一种用于空天发动机燃料供给系统的计量电磁阀及工作方法
阅读说明：本技术 一种用于空天发动机燃料供给系统的计量电磁阀及工作方法 (Metering electromagnetic valve for aerospace engine fuel supply system and working method ) 是由 王万成 王剑 于 2021-09-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于空天发动机燃料供给系统的计量电磁阀,包括阀体,阀体具有上腔室和下腔室；在下腔室内设置有一压差控制阀芯,压差控制阀芯在轴向上由左到右将下腔室分为三个独立的空间,依次为动力腔、燃料流出腔和流通腔。压差控制阀芯用于：在燃料出口的压力变小时,向动力腔侧移动,使动力腔内的燃料流入燃料流出腔内,减小第一连通通道与燃料出口的节流面积,提高燃料出口的压力；在燃料出口的压力变大时,压差控制阀芯向右移动,增大第一连通通道与燃料出口的节流面积,燃料流出腔内的燃料流入动力腔,降低燃料出口的压力。该用于空天发动机燃料供给系统的计量电磁阀实时调整燃料出口的压力,使燃料出口和燃料进口的压力持续相同。(The invention discloses a metering electromagnetic valve for an aerospace engine fuel supply system, which comprises a valve body, a valve body and a valve body, wherein the valve body is provided with an upper chamber and a lower chamber; a pressure difference control valve core is arranged in the lower cavity, and the pressure difference control valve core divides the lower cavity into three independent spaces from left to right in the axial direction, namely a power cavity, a fuel outflow cavity and a circulation cavity in sequence. The differential pressure control valve core is used for: when the pressure of the fuel outlet is reduced, the fuel outlet moves to the side of the power cavity, so that the fuel in the power cavity flows into the fuel outflow cavity, the throttle area of the first communication passage and the fuel outlet is reduced, and the pressure of the fuel outlet is increased; when the pressure of the fuel outlet is increased, the differential pressure control valve core moves rightwards, the throttle areas of the first communication channel and the fuel outlet are increased, the fuel in the fuel outflow cavity flows into the power cavity, and the pressure of the fuel outlet is reduced. The metering electromagnetic valve for the aerospace engine fuel supply system adjusts the pressure of the fuel outlet in real time, so that the pressure of the fuel outlet and the pressure of the fuel inlet are continuously the same.)
技术领域
本发明属于航空航天发动机液体燃料控制技术领域，具体涉及一种用于空天发动机燃料供给系统的计量电磁阀及工作方法。
背景技术
航空航天发动机工作过程中需要调控液体燃料流量，在燃料介质的供给对象工况较为简单时，常用电磁阀对介质进行计量控制，由于工况简单，电磁阀进出口压力基本恒定时，流量仅与电磁阀通电时间有关，通过控制电磁阀通电时间即可对流体进行计量；当燃料介质的供给对象工况较为复杂时，一般采用结构复杂的介质调节器或通过电磁阀与流量传感器闭环控制完成流体的控制，然而介质流量调节器方案的可靠性相对较低、响应相对较慢且重量较大；电磁阀与流量传感器闭环控制方案的响应速度和控制精度难以保证。
挤压式液体火箭发动机燃料供给系统由于结构简单，是常用的火箭发动机供给系统，但其工作原理导致计量装置进口压力恒定，而出口压力随着发动机工况发生变化，电磁阀进出口压力不恒定，因此急需实现适用于挤压式供给系统，且在复杂工况下能够在尽量小的质量下能够高精度、高可靠性、高响应速度的完成对液体燃料流量的控制计量功能。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于空天发动机燃料供给系统的计量电磁阀，通过压差控制阀芯，实时调整燃料出口的压力，使燃料出口和燃料进口的压力持续相同，保证了燃料供给的稳定性；并通过对电磁装置的通电方式的改变，满足不同的燃料流量，且控制精度高，响应速度快。
本发明采用以下技术方案：一种用于空天发动机燃料供给系统的计量电磁阀，包括阀体，阀体具有上腔室和下腔室，上腔室内用于缓存燃料；
在阀体内，且位于上腔室和下腔室间连通有第一连通通道和第二连通通道；
在下腔室内设置有一压差控制阀芯，压差控制阀芯在轴向上由左到右将下腔室分为三个独立的空间，依次为动力腔、燃料流出腔和流通腔；其中，动力腔和燃料流出腔均与第一连通通道相连通，燃料流出腔上开通有燃料出口；流通腔与第二连通通道相连通，且流通腔上开通有燃料进口；
压差控制阀芯用于：在燃料出口的压力变小时，向动力腔侧移动，使动力腔内的燃料流入燃料流出腔内，减小第一连通通道与燃料出口的节流面积，提高燃料出口的压力；在燃料出口的压力变大时，压差控制阀芯向右移动，增大第一连通通道与燃料出口的节流面积，燃料流出腔内的燃料流入动力腔，降低燃料出口的压力。
进一步地，在上腔室的左右两端沿轴向设置有左铁芯和右铁芯，左铁芯和右铁芯外端部位于上腔室外，并与电磁装置相连接；内端部均位于上腔室内，内端间形成一通空腔，连通空腔与第一连通通道和第二连通通道均相连通；左铁芯和右铁芯均与电磁装置相连接；
在阀体内，且位于右铁芯的上方开设有第三连通通道，第三连通通道的入口端与连通空腔相连通、且开通受右铁芯工作状态而不同，第三连通通道的出口端与第一连通通道相连通；
左铁芯用于：在未通电状态时，用来封堵上腔室与第一连通通道之间的通路；处于通电状态时，向左移动，打开上腔室与第一连通通道之间的通路；
右铁芯用于：在未通电状态时，用来封堵第三连通通道的入口端；在通电状态流量燃料时，向右移动，打开第三连通通道的入口端。
进一步地，在动力腔内设置有一压差弹簧，压差弹簧设置在下腔室和压差控制阀芯的左端部之间。
进一步地，在压差控制阀芯的左端部，且与压差弹簧间设置有一温度补偿片。
进一步地，在左铁芯和右铁芯的外端，且与阀体相连接处对应设置有左动密封组件和右动密封组件。
进一步地，在左动密封组件和左铁芯的内端部间沿轴向设置有左复位弹簧，在右动密封组件和右铁芯的内端部间均沿轴向设置有右复位弹簧(9)。
进一步地，该电磁装置包括缠绕于左铁芯和右铁芯外端的左线圈和右线圈。
进一步地，该动力腔与第一连通通道间通过燃料回流通道相连通，燃料回流通道内的一段设置有节流嘴，节流嘴为环绕于燃料回流通道的内壁一周的凸台。
进一步地，该动力腔位于压差控制阀芯的左端，流通腔位于压差控制阀芯的右端，燃料流出腔对应压差控制阀芯的中部收缩阀体位置处。
本发明还公开了上述的一种用于空天发动机燃料供给系统的计量电磁阀的工作方法，该工作方法如下：
a.在需小流量燃料时，左线圈或右线圈通电；
左线圈通电时，左铁芯在上腔室内向左移动，打开第一连通通道和上腔室间的燃料进口；燃料由燃料进口依次经流通腔和第二连通通道流入连通空腔，由第一连通通道和上腔室间的燃料进口流入第一连通通道，并流入燃料流出腔中，由燃料出口中流出；
或右线圈通电时，右铁芯在上腔室内向右移动，打开的进口；燃料由燃料进口依次经流通腔和第二连通通道流入连通空腔，并由第三连通通道流入第一连通通道，并流入中，由中流出；
b.在需大流量燃料时，左线圈和右线圈同时通电：
左铁芯在上腔室内向左移动，打开第一连通通道和上腔室间的燃料进口；右铁芯在上腔室内向右移动，打开第三连通通道的进口；燃料由燃料进口依次经流通腔和第二连通通道流入连通空腔，然后分两路，一路流入第一连通通道，一路由第三连通通道流入第一连通通道，并流入燃料流出腔中，由燃料出口中流出；
在大流量燃料或小流量燃料状态下：当燃料出口的压力变小时，压差控制阀芯向动力腔侧移动，使动力腔内的燃料流入燃料流出腔内，减小第一连通通道第一连通通道与燃料出口的节流面积，提高燃料出口的压力；在燃料出口的压力变大时，压差控制阀芯向右移动，增大第一连通通道与燃料出口的节流面积，燃料流出腔内的燃料流入动力腔，降低燃料出口的压力；直至燃料出口的压力和燃料进口的压力相同。
本发明的有益效果是：1.在阀体内开设有两个相连通的腔室，一腔室内设置压差控制阀芯，通过压差控制阀芯的移动，实时调整燃料出口的压力，使燃料出口和燃料进口的压力持续相同，保证了燃料供给的稳定性。2.可通过改变对线圈通电方式，即左右两端的线圈同时或者不同时通电，则第一连通通道和第三连通通道的入口端同时或者不同时打开，可适用于不同流量的燃料的需求。3.控制电磁阀输出流量，控制第一连通通道和第三连通通道的入口的开度，精确的控制燃料的流量，且不需要增加新的流量控制装置，降低了整个供给系统的复杂性和重量，同时提高了可靠性、精度和响应速度，且便于批量化生产和小批量定制。4.设置温度补偿片，通过机械原理对温度进行补偿，在燃料流动过程中，燃料发生温度变化时，温度补偿片增厚或变薄，以改变压差弹簧的长度，调整温度影响下的流通面积，简化了控制计算难度。
附图说明
图1是未设置电磁铁的用于空天发动机燃料供给系统的计量电磁阀的结构示意图；
图2是一种用于空天发动机燃料供给系统的计量电磁阀的结构示意图；
其中：1.阀体；1-1.上腔室；1-11.连通空腔；1-2.下腔室；1-21.动力腔；1-22.燃料流出腔；1-23.流通腔；2.左线圈；3.左铁芯；4.左动密封组件；5.左复位弹簧；6.右线圈；7.右铁芯；8.右动密封组件；9.右复位弹簧；10.燃料进口；11.燃料出口；12.压差控制阀芯；13.压差弹簧；14.节流嘴；a.第一连通通道；b.第二连通通道；c.第三连通通道；c-1.燃料回流通道。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种用于空天发动机燃料供给系统的计量电磁阀，包括阀体1，阀体1具有上腔室1-1和下腔室1-2，上腔室1-1内用于缓存燃料；在阀体1内，且位于上腔室1-1和下腔室1-2间连通有第一连通通道a和第二连通通道b。
如图2所示，在下腔室1-2内设置有一压差控制阀芯12，压差控制阀芯12在轴向上由左到右将下腔室1-2分为三个独立的空间，依次为动力腔1-21、燃料流出腔1-22和流通腔1-23；其中，动力腔1-21通过第一连通通道a与燃料流出腔1-22相连通，燃料流出腔1-22上开通有燃料出口11；流通腔1-23与第二连通通道b相连通，且流通腔1-23上开通有燃料进口10。
压差控制阀芯12用于：在燃料出口11的压力变小时，向动力腔1-21侧移动，使动力腔1-21内的燃料流入燃料流出腔1-22内；压差控制阀芯12向左移动，使动力腔1-21内的燃料流入所述燃料流出腔1-22内同时遮挡第一连通通道a与燃料出口11，减小所述第一连通通道(a)与燃料出口(11)的节流面积，提高燃料出口11的压力，直至与燃料进口10的压力相等；在燃料出口11的压力变大时，压差控制阀芯12向右移动，增大第一连通通道a与燃料出口11的节流面积，燃料流出腔1-22内的燃料流入动力腔1-21，降低燃料出口11的压力，直至与燃料进口10的压力相等。
在上腔室1-1的左右两端沿轴向设置有左铁芯3和右铁芯7，左铁芯3和右铁芯7外端部位于上腔室1-1外，并与电磁装置相连接；内端部均位于上腔室1-1内，内端间形成一连通空腔1-11，连通空腔1-11与第一连通通道a和第二连通通道b均相连通；左铁芯3和右铁芯7均与电磁装置相连接；电磁装置为缠绕于左铁芯3和右铁芯7外端的左线圈2和右线圈6。在左铁芯3和右铁芯7的外端，且与阀体1相连接处对应设置有左动密封组件4和右动密封组件8。左动密封组件4和左铁芯3的内端部间沿轴向设置有左复位弹簧5，在右动密封组件8和右铁芯7的内端部间均沿轴向设置有右复位弹簧9。左铁芯3和右铁芯7选用锥阀、球阀等多种常见的电磁阀先导阀。
在阀体1内，且位于右铁芯7的上方开设有第三连通通道c，第三连通通道c的入口端与连通空腔1-11相连通、且开通受右铁芯7工作状态而不同，第三连通通道c的出口端与第一连通通道a相连通；
左铁芯3用于：在未通电状态时，用来封堵上腔室1-1与第一连通通道a之间的通路；处于通电状态时，向左移动，打开上腔室1-1与第一连通通道a之间的通路；
右铁芯7用于：在未通电状态时，用来封堵第三连通通道c的入口端；在通电状态流量燃料时，向右移动，打开第三连通通道c的入口端。
在动力腔1-21内设置有一压差弹簧13，压差弹簧13设置在下腔室1-2和压差控制阀芯12的左端部之间。在压差控制阀芯12的左端部，且与压差弹簧13间设置有一温度补偿片15。因为在燃料流动过程中，燃料发生温度变化时，在温度升高时，温度补偿片增厚，温度降低时，温度补偿片变薄，当燃料温度升高时，则微压缩压差弹簧13，动力腔1-21内的燃料流入燃料流出腔1-22中，则燃料出口11的压力会变大，此时，压差控制阀芯12向右微移动，调整温度影响下的流通面积，以实时调整燃料出口11的压力和燃料进口10的压力相等。
在动力腔1-21与第一连通通道a间通过燃料回流通道c-1相连通，燃料回流通道c-1内的一段设置有节流嘴14，节流嘴14为环绕于燃料回流通道c-1的内壁一周的凸台。
本发明还公开了上述的一种用于空天发动机燃料供给系统的计量电磁阀的工作方法，该工作方法如下：
a.在需小流量燃料时，左线圈2或右线圈6通电；
左线圈2通电时，左铁芯3在上腔室1-1内向左移动，打开第一连通通道a和上腔室1-1间的燃料进口；燃料由燃料进口10依次经流通腔1-23和第二连通通道b流入连通空腔1-11，由第一连通通道a和上腔室1-1间的燃料进口流入第一连通通道a，并流入燃料流出腔1-22中，由燃料出口11中流出；
或右线圈6通电时，右铁芯7在上腔室1-1内向右移动，打开c的进口；燃料由燃料进口10依次经流通腔1-23和第二连通通道b流入连通空腔1-11，并由第三连通通道c流入第一连通通道a，并流入1-22中，由11中流出；
b.在需大流量燃料时，左线圈2和右线圈6同时通电：
左铁芯3在上腔室1-1内向左移动，打开第一连通通道a和上腔室1-1间的燃料进口；右铁芯7在上腔室1-1内向右移动，打开第三连通通道c的进口；燃料由燃料进口10依次经流通腔1-23和第二连通通道b流入连通空腔1-11，然后分两路，一路流入第一连通通道a，一路由第三连通通道c流入第一连通通道a，并流入燃料流出腔1-22中，由燃料出口11中流出；
在上述大流量燃料或小流量燃料状态下：当燃料出口11的压力变小时，压差控制阀芯12向动力腔1-21侧移动，使动力腔1-21内的燃料流入燃料流出腔1-22内，减小第一连通通道第一连通通道a与燃料出口11的节流面积，提高燃料出口11的压力；在燃料出口11的压力变大时，压差控制阀芯12向右移动，增大第一连通通道a与燃料出口11的节流面积，燃料流出腔1-22内的燃料流入动力腔1-21，降低燃料出口11的压力；直至燃料出口11的压力和燃料进口10的压力相同。
该一种用于空天发动机燃料供给系统的计量电磁阀的工作过程如下：
一种情况如下，左端电磁装置启动，使左铁芯3向左移动，此时第一连通通道a与第二连通通道b连通，燃油从燃料进口10流至燃料出口11；在此过程中，第二连通通道b上的燃油作用在压差控制阀芯12右端面，第一连通通道a上的燃油经过节流嘴14流至动力腔1-21，作用在压差控制阀芯12的左端面，由于压差控制阀芯12可以控制第一连通通道a与第二连通通道b之间的燃油压力差保持在固定值，则此时通过电磁阀的流量为与燃料进出口压力差和第一连通通道a、第三连通通道c之间的节流面积相关的定值。
第二种情况为，右端电磁装置启动，使右铁芯7向右移动，此时第二连通通道b与第三连通通道c连通，由于第三连通通道c通过环槽与第一连通通道a连通，燃油从燃料进口10流至燃料出口11，在此过程中，第二连通通道b上的燃油作用在压差控制阀芯12右端面，第一连通通道a上的燃油经过节流嘴14流至动力腔1-21，作用在压差控制阀芯12的左端面，由于压差控制阀芯12可以控制第一连通通道a与第二连通通道b之间的燃油压力差保持在固定值，则此时通过电磁阀的流量为与进出口压力差和第三连通通道c、第二连通通道b之间的节流面积相关的定值。
第三种情况为，左右端电磁装置同时启动，使左铁芯3向左外移动、右铁芯7向右围移动，此时第一连通通道a与第二连通通道b通过两条油路连通，一条是第二连通通道b由于右铁芯7右移与第三连通通道c连通，通过环槽与第一连通通道a连通；另一条是第二连通通道b由于左铁芯3左移与第一连通通道a连通，在此过程中，第二连通通道b上的燃油作用在压差控制阀芯12右端面，第一连通通道a上的燃油经过节流嘴14流至动力腔1-21，作用在压差控制阀芯12的左端面，由于压差控制阀芯12可以控制第一连通通道a与第二连通通道b之间的燃油压力差保持在固定值。
上述三种情况下，燃料流动过程中，在燃料出口11压力变小时，燃料进口10的燃料推动压差控制阀芯12向左移动，挤压压差弹簧13，动力腔1-21内的燃料通过第三连通通道c及节流嘴14流入燃料流出腔1-22，并由燃料出口11流出，此时第一连通通道a与燃料出口11的节流面积变小，使流道流阻增大，提高燃料出口11的压力，直至燃料出口11的压力与燃料进口10的压力差值为预设的固定值；在燃料出口11压力变大时，挤压压差弹簧13推动压差控制阀芯12向右移动，燃料出口11内的燃料经由节流嘴14流入动力腔1-21，此时第一连通通道a与燃料出口11的节流面积变大，使流道流阻减小，降低燃料出口11压力，直至燃料进口10压力与燃料出口11压力差值为预设的固定值。
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