的復雜性以及加工的難度。

1.3 外控恒壓卸荷

其本質是采用1個外控電磁閥通電來實現卸荷。在RAT啟動時，電磁閥處于開啟狀態，液壓泵形成1個低壓、小流量循環回路。當系統壓力達到設定壓力時，電磁閥斷開，RAT液壓泵進入正常恒壓變量工作狀態，與恒壓變量泵工作原理相同。其液壓原理如圖3所示。

圖3 外控恒壓卸荷液壓原理

外控恒壓卸荷機構的原理和內控恒壓機構卸荷原理基本相同，通過大小隨動活塞的配合實現RAT液壓泵的卸荷和恒壓變量，采用外部電磁閥控制進入大隨動活塞的油液進出，推動斜盤擺角變小。

與內控恒壓卸荷方式不同的是，外控恒壓卸荷機構外部電磁閥的控制油液來自于RAT液壓泵的出口。

1) 外控恒壓卸荷方式有2個顯著優點

(1) 低壓、小流量卸荷。外控恒壓卸荷液壓泵可實現低壓、小流量卸荷，更有利于RAT小功率啟動；

(2) 簡化了卸荷調節結構。采用電磁閥控制卸荷大隨動活塞，通過簡化卸荷機構設計，也滿足了低壓、小流量卸荷的小功率啟動方式。

2) 外控恒壓卸荷的不足

外控恒壓卸荷電磁閥的控制需要外部通斷電干預，無法實現閉環反饋自卸荷，也無法實現自動進入正常供給液壓能源的狀態。

這3種卸荷方式均可通過與恒壓變量柱塞泵集成來實現卸荷啟動，在啟動瞬間降低負載力矩，并在正常工作時恢復提供滿足需要的應急能源，通過卸荷變量控制機構和壓力補償變量控制機構，實現了小負載扭矩啟動和驅動力矩過低時RAT渦輪的防停轉保護，保證了應急能源系統的快速投網和使用安全性。

2 基于AMESim的3種卸荷方式動態特性仿真

RAT渦輪由0加速到一定轉速時，RAT液壓泵由卸荷進入工作狀態，在狀態轉換過程中需要考慮壓力和流量的變化規律，包括壓力調節時間、超調量等。為了分析RAT液壓泵的卸荷性能和由卸荷向恒壓變量過渡過程，通過AMESim仿真研究RAT液壓泵卸荷性能。3種卸荷方法采用的液壓泵參數如表1所示。

收集到的音樂資源都是民間流傳下來的，因此當中所包含的內容非常龐雜，并不都適合幼兒學習，所以，需要教師篩選出一些內容積極向上、曲調歡快、節奏明快的民間音樂作為教學內容。如果有的民間音樂曲調以及節奏都很適合幼兒學習，但是歌詞卻有不當的，也可以根據學習內容及幼兒的年齡特點更改創編歌詞，使其符合幼兒的學習需要。

表1 3種卸荷方法的液壓泵參數

基于AMESim建立恒壓變量柱塞泵模型如圖4所示。該模型包括柱塞運動模塊、柱塞容積模塊、配油盤吸/排油口模塊、滑靴與斜盤之間的泄漏模塊、配油盤與缸體之間的泄漏模塊。

圖4 恒壓變量柱塞泵模型

設定RAT液壓泵輸入轉速如圖5所示。RAT液壓泵的渦輪以3000 r/min2升速，當轉速到達4600 r/min時趨于穩定。

圖5 RAT液壓泵輸入轉速

2.1 基于AMESim的旁通閥卸荷液壓泵動態特性

基于旁通閥卸荷方法的卸荷原理和卸荷機構，其AMESim實現如圖6所示。將卸荷機構加入恒壓變量柱塞泵模型，得到旁通閥卸荷液壓泵模型如圖7所示。從卸荷到零流量工作狀態，RAT液壓泵流量如圖8所示，出口壓力如圖9所示。

圖6 旁通閥卸荷機構

圖7 旁通閥卸荷液壓泵模型

由圖8可以看出，在升速階段，負載流量為0，通過卸荷閥流量隨著轉速升高而增大，最大流量為11.1 L/min，隨著流量增大，系統的壓力不斷增大，如圖9所示。

圖8 RAT液壓泵流量

圖9 RAT液壓泵出口壓力

由圖8、圖9可以看出，采用旁通卸荷閥實現了RAT液壓泵低壓大流量卸荷；在RAT液壓泵卸荷階段，系統壓力為3.5 MPa；在負載流量為0時，由卸荷狀態切換到零流量狀態，RAT液壓泵出口產生壓力沖擊，最大沖擊瞬時壓力為額定壓力7.1倍；在由卸荷階段結束t1=1.39 s，過渡到恒壓變量階段t2=1.72 s，系統調節時間Δt1=0.33 s。通過分析計算可知，卸荷功率為全負荷功率的20.6%。

2.2 基于AMESim的外控恒壓卸荷液壓泵動態特性

基于外控恒壓卸荷方法的卸荷原理和卸荷機構，其AMESim模型如圖10所示。將卸荷機構加入恒壓變量柱塞泵模型，得到外控恒壓卸荷液壓泵模型如圖11所示。

圖10 外控恒壓卸荷機構

圖11 外控恒壓卸荷液壓泵模型

從卸荷到零流量工作狀態，RAT液壓泵流量如圖12所示，出口壓力如圖13所示。

圖12 RAT液壓泵流量

圖13 RAT液壓泵出口壓力

由圖12可以看出，在升速階段，負載流量為0，RAT液壓泵輸出流量隨轉速升高而增大，最大流量為2.95 L/min；到達最大流量后系統進入卸荷階段，卸荷階段平均流量為0.4 L/min；在卸荷閥關閉后系統進入恒壓變量階段，此時平均流量為0.77 L/min。

在由卸荷階段向恒壓變量階段過渡中出現的壓力陷阱現象，會影響系統正常工作，可以通過在系統卸荷回路增加節流措施來減小壓力的波動。

2.3 基于AMESim的內控恒壓卸荷液壓泵動態特性

基于內控恒壓卸荷方法的卸荷原理和卸荷機構，其AMESim實現如圖14所示。將卸荷機構加入恒壓變量柱塞泵模型，得內控恒壓卸荷液壓泵模型如圖15所示。從卸荷到零流量工作狀態，RAT液壓泵流量如圖16所示，出口壓力如圖17所示。

圖14 內控恒壓卸荷機構

圖15 內控恒壓卸荷液壓泵模型

圖16 RAT液壓泵流量

圖17 RAT液壓泵出口壓力

由圖16可以看出，在升速階段，負載流量為0，RAT液壓泵輸出流量隨轉速升高而增大，最大流量為13.6 L/min，到達最大流量后系統進入卸荷階段，液壓泵輸出流量隨之逐漸減小。

由圖16、圖17可以看出，采用卸荷泵的內控恒壓卸荷方式實現了RAT液壓泵低壓、小流量卸荷；在RAT液壓泵卸荷階段，系統壓力為7 MPa；在負載流量為0時，由卸荷狀態切換到零流量狀態，RAT液壓泵出口產生壓力沖擊，最大沖擊瞬時壓力為額定壓力1.08倍；在由卸荷階段結束t1=1.36 s，過渡到恒壓變量階段t2=1.42 s，系統調節時間Δt3=0.06 s。通過分析計算可知，卸荷功率為額定功率的6.1%。

3 試驗驗證

試驗驗證在如圖18所示的航空液壓泵專用試驗臺上進行，液壓泵入口油液溫度設置為(80±5)℃，入口壓力設置為(0.35±0.05)MPa。

圖18 驗證試驗設備

3種卸荷方法的試驗數據如表2所示。

表2 3種卸荷方法的試驗數據

4 結論

從試驗驗證結果可看出，3種卸荷方法均實現了小負載扭矩啟動和驅動力矩過低時RAT渦輪的防停轉保護；從結構原理和仿真特性可看出，3種卸荷方法具有各自優缺點和各自的適應場合：

(1) 結構上：旁通閥卸荷機構最簡單，內控恒壓卸荷機構最復雜，外控恒壓卸荷機構處于中間；

(2) 卸荷時出口流量：旁通閥卸荷流量為全流量；另外2種卸荷流量為小流量；

(3) 卸荷時出口壓力：均為低壓力；

(4) 卸荷功率：旁通閥卸荷功率為額定功率的20.6%，外控恒壓卸荷最大功率為額定功率的6.4%，內控恒壓卸荷最大功率為額定功率的6.0%，因此旁通閥卸荷較另外兩種卸荷效果差；

(5) 出口壓力沖擊：旁通閥卸荷最大沖擊瞬時壓力為額定壓力7.1倍；外控恒壓卸荷最大沖擊瞬時壓力為額定壓力1.07倍；內控恒壓卸荷最大沖擊瞬時壓力為額定壓力1.08倍，旁通閥卸荷最大沖擊瞬時壓力較高；

(6) 卸荷過渡到恒壓變量階段調節時間：旁通閥卸荷調節時間為0.33 s；外控恒壓卸荷調節時間為0.13 s；內控恒壓卸荷調節時間為0.06 s；

(7) 旁通閥卸荷為全流量卸荷，損失功率貯存在油液里導致油液溫度過高，限制了這種卸荷方式的應用，一般來說適用于排量不大于9 mL/r的RAT液壓泵；而外控恒壓卸荷和內控恒壓卸荷都是通過控制斜盤傾角來調節泵的排量，可以實現RAT液壓泵小流量卸荷，適用于大排量的RAT液壓泵。

該研究成果已應用于大型運輸機、高性能無人機等，提高了國產飛機的安全性，打破了國際壟斷，卸荷機構集成在泵內，提高了RAT液壓泵的集成性。然而，液壓泵的變化形式是多種多樣的，對于RAT液壓泵還有其他的卸荷方法，針對不同的液壓泵結構以及不同的飛機需求，更優的卸荷適應場合可進一步開展研究；另外，對于內控恒壓卸荷方式，部件間的設計參數匹配，比如卸荷泵的排量設計，閥芯面積、油路設計等直接影響卸荷性能，可進一步開展深入研究。