一种带温度补偿功能的燃油计量装置及计量方法与流程

1.本发明属于航空发动机燃油系统液压机械结构设计技术领域，具体涉及一种带温度补偿功能的燃油计量装置及计量方法。


背景技术：

2.燃油计量装置是航空发动机燃油系统液压机械的核心关键部件。航空发动机对燃油计量的精度要求非常高，能够达到0.1g/s的量级。航空发动机燃油系统在工作时温度为(-40～135)℃，温度变化范围高达175℃，燃油密度变化可以达到130g/m3，再加上燃油计量装置为金属零组件构成，随温度变化会产生热胀冷缩。在以上两种因素共同作用下，燃油流量随温度变化相对于设计值产生较大的误差。以往计量装置未针对温度变化设计专门的部件进行修正，其结果是在某一固定的设计温度下燃油流量与设计规律相符合，温度变化时会产生偏离。
3.cn106762160a记载了一种新型燃油温度补偿方法，也是具有温度补偿功能的燃油计量装置，但是该装置结构简单，只能补偿计量活门开口面积，无法补偿燃油密度受温度的影响，因此补偿精度较低，难以在整个温度范围内保证燃油流量设计规律，进而影响航空发动机在全温度范围内控制精度。


技术实现要素：

4.本发明的目的是：提供一种能够将燃油流量设计规律由设计点推广到全温度范围，计量精度高的带温度补偿功能的燃油计量装置及计量方法。
5.本发明的技术方案是：一种带温度补偿功能的燃油计量装置，其包括压差活门、计量活门及用于安装的壳体，所述压差活门与计量活门反向平行安装在壳体内，其中，压差活门计量后燃油腔内设置有温度补偿片，而计量活门的计量活塞杆内部设置有温度补偿杆。
6.所述压差活门包括压差活门阀芯15、压差活门阀套16、压差活门弹簧座ⅰ17、压差活门弹簧18、压差活门弹簧座ⅱ19、温度补偿片21、压差活门小螺塞22、压差活门大螺塞20等，以及相互连接安装关系，压差活门阀套16固定按壳体中，压差活门阀芯15与压差活门阀套间隙配合，可以实现阀芯阀套有灵活的相对运动，同时间隙应尽可能小使得压差活门阀芯在运动过程中对中性好，避免偏斜影响感压效果，压差活门弹簧18两端装配有压差活门弹簧座ⅰ17与压差活门弹簧座ⅱ19，温度补偿片21安装在压差活门弹簧座ⅱ19与压差活门小螺塞22之间，压差活门小螺塞22通过螺纹与压差活门大螺塞20固定，压差活门大螺塞20通过螺纹固定在壳体上。
7.所述温度补偿片5j20110-gb/t4461-2007材料。
8.所述温度补偿片采用球形设计，特定球形，球形半径根据材料热变形物理特性及计量装置需要的热变形量综合确定，该特定球形可以感受温度的变化，在温度升高时球形半径变小，挠度增大，因此端面产生的位移变大，使得压差活门弹簧的压缩量变大，计量前后的压差变大，补偿燃油密度随温度升高的减小；温度降低时球形半径变大，挠度减小，因
此端面产生的位移变小，使得压差活门弹簧的压缩量变小，计量前后的压差变小，补偿燃油密度随温度降低的增大。所以温度变化时压差活门具备补偿燃油密度随温度变化的功能。
9.所述温度补偿片两面进行磨平处理，使用时，多个温度补偿片可叠合使用。
10.所述压差活门两个配合段设计用于高压清洁燃油注入进行清洗的通油孔。
11.压差活门底座可以通过螺纹旋紧或放松进而对压力差进行微调，保证计量活门压差达到设计值。
12.所述压差活门大螺塞设计径向孔，配合压差活门底座的u型销，通过插入开口销可以实现二者防松，进而保证所调节好的压差值可以稳定保持，不会由于机械振动等外界因素而改变。
13.所述计量活门包括计量活门阀芯7、温度补偿杆8、防松环11、传感器静子12、传感器动子14，计量活门大端盖13、计量活门阀套6、挡板5、卡圈4、计量活门小端盖3、计量活门调整钉2，螺母1等，以及相互之间的连接关系，温度补偿杆8通过螺纹与计量活门阀芯固定在一起，计量活门阀芯7与计量活门阀套6间隙配合，传感器动子14通过螺纹与温度补偿杆8固定在一起，同时在二者之间安装防松环11进行防松，计量活门大端盖13通过螺钉固定在壳体上，传感器静子12通过螺钉固定在计量活门大端盖13上，挡板5通过卡圈卡圈4固定在计量活门阀芯7上，计量活门小端盖3通过螺纹固定在壳体上，计量活门调整钉2通过螺纹固定在计量活门小端盖3上，并且可以调整相对位置，计量活门调整钉2可以与挡板5配合实现计量活门阀芯7位置可以调节，螺母1对计量活门调整钉2进行防松。
14.所述温度补偿杆具备补偿壳体的热胀冷缩的功能。
15.所述温度补偿杆通过螺纹与计量活门阀芯固定在一起，在端部设计一个防松环，形成榫卯结构，将温度补偿杆与计量活门阀芯进行防松，避免温度补偿杆相对于计量活门阀芯产生转动，从而产生轴向的位移，进而避免温度补偿的功能被螺纹松后产生轴向位移抵消。
16.所述温度补偿杆与位移传感的动子杆连接采用自锁钢丝螺套连接，使二者具备防松的功能。
17.所述温度补偿杆在控制油与低压油之间设计密封圈，对控制伺服油与低压燃油两个不同压力的油进行隔离。
18.所述挡板和计量活门调整钉，可以调整计量活门的节流面积，从而使计量燃油可以实现最小流量可以调节的功能。挡板为中空半圆形结构，计量活门两端对挡板进行止动，可以实现计量活门阀芯位置在0-3mm范围内调整。
19.整个装置的工作温度补偿的计量工作原理和过程如下。
20.步骤1：在计量前燃油腔注入燃油，输入定压油与控制油，压差活门与计量活门并联，保证计量燃油前后压差恒定，此时计量流量与计量活门节流面积成正比。
21.步骤2：控制油增加或者减少可以调节计量活门阀芯的位置，传感器将位置读取，在目标位置时控制油封住，可以保持计量活门阀芯位置稳定。
22.步骤3：当温度变化时，燃油密度发生变化，温度补偿片感受温度发生热变形，对弹簧压力进行补偿，进而对计量前后的压差进行补偿，在不同温度下，保持计量前后压差均为设计值。
23.步骤4：当温度变化时，传感器静子安装在壳体上，壳体热变形会带来传感器静子
与动子相对位置的变化，通过温度补偿杆补偿这种变化，保证计量活门节流面积在不同温度下均保持设计值。
24.步骤5：通过燃油温度与计量活门节流面积的补偿，将燃油流量设计规律由设计点推广到全温度范围。
25.本发明的优点是：本发明航空发动机带温度补偿功能的燃油计量装置，其主要由计量活门与压差组成，具备补偿燃油温密度的功能，同时具备补偿计量活门节流面积功能，同时可以调节计量活门的初始位置，结构紧凑，功能可靠，可以在整个温度范围内保证燃油流量设计规律。
附图说明
26.图1是带温度补偿的燃油计量装置结构图；
27.图2是带温度补偿的计量方法原理图；
28.图3是温度补偿片结构图；
29.图4是图3的侧视图；
30.图5是温度补偿杆结构图；
31.图6是挡板结构图。
具体实施方式
32.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
33.本发明提供一种带温度补偿功能的燃油计量装置，在传统的燃油计量装置的计量活门中加入温度补偿杆，同时在压差活门中加入温度补偿片，通过材料本身的热胀冷缩补偿燃油温度变化。具体地说，燃油流量的公式为：
[0034][0035]
式中：
[0036]
q—质量流量；
[0037]
μ—流量系数；
[0038]
a—节流面积
[0039]
△
p—燃油计量前与计量后压差
[0040]
ρ—密度；
[0041]
在同一温度下，计量的原理为通过压差活门保证燃油计量前与计量后压差值保持恒定，因此燃油质量流量与节流面积a成正比，控制计量活门位移使得节流面积a产生改变，调节出需要的燃油流量值。连接在计量活门阀芯尾部的位移传感器动子杆随阀芯移动，相对于固定在壳体的静子会产生位移，这个位移被控制器采集到，当位移达到要求的值，控制器闭环控制计量活门阀芯稳定在要求的位置。
[0042]
当温度产生变化时，不论燃油本身温度变化还是工作环境的温度产生了变化，最终作用到燃油及计量装置的温度变化可以认为是上述两种因素的叠加作用，以下简称温度变化。当温度变化时，壳体会发生热胀冷缩，在左起位移传感器静子的安装边右至计量活门阀套安装边之间的长度因温度变化会产生变形量，这个变形量会使位移传感器静子相对与
动子产生位移，控制器识别的位移值会发生变化，而此时节流面积a并未发生变化，因此由于温度变化实际的控制流量会产生一个偏差，能够识别出这个偏差是本发明的第一步，传统的滑阀式计量活门并未考虑这种偏差。一般的计量活门每0.1mm的位移对应的计量流量可以达到5kg/h量级，而在-40～135℃范围内铝材在上述长度空间内的变化可以达到0.1～0.2mm，因此对应的流量偏差在5～10kg，对于要求精度达到0.1kg/h级别的计量装置，温度变化是不得不考虑的因素。
[0043]
想要消除这个偏差有两个途径，其一是选取线膨胀系数小的材料，温度变化时材料的变形较小，受航空材料轻质化、高强度的要求，几乎没有材料能够同时满足以上要求，而且上述方法只是减小偏差并不能消除偏差。另外一个途径就是补偿这种偏差，由于位移传感器是由静子与动子构成，而温度变化带来的位移作用在静子上，因此想办法在动子上进行补偿。由此可以在动子杆上设计温度补偿机构，使得动子随温度变化产生的位移量与静子相同，这样可以补偿静子的偏差。为了保证变形程度相同，因此在设计动子补偿时具体可以设计两个变量。一是材料选取与静子相同的材料，这样线膨胀系数相同。另外一个温度补偿杆的长度与静子的安装边右至计量活门阀套安装边之间的长度相同，控制这两个变量可以使动子的变形与静子相同。当然也可以设计不同长度与材料的温度补偿杆，但需要材料的线膨胀系数与长度设计相匹配，最终的目的是保证静子与动子的变形量相等。
[0044]
为此，本实施例一种带温度补偿功能的燃油计量装置，其包括压差活门、计量活门及用于安装的壳体，所述压差活门与计量活门反向平行安装在壳体内，其中，压差活门计量后燃油腔内设置有温度补偿片，而计量活门的计量活塞杆内部设置有温度补偿杆。
[0045]
所述压差活门包括压差活门阀芯15、压差活门阀套16、压差活门弹簧座ⅰ17、压差活门弹簧18、压差活门弹簧座ⅱ19、温度补偿片21、压差活门小螺塞22、压差活门大螺塞20等，以及相互连接安装关系，压差活门阀套16固定按壳体中，压差活门阀芯15与压差活门阀套间隙配合，压差活门弹簧18两端装配有压差活门弹簧座ⅰ17与压差活门弹簧座ⅱ19，温度补偿片21安装在压差活门弹簧座ⅱ19与压差活门小螺塞22之间，压差活门小螺塞22通过螺纹与压差活门大螺塞20固定，压差活门大螺塞20通过螺纹固定在壳体上。
[0046]
所述温度补偿片
[0047]
请参阅图3和图4，所述温度补偿片采用5j20110-gb/t4461-2007材料,并设计成特定球形，如图3所示，侧面两侧均为球形弧面，正面为三角形，中间设置有槽孔，且正面三角均设置有圆弧端面。所述温度补偿片的球形半径根据材料热变形物理特性及计量装置需要的热变形量综合确定，该特定球形可以感受温度的变化，在温度升高时球形半径变小，挠度增大，因此端面产生的位移变大，使得压差活门弹簧的压缩量变大，计量前后的压差变大，补偿燃油密度随温度升高的减小；温度降低时球形半径变大，挠度减小，因此端面产生的位移变小，使得压差活门弹簧的压缩量变小，计量前后的压差变小，补偿燃油密度随温度降低的增大。所以温度变化时压差活门具备补偿燃油密度随温度变化的功能。
[0048]
所述温度补偿片两面进行磨平处理，使用时，多个温度补偿片可叠合使用。
[0049]
温度变化时，燃油密度会发生变化，燃油密度与温度成负相关关系，随着温度升高燃油密度会降低，因此按照燃油流量公式，密度减小时燃油流量会降低，传统的压差活门在温度升高时，质量流量相对于设计值偏小。
[0050]
所述压差活门的工作原理为左端的燃油计量前压力与右端的计量后压力加上弹
簧压力平衡，因此弹簧的压力值即为计量前后的压差值
△
p。以下以温度升高进行说明，温度降低时反之亦然。为了保证质量流量不随温度升高而降低，可以调节的量有两个：节流面积a与燃油计量前后压差
△
p。节流面积是计量装置的控制量，因此同时将燃油密度变化的因素耦合进去会使控制变得非常复杂，同时对于温度变化总存在一个滞后性。对于
△
p，不是计量的控制量，而是压差活门感压的因变量。选取
△
p进行调节，补偿燃油密度。当温度升高时，燃油密度下降，如果此时可以提高
△
p，使得为一个定值，在节流面积a不变时，燃油计量流量仍然是一个定值，此时虽然温度升高了，但是流量并未减小。在压差活门的弹簧右侧设计温度补偿片，温度补偿片为球形，当温度升高时，球形变形增大，变得更弯，轴向的距离变大，压缩压差活门弹簧，使得计量前后的压差变大。反之，当温度降低时，变化相反。同时两个端部进行磨平，可以按需对温度补偿片进行叠加或减少，仍然可以稳固的贴合。因此通过压差活门温度补偿片的设计可以使计量装置具备补偿燃油密度变化带来的流量变化。
[0051]
所述压差活门两个配合段设计用于高压清洁燃油注入进行清洗的通油孔。压差活门的工作位置处于阀芯行程中的某一位置，而不是止动位置，同时由于活门的功能是感受压力，因此压差活门阀芯的灵活性对于压差活门性能是至关重要的。传统的压差活门配合段中没有注入高压的清洁燃油，长时间运行时会有燃油中杂质颗粒进入间隙造成卡滞的风险。对压差活门两个配合段注入高压清洁燃油，高压清洁的燃油会从将混入配合间隙的杂质颗粒由中间冲刷值配合段以外，使压差活门配合段处于清洁的环境，提高压差活门运转的寿命。
[0052]
所述压差活门底座可以通过螺纹旋紧或放松进而对压力差进行微调，保证计量活门压差达到设计值。压差活门底座可以通过螺纹旋紧或放松进而对计量前后的压力差进行调整，保证计量活门压差达到设计值。当将底座向右旋转时，弹簧被进一步压缩，计量前后的压差增大，当将底座向左旋转时，弹簧被放松，计量前后的压差减小。
[0053]
所述压差活门大螺塞设计径向孔，配合压差活门底座的u型销，通过插入开口销可以实现二者防松，进而保证所调节好的压差值可以稳定保持，不会由于机械振动等外界因素而改变。在压差活门大螺塞设计径向孔，配合压差活门底座的u型销，通过插入开口销可以实现二者防松，进而保证所调节好的压差值可以稳定保持，不会由于机械振动等外界因素而改变，同时可以避免装发动机后在外场调节，保持出厂时的性能在使用中稳定保持。
[0054]
所述计量活门包括计量活门阀芯7、温度补偿杆8、防松环11、传感器静子12、传感器动子14，计量活门大端盖13、计量活门阀套6、挡板5、卡圈4、计量活门小端盖3、计量活门调整钉2，螺母1等。所述温度补偿杆8通过螺纹与计量活门阀芯固定在一起，计量活门阀芯7与计量活门阀套6间隙配合，传感器动子14通过螺纹与温度补偿杆8固定在一起，同时在二者之间安装防松环11进行防松，计量活门大端盖13通过螺钉固定在壳体上，传感器静子12通过螺钉固定在计量活门大端盖13上，挡板5通过卡圈卡圈4固定在计量活门阀芯7上，计量活门小端盖3通过螺纹固定在壳体上，计量活门调整钉2通过螺纹固定在计量活门小端盖3上，并且可以调整相对位置，计量活门调整钉2可以与挡板5配合实现计量活门阀芯7位置可以调节，螺母1对计量活门调整钉2进行防松。
[0055]
所述温度补偿杆具备补偿壳体的热胀冷缩的功能。
[0056]
请参阅图5，所述温度补偿杆通过螺纹与计量活门阀芯固定在一起，在端部设计一个防松环，形成榫卯结构，将温度补偿杆与计量活门阀芯进行防松，避免温度补偿杆相对于
计量活门阀芯产生转动，从而产生轴向的位移，进而避免温度补偿的功能被螺纹松后产生轴向位移抵消。
[0057]
所述温度补偿杆与位移传感的动子杆连接采用自锁钢丝螺套连接，使二者具备防松的功能。
[0058]
温度补偿杆左端与动子通过螺纹固定连接，右端通过螺纹与计量活门连接。这样传感器动子就与计量活门形成一个整体，同时借助温度补偿杆时计量活门具备了温度补偿功能。对于螺距为1mm的螺纹连接，如果不采取防松措施，即使两个连接件旋转36
°
也会产生0.1mm的轴向位移，带来5kg/h量级的流量偏差。左端的螺纹连接防松通过自锁钢丝螺套实现，保证动子相对与温度补偿杆产生旋转进而产生轴向位移。而右端的连接则是普通螺纹连接，将防松机构设计在左端，通过防松环，防松环的采用环形结构，在外圆铣出平行的两个平面内嵌在温度补偿杆中，同时伸出一个矩形嵌在计量活门中，形成榫卯结构，实现了防松功能。
[0059]
所述温度补偿杆在控制油与低压油之间设计密封圈，对控制伺服油与低压燃油两个不同压力的油进行隔离。由于计量活门内部设计温度补偿杆，因此计量活门内部的结构形成中空结构。计量活门两端的压力不同，因此需要对温度补偿杆进行密封以保证两个压力隔绝，从而可以正常控制。在温度补偿杆上设计密封槽，配合密封圈实现密封功能。在温度补偿杆右端设计垂直的通油槽，可以将燃油引入右端的螺纹中对螺纹进行润滑改善螺纹连接质量。
[0060]
请参阅图6，所述挡板和计量活门调整钉，可以调整计量活门的节流面积，从而使计量燃油可以实现最小流量可以调节的功能。挡板为中空半圆形结构，计量活门两端对挡板进行止动，可以实现计量活门阀芯位置在0-3mm范围内调整。计量活门端盖通过螺钉安装在壳体上，调整钉安装在计量活门端盖上，调整钉有两个工作平面，当计量活门阀芯运动至左端时，调整钉左边的工作面起到止动作用，将计量活门勾住进行止动。当计量活门阀芯运动至右端，右边的工作面起动止动作用，将计量活门阀芯顶住。通过旋转调整钉可以调节调整钉的轴向位置，从而调整计量活门阀芯的轴向位置，根据要求可以调节出不同初始节流面积，因而可以调整初始的最小流量。
[0061]
请参阅图2，整个装置的工作温度补偿的计量工作原理和过程如下。
[0062]
步骤1：在计量前燃油腔注入燃油，输入定压油与控制油，压差活门与计量活门并联，保证计量燃油前后压差恒定，此时计量流量与计量活门节流面积成正比。
[0063]
步骤2：控制油增加或者减少可以调节计量活门阀芯的位置，传感器将位置读取，在目标位置时控制油封住，可以保持计量活门阀芯位置稳定。
[0064]
步骤3：当温度变化时，燃油密度发生变化，温度补偿片感受温度发生热变形，对弹簧压力进行补偿，进而对计量前后的压差进行补偿，在不同温度下，保持计量前后压差均为设计值。
[0065]
步骤4：当温度变化时，传感器静子安装在壳体上，壳体热变形会带来传感器静子与动子相对位置的变化，通过温度补偿杆补偿这种变化，保证计量活门节流面积在不同温度下均保持设计值。
[0066]
步骤5：通过燃油温度与计量活门节流面积的补偿，将燃油流量设计规律由设计点推广到全温度范围。
[0067]
本发明解决了航空发动机燃油系统随温度变化导致的实际流量与设计规律偏离的问题，将燃油流量设计规律由设计点推广到全温度范围，提高了航空发动机燃油计量控制精度，相对于现有航空发动机燃油计量技术具有突出的实质性技术特点和显著的技术进步。