主燃油控制装置泵选择模块稳定性设计仿真研究

昝宇晗，杨 帅，李 扬

（中国航发西安动力控制科技有限公司，陕西西安 710077）

0 引言

航空发动机数控系统由电子控制器、液压机械执行机构、传感器等组成[1]。液压机械执行机构设计制造周期长、成本高[2]。通过建模仿真研究可以预测液压机械机构性能、评估设计方案，及早发现并修正设计缺陷，确定改进优化方向，缩短研制周期、节约研制成本[3]。

航空发动机液压机械的功能由多个液压功能单元共同实现。在分析每个功能单元运行机制的基础上建立相应的功能单元模型，然后组成机构的总体模型。利用AMESim 软件模块化、图形化的建模方式，将主要精力放在功能和性能分析上将主要精力放在系统功能分析和性能分析。

基于AMESim 软件的航空发动机液压机械执行机构研究有很多，其中文献［4］研究了压气机导流叶片调节器切换特性；文献［5］针对主燃油控制装置的建模进行了研究；文献［6］对电子控制器、液压机械执行机构和发动机模型进行了联合仿真。

本文介绍某型主燃油控制装置泵选择模块与存在的问题，利用AMESim 软件建立仿真模型，深入分析了泵选择模块在主燃油泵和伺服燃油泵共同供油段出现停滞的原因，得出了较大驱动力、较小共同供油段对泵选择模块切换过程稳定性有提升效果的结论。

1 主燃油控制装置泵选择模块结构与问题

1.1 泵选择模块工作原理

泵选择活门一端通有主燃油泵后来油，泵选择活门中心加工有通油孔，将主燃油泵来油引入活门内腔，用以平衡作用在活门上的压差力；活门另一端通有低压油，通过弹簧座与LVDT（Linear Variable Differential Transformer，线性可变差动变压器）相连，现有结构原理如图1 所示。

图1 现有泵选择模块结构原理

在发动机启动阶段，由于转速较低，主燃油泵的燃油压力较低，泵选择活门在弹簧力作用下处于关闭位置，切断了主燃油泵来油通往主燃油计量活门的供油通道。此时，伺服燃油泵来油经泵选择活门单独向主燃油计量活门供油。

随着发动机转速的提高，主燃油泵来油压力随之升高，泵选择活门在主燃油泵来油压力作用下克服弹簧力移动，打开主燃油泵来油供往主燃油计量活门的通道。此时，主燃油泵来油和伺服燃油泵来油同时向主燃油计量活门供油。

随着发动机转速的继续升高，主燃油泵来油压力超过设定值时，泵选择活门向右移动至完全打开，关闭伺服燃油泵来油通往主燃油计量活门的供油通道。此时，主燃油泵来油单独向主燃油计量活门供油。

当主燃油泵故障时，泵的来油压力快速降低，泵选择活门在弹簧力作用下移动到关闭位置，切断了主燃油泵来油向主燃油计量活门供油的通道，由伺服燃油泵经泵选择活门单独向主燃油计量活门供油。

1.2 现有泵选择模块存在的问题及分析

泵选择活门上设置有LVDT，向电子控制器发送泵选择活门位置信号。随着主燃油泵后压力变化，泵选择活门移动出现停滞。在活门打开过程中，活门在主燃油泵来油通道打开临界位置处出现停滞。在活门关闭过程中，活门位移在伺服燃油泵来油通道打开的临界位置处出现停滞，两个停滞位置均在主燃油泵和伺服燃油泵共同供油段。

泵选择活门工作条件和受力情况进行分析，认为泵选择模块停滞的原因可能与泵选择活门处于主燃油泵和伺服燃油泵共同供油阶段时，泵选择活门上的液动力不平衡导致活门受力状态变化有关。液动力大小主要受活门驱动力、型孔开度等影响。一般情况下，通过活门的驱动力越小，活门所受的液动力越小，活门刚刚打开（即型孔开度较小时），活门受的液动力影响较为明显。

驱动力大小主要受活门受力面积、燃油压力等影响。一般情况下，活门受力面积越大，燃油压力越大，活门所受的驱动力也越大。在燃油压力恒定的情况下，可以通过增大活门受力面积的方式使活门所受的驱动增加，以改善泵选择活门的运动稳定性。目前泵选择活门处于主燃油泵和伺服燃油泵共同供油阶段的窗口宽度为2 mm，适当减小共同供油段窗口宽度可以使切换过程中主燃油计量流量平稳，降低泵切换对主燃油计量造成的干扰。

2 泵选择模块的稳定性影响分析

依据对泵选择模块存在的问题及分析，利用AMEsim 软件建模仿真，增大泵选择活门的驱动力与共同供油段的窗口大小，探究影响泵选择模块稳定性的因素。

2.1 驱动力对泵选择模块的稳定性影响

现有的泵选择活门模块由泵选择活门组件、泵选择活门止动垫、弹簧座、弹簧与LVDT 组成，泵选择活门一端通有主燃油泵后来油，泵选择活门中心加工有通油孔，将活门主燃油泵来油引入活门内腔，用以平衡作用在活门上的压差作用力。泵选择活门左端止挡位置为泵选择活门止动垫端面，右止挡位置为弹簧座与线位移安装座接触面。泵选择活门衬套右端通有低压油，通过弹簧座与LVDT 相连。该结构由于采用活塞式结构，通过降低活门的受油液压力的面积，可以降低泵选择活门弹簧的设计难度，但同时导致该活门弹簧的力值较小，使泵选择活门的驱动力相对较小。

改进后的泵选择模块结构原理如图2 所示。改进后的结构取消了泵选择活门止动垫与弹簧座，将泵选择活门衬套改进为通孔形式，衬套安装面调整于壳体安装孔的LVDT 一侧。将泵选择活门与弹簧座结合，弹簧止靠于泵选择活门底部，弹簧刚度由7.87 N/mm 增加至48.6 N/mm，弹簧腔通2 MPa 定压油。改进后的泵选择活门取消了通油孔与活门内腔，活门受力面积由Φ10 mm 的活塞杆截面积增大至Φ30 mm 的泵选择活门外径截面积，从而增加活门的驱动力，改善活门运动的稳定性。

图2 改进后的泵选择模块结构原理

为验证泵选择模块改进后的可行性，利用AMESim 软件进行模拟仿真。改进前的泵选择模块在主燃油泵来油通道打开临界位置处出现停滞，泵选择活门移动曲线出现平段。改进后停滞现象改善，泵选择活门移动曲线平段较小。

2.2 共同供油段窗口对泵选择模块的稳定性影响

为使泵选择活门工作时尽快脱离活门刚打开的状态，同时满足LVDT 的行程限制，在目前泵选择活门衬套型孔的基础上，泵选择活门共同供油段的开度从0.1 开始，逐步增大泵选择活门共同供油段的开度。通过对比不同泵选择活门共同供油段开度下，泵选择活门移动的线性和计量流量、压差的稳定性，找出满足计量供油需求的最小开度和最小供油面积。图3 为不同共同供油段开度时的仿真结果，随着共同供油段开度的减小，泵选择活门移动曲线平段总体呈减小趋势。但当共同供油段开度小于0.5 mm 时，计量流量在切换过程中的波动明显放大。

图3 泵选择活门移动曲线

为探究共同供油段开度较小情况下对泵选择模块的真实影响，设计并加工共同供油段设计为0.1～0.16 mm 泵选择活门，并装配于主燃油控制装置在实验台上进行验证。泵选择活门移动中的停滞减小，但主燃油计量供油在泵切换过程中出现主燃油计量流量下掉。将泵选择活门共同供油段返修至1～1.5 mm 后，主燃油计量流量下掉现象消失。

根据泵选择模块改进前后主燃油控制装置试验数据对比，可知减小泵选择活门共同供油段可以减小泵切换过程中泵选择活门移动中的停滞，但共同供油段过小会导致主燃油计量流量下掉现象。

3 结束语

分析某型主燃油控制装置中泵选择模块出现停滞的原因，并利用AMEsim 软件建模仿真，探究驱动力与共同供油段的窗口大小对泵选择活门稳定性的影响。结果表明，较大驱动力、较小共同供油段的泵选择模块切换过程引起的燃油波动都能在较短时间内恢复，组件稳定性得到提升，对于主燃油控制装置泵选择模块设计具有参考和指导意义。