力补偿压差回油活门设计_左伟.pdf

收稿日期：2021-04-07基金项目：国家科技重大专项（2017-V0015-0067）、国家自然科学基金（61890925）资助作者简介：左伟（1980），男，硕士，自然科学研究员。引用格式：左伟，荣芹芳，侯羽石，等.力补偿压差回油活门设计J.航空发动机，2023，49（3）：112-119.ZUO Wei，RONG Qinfang，HOU Yushi，et al.Design of a force compensated differential pressure spill valveJ.Aeroengine，2023，49（3）：112-119.力补偿压差回油活门设计左伟1，荣芹芳1，侯羽石1，邹品文2（1.中国航发沈阳发动机研究所，沈阳110015；2.中国航发贵州红林航空动力控制科技有限公司，贵阳550009）摘要：压差回油活门是航空发动机和燃气轮机燃油控制系统中的重要调节元件。为了解决常规结构压差回油活门压差保持精度较低的问题，采用理论分析与数值仿真结合的方法开展了带力补偿结构的新型压差回油活门设计。基于常规结构的压差回油活门分析得出影响压差保持精度的主要因素是弹簧力增量和稳态液动力；提出了一种参数设计的流程和方法及能够消除弹簧力增量和稳态液动力影响的力补偿压差回油活门结构，采用AMESim软件建立了力补偿压差回油活门仿真模型，对力补偿压差回油活门在多种干扰下的压差保持精度进行了仿真分析。结果表明：力补偿压差回油活门可消除弹簧力增量和稳态液动力的影响，压差保持精度可达0.01 MPa，显著优于常规压差回油活门的。力补偿压差回油活门的参数设计方法简单有效，可用于工程设计。关键词：压差回油活门；力补偿；燃油控制；弹簧力增量；稳态液动力；燃气轮机；航空发动机中图分类号：V233.7文献标识码：Adoi：10.13477/ki.aeroengine.2023.03.014Design of a Force Compensated Differential Pressure Spill ValveZUO Wei1，RONG Qin-fang1，HOU Yu-shi1，ZOU Pin-wen2（1.AECC Shenyang Engine Research Institute，Shenyang 110015，China；2.AECC Guizhou Honglin Aero-engine Control Technology Corporation Ltd.，Guiyang 550009，China）Abstract：The differential pressure spill valve is an important regulating element in the fuel control system of aeroengines and gas turbines.In order to solve the problem of low differential pressure retention accuracy of the conventional differential pressure spill valve，anew differential pressure spill valve with force compensation structure was designed by combining theoretical analysis with numerical simulation.Based on the analysis of the conventional differential pressure spill valve，it was concluded that the main factors affecting the differential pressure retention accuracy were the spring force increment and the steady-state flow force.A process and method of parameter design and the force compensation valve structure which could eliminate the influence of spring force increment and steady-state flow forcewere put forward.The simulation model of the force-compensated differential pressure spill valve was established by using AMESim software，and the differential pressure retention accuracy of the valve under various interferences was simulated and analyzed.The results showthat the force-compensated differential pressure spill valve can be eliminated by the influence of spring force increment and steady-stateflow force，and the differential pressure retention accuracy can reach 0.01MPa，which is significantly better than that of the conventionaldifferential pressure spill valve.The parameter design method of the force-compensated differential pressure spill valve is simple and effective，and can be used in engineering design.Key words：differential pressure spill valve；force compensation；fuel control；spring force increment；steady-state flow force；gas turbine；aeroengine第 49 卷 第 3 期2023 年 6 月Vol.49 No.3Jun.2023航空发动机Aeroengine0引言在航空发动机及燃气轮机燃油控制系统中，广泛采用定压差流量控制原理调节燃烧室的燃油供流量。即通过压差保持单元计量活门前后压力差（下文“压差”均指计量活门前后的压力差）恒定，使燃油流量仅与流通面积相关，通过控制计量活门改变燃油流通面积实现燃油流量的调节。因此，压差保持单元作为燃油控制系统中的重要调节元件，直接影响燃油流量的计量精度。在不同类型的燃油控制系统中，压差保持左伟等：力补偿压差回油活门设计第 3 期单元种类多样，如与齿轮泵等容积式泵配合使用的回油型、与离心泵等非容积式泵配合使用的节流型、与变量柱塞泵等变排量泵配合使用的伺服型等1。目前，在中国发动机燃油控制系统中以齿轮泵作为主燃油泵的工程案例较多，故回油型压差保持单元应用最为普遍。根据有无放大元件，可将压差保持单元分为直接作用式和间接作用式。回油型直接作用式压差保持单元（工程上通常称为压差回油活门）集测量与执行功能于一体，结构简单、抗污染能力强、响应快，但受液动力和弹簧力等因素影响，存在全计量流量范围内压差保持精度较低的问题2-3。若采取一定的补偿措施提高压差保持精度，则可显著提高压差回油活门的整体性能和扩大工程适用范围。在国内外针对此问题的研究较多。Tan等4通过分析活门液动力产生的原因，提出了一种导流结构，改变了液流出口的射流角，实现了液动力补偿；杨峰等5也通过优化活门结构，调整液流方向补偿液动力，取得了提高压差精度的较好效果；李洪胜等6通过压差活门的力平衡关系，推导出压差的表达式，分析了结构参数对压差的影响。在上述研究的基础上，本文以工程应用为目标，提出一种具有力补偿功能的新型压差回油活门结构，建立力补偿压差回油活门的仿真模型，针对力补偿压差回油活门在多种干扰下的压差保持精度进行仿真分析。1常规压差回油活门压差回油活门的常规结构如图1所示。为了便于说明工作原理，在图中增加了齿轮泵和计量活门构成的燃油计量系统。从图中可见，系统进口的低压油经齿轮泵增压后作用于计量活门前部与压差回油活门阀芯下端，阀芯上端的压力和弹簧力作用于计量活门后部。通过弹簧力设定希望的压差值。当压差偏离设定值时，以偏高为例，则压差产生的液压力大于弹簧力，阀芯上移，将阀芯与衬套之间的回油窗口开大，使回油量增加，压差减小恢复为设定值。在计量活门后部通阀芯上端的油路上，通常需设置阻尼孔，以优化压差活门的动态品质。2问题及影响因素分析常规压差回油活门通过阀芯的力平衡发挥调节作用。阀芯受力包括：液压力、弹簧力、惯性力、摩擦力、稳态液动力、瞬态液动力等（实际上，液动力是为了弥补液压力的计算误差而引入的数值修正7，并不是真实存在的“力”，但为了便于叙述，本文仍将其单独列出）。其中，惯性力、摩擦力和瞬态液动力对压差回油活门影响较小，本文忽略不计，则由阀芯的力平衡关系可得P1-P2=kAx+1AFh（1）式中：P1为计量活门前压力；P2为计量活门后压力；A为阀芯横截面积；k为弹簧刚度；x为弹簧压缩量；Fh为稳态液动力。定义回油窗口刚打开时的弹簧压缩量为x0，此时尚无油液流动，故无液动力，则P1-P2=kAx0（2）式（2）即为通过弹簧力设定的压差希望值，为常数。但在系统运行时，压差回油活门必然打开回油窗口，将一部分燃油放回齿轮泵进口，故x x0（3）定义阀芯在 x0之上的位移增量（即回油窗口开度）为t，则图1常规压差回油活门结构113航空发动机第 49 卷x=x0+t（4）稳态液动力与回油窗口开度t成正比，但具体关系较为复杂8，本文不展开分析，仅记为Fh=Kht（5）式中：Kh为液动力刚度，与回油窗口形状和进出口压力差等有关。将式（4）、（5）代入式（1）得P1-P2=kAx0+kAt+KhAt（6）比较式（2）与（6）可知，在系统运行时，受弹簧力增量和稳态液动力的影响，压差会偏离希望值而不能保持恒定。因此，弹簧力增量和稳态液动力是影响压差的2项主要因素。弹簧力增量与稳态液动力均与回油窗口开度成正比，针对常规压差回油活门结构系统（见图1），当计量活门开度越小，回油量越多，回油窗口开度越大，压差偏离希望值越大，导致系统流量特性变化，这将对整机控制产生不利影响。3力补偿压差回油活门为了补偿弹簧力增量和稳态液动力对压差的影响，在常规结构的基础上增加力补偿结构，构成力补偿压差回油活门如图2所示。力补偿压差回油活门与常规结构的区别主要有2点：（1）在阀芯设置中心腔并调整回油油路：齿轮泵后高压油先经回油窗口1进入阀芯中心腔，再经回油窗口2返回齿轮泵进口；（2）在阀芯下端增加活塞结构，使活塞形成的环腔与中心腔连通。力补偿压差回油活门的工作原理与常规活门的相同，其力补偿原理如下。对于阀芯列出力平衡方程P1-P2=kAx0+kAt+KhAt-AA(P1-P3)（7）式中：P3为中心腔及环腔压力；A为阀芯上端横截面积；A为环腔横截面积；t为回油窗口2开度；Kh为回油窗口1、2总的液动力刚度。回油窗口1、2构成液压分压器，将齿轮泵后压力P1分压后得到中心腔及环腔压力P3。由于回油窗口1、2可视为薄壁孔口且流量相同，取齿轮泵进口处的回油压力为0，应用薄壁孔口流量公式9得P3=P1/1+(A2(t)A1(t)2（8）式中：A1(t)为回油窗口1流通面积；A2(t)为回油窗口2流