一种带计量控制功能的智能燃油泵的制作方法

本发明属于航空发动机燃油控制系统领域，主要涉及一种基于电动泵的燃油计量方法。具体地说是一种带智能控制功能的电动泵，可以按需实时输出流量精确的燃油，适用于航空发动机、燃气轮机的燃烧室供油等需要精确供油的场合。
背景技术：
：航空发动机和燃气轮机通过燃油燃烧，产生热焓推动涡轮做功或从尾喷管喷出高速气流获得推力。因此，对于航空发动机和燃气轮机来说，主要的控制手段就是通过调节进入燃油喷嘴的燃油量。发动机的工作状态不一样，其所需的燃油量也不一样。如何高效、精确地实现燃油量调节，是航空发动机和燃气轮机控制中主要的问题。现有的航空发动机和燃气轮机一般采取泵后回油的调节方式，具体为利用计量活门(fmu)、压差活门、回油活门(frv)构成的燃油调节系统，压差活门保证计量活门前后的压差维持在一个恒定的值，燃油泵输出的多余的燃油量通过回油活门返回到泵的进口处，实际燃油量由计量活门的开度控制。这种泵后回油调节方式造成很大的动力损失。此外，回油调节的供油方式还存在结构复杂，重量大，成本高等缺点。针对这一系列的问题，专利号cn201310614184.6提出了一种基于电动泵的燃气轮机燃油计量方法。该专利提出利用节流装置的面积和进出口压差计算燃油流量，利用限压装置控制节流装置的进出口压差，以实现燃油的精确供给。但是该专利提出的这种方式节流面积一定，燃油流量较小时，存在压差过小不易测量的问题，燃油流量较大时，存在压损过大的问题。技术实现要素：发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提出一种带计量控制功能的智能燃油泵，利用压差扫描测量装置获得燃油流量引起的压差，在需要多路测量时，采用分时扫描的方法获得燃油流量引起的压差，采用智能控制单元换算为流量，进而对电机进行控制，可以精确地实现按需供油，具有计量精度高、压力损失小、结构紧凑、使用便捷等优点。技术方案：一种带计量控制功能的智能燃油泵，包括智能控制单元、伺服电机、齿轮泵、带节流孔的计量段组、压差传感器，压差扫描测量切换阀组和油路选择控制阀组，所述压差扫描测量切换阀组包括n个压差扫描测量切换阀，所述油路选择控制阀组包括n个油路选择控制阀，所述带节流孔的计量段组包括n个带节流孔的计量段，n为大于1的自然数，所述齿轮泵、带节流孔的计量段组和油路选择控制阀组依次连接，所述齿轮泵泵出燃油输送给带节流孔的计量段组，经过带节流孔的计量段组后的燃油通过油路选择控制阀组，流入发动机的主副燃油喷嘴；所述伺服电机与齿轮泵连接，用于驱动所述齿轮泵；所述压差传感器用于测量燃油流过带节流孔的计量段组中被油路选择控制阀选通的带节流孔的计量段前后的压力差，并将压力差反馈至智能控制单元；所述压差扫描测量切换阀组连接所述压差传感器和带节流孔的计量段组，受智能控制单元控制，连通压差传感器和被选通的带节流孔的计量段；所述油路选择控制阀组通过智能单元控制单元控制油路选择控制阀的开通，根据流量需求信号选择油路，使燃油流入发动机的主副燃油喷嘴；所述智能控制单元用于接受输入的流量需求信号与压差传感器反馈的压差信号，经过计算得到电机控制信号和油路选择信号，分别控制伺服电机转速和对应流量的油路选择控制阀的导通；并根据当前选择的油路，控制压差扫描切换阀组选通对应的压差扫描切换阀。进一步地，所述智能控制单元中的流量计算模块接收压差传感器输入的压差信号，并根据压差扫描切换模块反馈的流道选择信号，基于事先标定的对应计量段的压差流量关系，通过流量计算程序，并根据压差扫描测量切换阀的选通信息，将当前压差换算为当前流量q，与外部输入的流量需求qr比较后，得到流量偏差δq；δq由流量控制模块计算得到电机转速需求nr，由电机控制模块控制伺服电机的实际转速为nr。进一步地，所述带节流孔的计量段组中多路计量段可选通，智能控制单元分时选通压差扫描测量切换阀组中对应与所选通计量段的阀，即在不同时刻选通不同的单个压差扫描测量阀，以测量一路压差，在短时间内扫描测量每一路压差，以获得这段时间内的每一路流量压差信息，测量每一条油路的流量信息，同时总流量等于被选通的所有通路的流量和。进一步地，所述油路选择控制阀组中可导通多个油路选择控制阀以选通燃油喷嘴的多个油路，多个油路可以是主副油路，满足发动机起动过程较少燃油流量的供油需求和正常工作时较大燃油流量的供油需求，使发动机的燃油调节更加便捷。进一步地，所述智能控制单元中包括流量计算模块，对带节流孔的计量段组中不同计量段的压差和流量关系进行事先标定，形成压差和流量的拟合关系有益效果：本发明所述的带计量控制功能的智能燃油泵，可直接应用于航空发动机和燃气轮机燃油系统，亦可用于其他按流量给定的需要精确供油的场合，采用智能控制单元，选通满足所需压差的带节流孔的计量段，可以保证低压差，高精度地测量。在有多路计量段被选通时，智能控制单元分时选通压差扫描测量切换阀组中对应的压差扫描测量切换阀，保证压差的有效测量，本发明可实现按需供油，具有计量精度高、压力损失小、结构紧凑、使用便捷等优点，用于航空发动机和燃气轮机燃油系统中，能够使系统兼顾可靠性、重量、成本与复杂程度，显著提高燃油系统乃至航空发动机和燃气轮机的整体性能。附图说明图1为本发明带计量控制功能的智能燃油泵的流程图，图2为本发明带计量控制功能的智能燃油泵的智能控制单元的电路流程图；图3为本发明带计量控制功能的智能燃油泵的控制原理框图；图4为本发明带计量控制功能的智能燃油泵的压差扫描测量切换阀组的原理图；图5为本发明带计量控制功能的智能燃油泵的带节流孔的测量段组流道面积与压降关系图。其中，1为智能控制单元，2为伺服电机，3为齿轮，4为带节流孔的计量段组，5为压差传感器，6为压差扫描测量切换阀组，7为油路选择控制阀。具体实施方式下面结合附图及实施例对本发明作更进一步的说明。如图1所示为带计量控制功能的智能燃油泵，包括：智能控制单元1、伺服电机2、齿轮泵3、带节流孔的计量段组4、压差传感器5、压差扫描测量切换阀组6和油路选择控制阀组7。图1中，细箭头代表电气或扭矩、转速等非液压信号通路，粗箭头代表液压或流体通路。带节流孔的计量段组4，装有压差传感器5，压差传感器和计量段通过压差扫描测量切换阀组6连接，压差扫描测量切换阀组受智能控制单元控制，可以使压差传感器和某一路计量段接通，以测量该路计量段的压差；不同路计量段的节流孔面积不同，因此可以大范围测量不同流量下的压差，且压力损失较低。可以分别满足不同流量时，保证低压差的情况下，压差传感器的测量精度；压差传感器测量计量段流道两端压差并反馈给智能控制单元，用以控制电机转速和压差扫描测量切换阀组的选通。油路选择控制阀7，受智能控制单元的油路选择控制模块控制，可以按流量需求选通带节流孔的计量段组4中某一个或某几个使压差合适的计量段，供压差传感器测量，所谓合适的压差是指既不会因大流量时导致压损过大超出压差传感器的量程，又不会因小流量时压差太小导致压差传感器测量不准；压差扫描测量切换阀组受智能控制单元中压差扫描测量控制模块控制，选通对应当前需要测量压差的计量段的压差扫描测量切换阀，从而实现对此路油路压差的测量。当流量需求较大，需要多路通路选通时，智能控制单元中压差扫描切换模块分时地选通压差扫描测量切换阀组中对应多路计量段的压差扫描测量切换阀，实现压差的分时扫描测量；油路选择控制阀7还可以选通燃油喷嘴的主副油路，满足发动机起动过程较少燃油流量的供油需求和正常工作时较大燃油流量的供油需求，使发动机的燃油调节更加便捷。图1中所示的伺服电机2，选用永磁同步伺服电机，电机驱动器接受控制器的pwm脉冲实现转速伺服控制。带动泵转动，为系统提供液压动力，所选用电机的规格参数如表1所示。功率400w额定电压200v控制方式位置模拟速度控制额定转速3000rpm表1图1中所示的齿轮泵3，受电机带动，选用高精度齿轮泵，通过已知排量和容积效率，利用智能控制单元计算，智能控制单元输出pwm控制信号，控制电机带动齿轮泵，精确地按需输出一定流量的燃油，其泵出的燃油量主要由伺服电机的转速控制满足关系：q＝f(nr，q,η)(a)式(a)中，nr为电机输出的转速，q为齿轮泵排量，η为齿轮泵容积效率。电机的转速受智能控制单元控制，齿轮泵泵出的燃油输送给压差扫描测量机构，进行计量。采用的齿轮泵的规格参数如表2所示；表2如图2所示为带计量控制功能的智能燃油泵的智能控制单元的电路流程图，依次包括：供电电路(dc-dc)、滤波电路、信号转换电路(i/v变换)、放大隔离电路(电压跟随)、智能控制芯片、串行通信接口、以太网接口、pwm输出接口，io输出接口。其中，供电电路选用dcdc芯片wrb2405s，可以实现24v电压输入，5v电压输出，以满足信号转换，隔离放大，智能控制芯片的供电需求；滤波电路采用低通滤波的方式，以滤去电压信号的不平稳；信号转换电路采用精密电阻与tlv2221运算放大器，实现i/v转换；隔离放大电路采用tlv2221实现电压跟随；智能控制芯片选用tm4c1294ncpdt，可以方便地通过编程，实现各种控制功能；且tm4c1294ncpdt自带串行通信，以太网和pwm输出和io输出功能，通过周围电路的配置，可以方便地满足使用需求。上电后，接收外部给定的流量信号，流量信号的输入方式可以以电流、电压或数字量的其中一种形式输入，分别从信号转换电路、滤波电路或串行接口，或从上位机由以太网输入智能控制芯片，电压信号是直接给定或采集后，经过滤波输入给放大芯片，再输入至控制芯片中，比如0v对应无流量，2v对应最大流量，与流量具有线性关系；电流是4～20ma，可以通过i/v转换为0～2v电压，因此和电压也是一一对应，电流在传输过程中不容易受到干扰，且适合远距离传输而不衰减，以太网和串行数字信号，是用二进制编码代替一个流量，比如00000000代表无流量，11111111代表最大流量，然后一一对应；同时压差传感器反馈的压力信号可以以电流或电压的形式分别从信号转换电路或滤波电路输入智能控制芯片；压差信号和流量信号可以在智能控制芯片中由不同的端口输入，加以区分，例如定义a0口输入电压为流量，a1口输入电压为压差，芯片可以识别；i/o信号可以对扫描测量切换阀、油路选择控制阀进行控制。智能控制芯片经过内置的程序模块，分别实现流量换算，流量控制，pwm输出，油路选择控制，压差扫描测量控制等功能；其中流量换算和流量控制在芯片内部完成，并输出pwm信号，作为电机的控制信号，通过pwm输出模块，转换可以直接控制电机的pwm信号，输出给电机；油路选择控制根据当前流量的需求范围的改变，控制油路选择控制阀的关断，选择合适的一路或多路油路，使燃油流过合适的计量段，以保证合适的压差；压差扫描测量控制根据当前选择的油路和反馈的压差，选通压差扫描测量切换阀组的某一阀，实现对对应的一路计量段压差的测量，当需要测量多路压差时，压差扫描测量控制分时地选通多路对应的压差扫描测量切换阀，以实现压差的分时扫描测量。分时扫描是指在不同时刻选通不同的单个压差扫描测量阀，以测量一路压差，在短时间内扫描测量每一路压差，以获得这段时间内的每一路流量压差信息，以获得每一路的流量压差信息，测量每一条油路的压差流量信息。如图3所示为带计量控制功能的智能燃油泵的控制原理框图，其控制结构如下：智能控制单元分为流量控制模块、电机控制模块、流量计算模块、油路选择模块、压差扫描切换模块五个模块。其中电机控制与电机构成电机转速闭环，其控制指令由流量控制模块给定。流量控制、电机速度闭环、泵和计量段共同构成流量控制闭环前向通道，传感器和流量计算构成流量控制闭环反馈回路，流量控制闭环回路的控制指令由所需的外部流量指令给定；油路选择模块由流量需求指令控制，选择对应的油路选择控制阀，以选通合适的油路，使燃油流过对应的计量段；压差扫描切换模块由传感器信号和油路选择给出的所选择的油路信息控制，分时地选通对应的压差扫描切换阀，以使传感器测量对应计量段的压差。图3所示的计量控制功能的智能燃油泵的控制原理框图控制流程如下：其中智能控制单元中流量计算模块的主要功能是接受压差传感器反馈的压差信号δp以及油路选择控制模块给出的所选择的油路信息，根据事先对带节流孔的计量段组中不同计量段压差和流量关系进行的标定所形成的压差和流量的拟合关系，将其换算为对应的较为准确的当前流量信号q，并传输给内部的流量控制模块。流量控制模块通过比较外部输入的流量需求信号qr与当前流量信号q，获取流量信号偏差δq。经过增量式pid控制算法，转换为电机速度闭环的输入信号nr，传输给电机控制模块。电机控制模块由通过fast方法或foc方法，fast方法即采集转子磁通，磁通角，刺痛速度和轴扭矩等状态信息，获取当前转速；foc方法即利用磁场定向控制从电机获取的当前的转速信号n，通过与转速需求信号nr比较，得到转速偏差δn。经过增量式pid控制算法，将转速偏差δn转换为控制电机转速值，再利用位置模拟速度控制关系，转换为所需pwm信号，控制电机转速，由电机带动泵泵出需求的流量；位置模拟速度控制，即以pwm信号控制伺服电机以步进的形式工作，每一个标准脉冲步进一次，因此pwm信号频率与实际每分钟转速满足关系：式(b)中，n表示每分钟电机转速rpm，f表示pwm信号的频率，k表示预先设置的每一转所需的步进数。油路选择模块接受输入的流量需求控制信号，选择在当前流量下，保证合适的压差所需的油路，并控制油路选择控制阀组中对应油路的导通，使得压差始终处于合适的范围，既不会因大流量导致其过大超出压差传感器的量程，又不会因小流量导致其太小导致压差传感器测量不准。压差扫描切换模块接收压差传感器测量的压差信号，并根据当前油路选择模块所选择的油路，智能地分时导通对应的压差扫描切换阀，使压差传感器分时扫描不同油路计量段的压差；同时压差扫描切换模块将此时对应的压差扫描切换阀选通信息传递给流量计算单元，以保证流量计算单元通过压差准确地计算流量。图4所示为带计量控制功能的智能燃油泵的压差扫描测量切换阀组的原理图，采用电磁控制的换向阀作为压差扫描测量阀，受智能控制单元中压差扫描切换模块控制，在统一时刻只能有一路油路选通，此油路连接到压差传感器，压差传感器另一端连接到公共端，使压差传感器同一时刻只能测量一路计量段的压差。本实例中，以将本发明用于某型燃气轮机燃油系统为例，具体介绍压差扫描测量装置。某型燃气轮机燃油系统，启动过程供油100kg/h；空载最大转速供油300kg/h；最大负载供油600kg/h；使带节流孔的计量段的压差分别在100kg/h到200kg/h过程a，300kg/h到600kg/h过程b，压差均低于50kpa，大于10kpa，这样既不会因大流量时导致压损过大超出压差传感器的量程，又不会因小流量时压差太小导致压差传感器测量不准。本实例中，可以选择具有两路油路的带节流孔的计量段组，即：1.100kg/h到200kg/h过程a使用油路a；2.300kg/h到600kg/h过程b使用油路b。两过程使用两条不同油路分别使压差低于50kpa大于10kpa。经过计算，在节流孔长度统一为2mm的情况下，过程a，应选择计量段节流孔径d为1.25mm，面积1.23mm2；过程b时，应选择计量段节流孔径d为2mm，面积3.14mm2。压差-流量关系如表3所示，从表中可以看出，分别在a,b两个过程中均满足压差低于50kpa大于10kpa要求。图5绘制出了表3中，流道面积，流量与压降之间的关系，可以从图中直观地看到控制可调压差计量机构的不同流道面积，可以分别满足不同流量需求时，保证压差在合适的范围内。表3以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。当前第1页12