燃油泵调节器供油特性改进方法

邹品文，程婷，韩小曼，张伟，罗畅敏

(中航工业贵州红林机械有限公司，贵州贵阳550009)

燃油泵调节器供油特性改进方法

邹品文，程婷，韩小曼，张伟，罗畅敏

(中航工业贵州红林机械有限公司，贵州贵阳550009)

燃油泵调节器供油特性的优劣，直接关系到航空发动机能否可靠工作和充分发挥性能。某燃气涡轮起动机燃油泵调节器，为满足用户使用要求，需改变其起动加速供油特性。主要通过增加数控模块，利用其控制器和传感器来实现信号的反馈与匹配，再通过放油实现脉宽调制电磁阀对流量的修正，从而实现对燃油泵调节器起动加速供油特性的修正。最后通过试验验证了改进方法的可行性。

燃气涡轮起动机；燃油泵调节器；起动加速供油特性；改进方法；占空比；特性曲线

1 燃油泵调节器

某燃气涡轮起动机上使用的燃油泵调节器[1]，在燃气涡轮起动机起动过程中按照GT=f(p2)的函数关系向发动机供油，并由起动加速自动装置(图1)实现。其中GT为供油量，p2为起动机压气机后的空气压力。该装置主要由波纹管组件(由波纹管真空端和p2端组成)、弹簧、起动加速活门、杠杆、壳体、压差活门、齿轮泵、起动加速活门衬套、I号调整钉、密封圈、移动块、Ⅱ号调整钉等组成[2]。起动机起动工作过程中，附件机匣上的燃油泵调节器驱动轴带动齿轮泵，经齿轮泵增压的燃油通过起动加速活门计量，然后供往起动机燃烧室。起动加速活门的燃油进出口之间设有压差活门，以保证工作过程中起动加速活门前后燃油压差稳定。因此，供油量只与起动加速活门计量窗口的实际打开面积有关，即供油量与计量窗口的实际打开面积成正比。在起动加速自动装置中，计量活门的移动量(对应计量窗口面积)与p2相关，其实现过程为：来自起动机压气机后的空气进入波纹管组件的p2端，使p2端波纹管轴向尺寸发生变化，带动杠杆绕其旋转中心转动，又因杠杆穿过起动加速活门上的两个平行圆柱销，所以其转动将带动该活门上下移动，从而实现通过p2控制燃油计量面积。图2给出了p2(绝压)与波纹管位移的关系曲线，波纹管位移量与p2成线性关系，即通过改变p2可改变计量窗口面积，从而实现按GT=f(p2)的函数关系向燃气涡轮起动机供油[3]。

图1 起动加速自动装置的结构原理Fig.1 Structure of starting and acceleration automatic device

图2 燃气涡轮起动机压气机后的空气压力与波纹管位移的关系曲线Fig.2 The curve of air pressure after gas turbine starter compressor and corrugated pipe displacement

为满足用户使用要求，需将起动机的起动加速供油特性从图3改为图4。改进中，不允许改变原产品的主体结构，但可适当增加功能部件。新的起动加速供油规律仍为GT=f(p2)。

图3 原起动加速供油特性曲线Fig.3 The original fuel supply characteristic curves of starting and accelerating

图4 新起动加速供油特性曲线Fig.4 The new fuel supply characteristic curves of starting and accelerating

2 实现新的起动加速供油特性的方法

2.1 方法一

不改变现有结构，实现新的起动加速供油特性。如果不改变现有结构，可通过重新设计波纹管组件和起动加速活门衬套上的型孔，改变波纹管的特性及起动加速活门型孔尺寸，再通过两者的性能匹配，实现新的起动加速供油特性。

2.2 方法二

增加数控模块，实现新的起动加速供油特性。增加一个由硅压阻式绝对压力传感器、脉宽调制(PWM)电磁阀和控制器组成的数控模块(图5)，对供油量进行修正，实现新的供油特性。

图5 增加数控模块后起动加速自动装置的结构原理Fig.5 Structure of starting and acceleration automatic device after adding the numerical control module

2.2.1 数控模块功能

工作过程中，数控模块将p2对应转换为PWM占空比信号，驱动脉宽调制电磁阀[4]工作，对供油量进行修正，实现新的起动加速供油特性要求。

硅压阻式绝对压力传感器的作用，是将起动机起动工作过程中的p2对应转化为电压信号，并传输给控制器。图6为硅压阻式绝对压力传感器的特性曲线。

图6 硅压阻式绝对压力传感器的特性曲线Fig.6 The characteristic curve of silicon piezoresistive absolute pressure sensor

脉宽调制电磁阀为常闭电磁阀，在PWM信号的驱动下，可控制电磁阀一个工作周期内的喷嘴打开和关闭时间之比。为保证脉宽调制电磁阀工作质量，对PWM信号做如下要求：

式中：f为PWM信号频率；f0为占空比为50%时的信号频率，f0=40Hz；q为占空比，且q=(T1/T)×100%，T1为一个脉冲中的吸合时间，T为一个脉冲时间。

图7为电磁阀脉宽调制驱动电路的电流特性曲线，图中I为电流，In为强激电流，τ1为吸合动作时间，τ2为释放动作时间。图8为电磁阀按图7要求的驱动信号工作时的占空比-流量特性曲线。

图7 脉宽调制电磁阀驱动电路的电流特性曲线Fig.7 The driver circuit current characteristic curve of pulse-width modulation solenoid valve

控制器具有贮存、分析和运算功能，通过1、2、3、4信号线与压力传感器相连。工作中，通过3、4通道获得压力传感器输出电压信号，并经驱动电路将电压信号转换成驱动电磁阀工作的PWM信号；同时，通过1、2信号线向压力传感器提供激励信号(供电)[5]。

图8 电磁阀占空比-流量特性曲线Fig.8 The characteristic curve of electromagnetic valve duty ratio-flow

2.2.2 通过数控模块实现起动供油特性的具体方法

从图3和图4中可以看出，新起动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。由于脉宽调制电磁阀对流量的修正通过放油方式来实现，因此需增大起动加速活门衬套上的型孔，在不用数控模块对供油量进行修正的情况下，使其供油量大于要求的供油量。如图9所示，通过增大型孔，后段供油量提高到81.0 kg/h，保证了整个供油曲线在要求的供油曲线之上。

图9 数控模块不工作时的供油特性曲线Fig.9 The oil supply characteristic curves when numerical control module not working

图10示出了数控模块不工作时的供油特性曲线与实际要求的起动加速供油特性曲线。可见，在A点之前供油曲线重合，在B～H点流量依次相差ΔQ1～ΔQ7。因此，要得到新的起动加速供油特性，在工厂调试时，应分别在B～H点对应的p2下调整占空比，使得通过电磁阀放掉的燃油量分别为ΔQ1～ΔQ7，并记录各压力点对应的占空比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)。工作过程中，其他各压力点的占空比按线性插值规律确定：

图10 数控模块不工作时的供油特性曲线与要求的起动加速供油特性曲线Fig.10 The characteristic curves of oil supply when numerical control module not working

得到q0～q7的实际值后，上位机通过数控模块中控制器上设置的数据通信接口，将式(2)编程固化到控制器中。在配装燃气涡轮起动机工作时，压力传感器感应p2，并向控制器输出电压信号，然后控制器根据p2的变化，按式(2)要求输出PWM信号，驱动电磁阀工作，即可获得新的起动加速供油特性。

2.3 两种方法比较

方法一的优点是产品外形结构不发生变化，不会增加产品质量。缺点是波纹管研制周期长，且不能保证一次设计就能满足使用要求，需要反复迭代，费用高，且活门衬套上的燃油计量型孔加工困难。

方法二增加了一个质量约300 g的数控模块。只要该模块不工作时产品的供油量大于起动机要求的供油量，就可通过数控模块按照一定的规律放油，从而实现起动加速供油要求。其优点是适应性好，既可方便实现起动机对起动供油特性的任何修改需求，又可在外场根据起动机的实际工作需要对供油特性进行优化调节。缺点是增加了产品的质量，同时也需进行必要的可靠性试验来验证考核。

3 试验验证

考虑到研制周期及技术难度，选择方法二进行改进。目前，已按方法二生产了一定量燃油泵调节器，通过工厂调试获得q0～q7，并按式(2)的计算方法，将q的变化规律编程固化到控制器中。试验验证结果表明，改进后起动机的起动加速供油特性曲线(图4中的实测供油线)满足改进要求，改进方法正确。

4 结束语

针对某燃气涡轮起动机燃油泵调节器需改变起动加速供油特性的要求，提出通过增加数控模块，利用其脉宽调制电磁阀对调节器起动供油特性进行修正的方法，并通过了试验验证。这不仅满足了燃气涡轮起动机工作性能改进和提高的需要，有助于对起动加速工作特性的分析和理解，同时可为各类发动机配套燃气涡轮起动机的设计和试验研究提供参考，具有推广应用价值。

[1]廉筱纯，吴虎.航空发动机原理[M].西安：西北工业大学出版社，2005.

[2]某系列燃滑油泵调节器技术规范[R].国营143厂，2002.

[3]钟华贵，刘洪凯，孙瑞礼.燃气涡轮起动机高空台高空起动试验研究[J].燃气涡轮试验与研究，2013，26(5)：1—6.

[4]苏岭，柳泉冰，汪映，等.脉宽调制保持电磁阀驱动参数的研究[J].西安交通大学学报，2005，39(7)：689—692.

[5]航空喷气发动机自动控制设计手册[M].北京：国防工业出版社，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

邹品文(1966-)，贵州兴仁县人，研究员，中航工业发动机公司首席技术专家，主要从事航空发动机燃油控制系统液压机械附件设计研究。