主燃油控制裝置泵選擇模塊穩定性設計仿真研究

昝宇晗，楊 帥，李 揚

（中國航發西安動力控制科技有限公司，陜西西安 710077）

0 引言

航空發動機數控系統由電子控制器、液壓機械執行機構、傳感器等組成[1]。液壓機械執行機構設計制造周期長、成本高[2]。通過建模仿真研究可以預測液壓機械機構性能、評估設計方案，及早發現并修正設計缺陷，確定改進優化方向，縮短研制周期、節約研制成本[3]。

航空發動機液壓機械的功能由多個液壓功能單元共同實現。在分析每個功能單元運行機制的基礎上建立相應的功能單元模型，然后組成機構的總體模型。利用AMESim 軟件模塊化、圖形化的建模方式，將主要精力放在功能和性能分析上將主要精力放在系統功能分析和性能分析。

基于AMESim 軟件的航空發動機液壓機械執行機構研究有很多，其中文獻［4］研究了壓氣機導流葉片調節器切換特性；文獻［5］針對主燃油控制裝置的建模進行了研究；文獻［6］對電子控制器、液壓機械執行機構和發動機模型進行了聯合仿真。

本文介紹某型主燃油控制裝置泵選擇模塊與存在的問題，利用AMESim 軟件建立仿真模型，深入分析了泵選擇模塊在主燃油泵和伺服燃油泵共同供油段出現停滯的原因，得出了較大驅動力、較小共同供油段對泵選擇模塊切換過程穩定性有提升效果的結論。

1 主燃油控制裝置泵選擇模塊結構與問題

1.1 泵選擇模塊工作原理

泵選擇活門一端通有主燃油泵后來油，泵選擇活門中心加工有通油孔，將主燃油泵來油引入活門內腔，用以平衡作用在活門上的壓差力；活門另一端通有低壓油，通過彈簧座與LVDT（Linear Variable Differential Transformer，線性可變差動變壓器）相連，現有結構原理如圖1 所示。

圖1 現有泵選擇模塊結構原理

在發動機啟動階段，由于轉速較低，主燃油泵的燃油壓力較低，泵選擇活門在彈簧力作用下處于關閉位置，切斷了主燃油泵來油通往主燃油計量活門的供油通道。此時，伺服燃油泵來油經泵選擇活門單獨向主燃油計量活門供油。

隨著發動機轉速的提高，主燃油泵來油壓力隨之升高，泵選擇活門在主燃油泵來油壓力作用下克服彈簧力移動，打開主燃油泵來油供往主燃油計量活門的通道。此時，主燃油泵來油和伺服燃油泵來油同時向主燃油計量活門供油。

隨著發動機轉速的繼續升高，主燃油泵來油壓力超過設定值時，泵選擇活門向右移動至完全打開，關閉伺服燃油泵來油通往主燃油計量活門的供油通道。此時，主燃油泵來油單獨向主燃油計量活門供油。

當主燃油泵故障時，泵的來油壓力快速降低，泵選擇活門在彈簧力作用下移動到關閉位置，切斷了主燃油泵來油向主燃油計量活門供油的通道，由伺服燃油泵經泵選擇活門單獨向主燃油計量活門供油。

1.2 現有泵選擇模塊存在的問題及分析

泵選擇活門上設置有LVDT，向電子控制器發送泵選擇活門位置信號。隨著主燃油泵后壓力變化，泵選擇活門移動出現停滯。在活門打開過程中，活門在主燃油泵來油通道打開臨界位置處出現停滯。在活門關閉過程中，活門位移在伺服燃油泵來油通道打開的臨界位置處出現停滯，兩個停滯位置均在主燃油泵和伺服燃油泵共同供油段。

泵選擇活門工作條件和受力情況進行分析，認為泵選擇模塊停滯的原因可能與泵選擇活門處于主燃油泵和伺服燃油泵共同供油階段時，泵選擇活門上的液動力不平衡導致活門受力狀態變化有關。液動力大小主要受活門驅動力、型孔開度等影響。一般情況下，通過活門的驅動力越小，活門所受的液動力越小，活門剛剛打開（即型孔開度較小時），活門受的液動力影響較為明顯。

驅動力大小主要受活門受力面積、燃油壓力等影響。一般情況下，活門受力面積越大，燃油壓力越大，活門所受的驅動力也越大。在燃油壓力恒定的情況下，可以通過增大活門受力面積的方式使活門所受的驅動增加，以改善泵選擇活門的運動穩定性。目前泵選擇活門處于主燃油泵和伺服燃油泵共同供油階段的窗口寬度為2 mm，適當減小共同供油段窗口寬度可以使切換過程中主燃油計量流量平穩，降低泵切換對主燃油計量造成的干擾。

2 泵選擇模塊的穩定性影響分析

依據對泵選擇模塊存在的問題及分析，利用AMEsim 軟件建模仿真，增大泵選擇活門的驅動力與共同供油段的窗口大小，探究影響泵選擇模塊穩定性的因素。

2.1 驅動力對泵選擇模塊的穩定性影響

現有的泵選擇活門模塊由泵選擇活門組件、泵選擇活門止動墊、彈簧座、彈簧與LVDT 組成，泵選擇活門一端通有主燃油泵后來油，泵選擇活門中心加工有通油孔，將活門主燃油泵來油引入活門內腔，用以平衡作用在活門上的壓差作用力。泵選擇活門左端止擋位置為泵選擇活門止動墊端面，右止擋位置為彈簧座與線位移安裝座接觸面。泵選擇活門襯套右端通有低壓油，通過彈簧座與LVDT 相連。該結構由于采用活塞式結構，通過降低活門的受油液壓力的面積，可以降低泵選擇活門彈簧的設計難度，但同時導致該活門彈簧的力值較小，使泵選擇活門的驅動力相對較小。

改進后的泵選擇模塊結構原理如圖2 所示。改進后的結構取消了泵選擇活門止動墊與彈簧座，將泵選擇活門襯套改進為通孔形式，襯套安裝面調整于殼體安裝孔的LVDT 一側。將泵選擇活門與彈簧座結合，彈簧止靠于泵選擇活門底部，彈簧剛度由7.87 N/mm 增加至48.6 N/mm，彈簧腔通2 MPa 定壓油。改進后的泵選擇活門取消了通油孔與活門內腔，活門受力面積由Φ10 mm 的活塞桿截面積增大至Φ30 mm 的泵選擇活門外徑截面積，從而增加活門的驅動力，改善活門運動的穩定性。

圖2 改進后的泵選擇模塊結構原理

為驗證泵選擇模塊改進后的可行性，利用AMESim 軟件進行模擬仿真。改進前的泵選擇模塊在主燃油泵來油通道打開臨界位置處出現停滯，泵選擇活門移動曲線出現平段。改進后停滯現象改善，泵選擇活門移動曲線平段較小。

2.2 共同供油段窗口對泵選擇模塊的穩定性影響

為使泵選擇活門工作時盡快脫離活門剛打開的狀態，同時滿足LVDT 的行程限制，在目前泵選擇活門襯套型孔的基礎上，泵選擇活門共同供油段的開度從0.1 開始，逐步增大泵選擇活門共同供油段的開度。通過對比不同泵選擇活門共同供油段開度下，泵選擇活門移動的線性和計量流量、壓差的穩定性，找出滿足計量供油需求的最小開度和最小供油面積。圖3 為不同共同供油段開度時的仿真結果，隨著共同供油段開度的減小，泵選擇活門移動曲線平段總體呈減小趨勢。但當共同供油段開度小于0.5 mm 時，計量流量在切換過程中的波動明顯放大。

圖3 泵選擇活門移動曲線

為探究共同供油段開度較小情況下對泵選擇模塊的真實影響，設計并加工共同供油段設計為0.1～0.16 mm 泵選擇活門，并裝配于主燃油控制裝置在實驗臺上進行驗證。泵選擇活門移動中的停滯減小，但主燃油計量供油在泵切換過程中出現主燃油計量流量下掉。將泵選擇活門共同供油段返修至1～1.5 mm 后，主燃油計量流量下掉現象消失。

根據泵選擇模塊改進前后主燃油控制裝置試驗數據對比，可知減小泵選擇活門共同供油段可以減小泵切換過程中泵選擇活門移動中的停滯，但共同供油段過小會導致主燃油計量流量下掉現象。

3 結束語

分析某型主燃油控制裝置中泵選擇模塊出現停滯的原因，并利用AMEsim 軟件建模仿真，探究驅動力與共同供油段的窗口大小對泵選擇活門穩定性的影響。結果表明，較大驅動力、較小共同供油段的泵選擇模塊切換過程引起的燃油波動都能在較短時間內恢復，組件穩定性得到提升，對于主燃油控制裝置泵選擇模塊設計具有參考和指導意義。