一种用于航空活塞发动机涡轮增压器的防喘振及能量回收控制装置

摘要

本实用新型公开一种用于航空活塞发动机涡轮增压器的防喘振及能量回收控制装置，包括流量调节及能量回收组件、负压调节电磁阀、真空泵、控制器、伺服电机、三通接头、压力传感器、超级电容、电源变压模块，伺服电机为低压直流型电机，与流量调节及能量回收组件的阻风门固连，流量调节及能量回收组件的进气口与压气机的出气口通过管道连接，能量回收组件的顶部接口与三通接头通过负压管连接，三通接头与负压调节电磁阀通过负压管连接，压力传感器与三通接头连接，负压调节电磁阀通过管路与真空泵连接，所述负压调节电磁阀通过信号线与控制器连接。本实用新型可以在防止压气机喘振的同时，实现压气机内多余废气能量的回收利用。

说明书

技术领域

本发明涉及航空活塞发动机涡轮增压技术，具体涉及到航空活塞发动机涡轮增压器的防喘振及能量回收技术。

背景技术

航空活塞发动机是通用航空器动力的重要选择。随着中国空域开放,采用涡轮增压技术是解决高空飞行功率下降、油耗增高的有效途径，活塞式航空发动机的增压器技术决定了航空器的飞行性能。

废气涡轮增压器广泛应用于航空活塞发动机增压，废气涡轮增压器的工作原理是：利用发动机排出的废气作动力，推动增压器的涡轮，并带动同轴上的压气机叶轮高速旋转。将压缩空气充入气缸，使进气压力提高，起到增压的作用。在增加进气量的同时也增加供油量，形成更多的可燃混合气，使发动机的功率增加20％到30％。

压气机是废弃涡轮增压器的重要组成部分，当压气机的转速一定，进气流量减小时，会造成流道中气体的速度不均匀和出现倒流现象，压气机进入不稳定工作状态，进而出现空气流量忽大忽小，压力值波动剧烈，伴随着压气机的剧烈振动，并发出吼叫声或喘息声，这种现象称为压气机的喘振。在实际工作中应避免喘振的发生，但是压气机的高效工作点往往在喘振点附近，为了获得更高的效率，压气机的喘振难以避免。

解决压气机喘振的有效方法是增设防喘振装置，当发动机所需流量过小时防喘振装置可以放掉从压气机流出的一部分空气流量，这样即避免了压气机发生喘振，也满足了发动机的流量需求。

防喘振装置搭载在航空器上，随着航空器电气化程度的日益提高，其对电能的需求量也越来越大，需要搭载更大的电池，这无疑会增大航空器的自重。而且目前现有的防喘振装置往往直接将压气机内多余废气排放入大气或者重新引回压气机进口，废气能量损失较多。如申请号为202120266888.9的防喘振控制装置和申请号为和 201510925322.1的喘振调节装置，虽然结构简单，但废气能量利用率较低。

如果能够设计相应的结构与控制系统，在减小发动机喘振的同时，将压气机内多余的废气能量转化为电能储存起来为用电器供电，便可实现能量的充分利用，提升航空器的功重比。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型提出一种用于航空活塞发动机涡轮增压器的防喘振及能量回收控制装置，是一种可以防止增压器喘振，并且能够将多余废弃能量转化为电能。

本实用新型用于航空活塞发动机涡轮增压器的防喘振及能量回收控制装置，包括流量调节及能量回收组件、负压调节电磁阀、真空泵、控制器、伺服电机、三通接头、第一压力传感器、第二压力传感器、超级电容与电源变压模块。

所述流量调节及能量回收组件包括柱塞、阀盖、外壳、锥形发电线圈、锥形永磁体、第一复位弹簧、第二复位弹簧、滑轨与阻风门。

所述外壳具有筒状横向外壳与筒状纵向外壳的L形结构壳体；同时在横向外壳侧壁设计有出风通道；出风通道的出风口处通过转轴安装有阻风门；柱塞与阀盖内外同轴套接，两者同轴设置于纵向外壳内；阀盖顶端设计有与阀盖内部连通的接口；柱塞上套有第一复位弹簧，第一复位弹簧两端分别与柱塞及阀盖固定；

锥形发电线圈同轴设置于横向外壳内，锥形发电线圈的小端端面与横向外壳外端端面间固定；锥形发电线圈外部同轴套有锥形永磁体；锥形永磁体具有沿自身轴向的移动幅；锥形永磁体的小端与横向外壳的外端端面之间设置有沿圆周排布的第二复位弹簧；第二复位弹簧一端与横向外壳外端端面固定，另一端与锥形永磁体的小端端面固连；

上述流量调节及能量回收组件中，阻风门的转轴通过皮带传动机构连接伺服电机输出轴；纵向外壳底端的进气口与压气机的出气口通过管道连接；阀盖顶端的接口通过负压管连接三通接头的连接端A；三通接头的连接端B通过负压管连接负压调节电磁阀；负压调节电磁阀通过负压管路与真空泵连接；负压调节电磁阀通过信号线与控制器连接；三通接头的连接端C连接第一压力传感器，由第一压力传感器测量负压管的气压；第二压力传感器固定安装于横向外壳内，紧靠出风通道进风口处；第一压力传感器与第二压力传感器的信号线连接控制器；锥形发电线圈的导线与超级电容的输入端相连；超级电容的输出端与电源变压模块的输入端相连；电源变压模块的输出端与伺服电机、控制器、负压调节电磁阀、真空泵相连。

当压气机中的气体流量过大时，控制器通过PWM信号驱动负压调节电磁阀工作，控制负压管与真空泵的导通时间，同时第一压力传感器将负压管内的压力信号反馈给控制器形成闭环，然后由于压差的作用，柱塞克服第一复位弹簧的作用上移，多余的气流便会经柱塞与纵向外壳底面间的缝隙进入外壳内部，推动锥形永磁体克服第二复位弹簧组的弹力运动，切割线圈进行发电；发出的电由超级电容储存，并为伺服电机、控制器、负压调节电磁阀、真空泵供电；

在阻风门全关的情况下，如果壳体内的气压过高，会阻碍压气机内气体的排除，因此采用第二压力传感器实时监测出风通道进气口处的气压并反馈给主控制器，主控制器驱动伺服电机转动，伺服电机调节阻风门的开度，确保及时排除压气机内的多余气流。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本实用新型防喘振及能量回收控制装置可以防止增压器喘振，并且能够将增压器内多余的气体能量转化为电能的装置，充分利用废弃能量，有利于促进航天器的电气化，提高其功重比；

附图说明

图1为本实用新型防喘振及能量回收控制装置结构示意图。

图2为本实用新型防喘振及能量回收控制装置中流量调节及能量回收组件半剖视图。

图3为本实用新型防喘振及能量回收控制装置中流量调节及能量回收组件轴测图。

图4为流量调节及能量回收组件中引线孔位置示意图。

图中：

1-流量调节及能量回收组件 2-负压调节电磁阀 3-真空泵

4-控制器 5-伺服电机 6-三通接头

7-第一压力传感器 8-第二压力传感器 9-超级电容

10-电源变压模块 11-压气机 101-柱塞

102-阀盖 103-外壳 104-锥形发电线圈

105-锥形永磁体 106-第一复位弹簧 107-第二复位弹簧

108-滑轨 109-阻风门 110-出风通道

111-引线孔

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明，该实施例仅用于解释本实用新型，并不对本实用新型的保护范围构成限定。

本实用新型用于航空活塞发动机涡轮增压器的防喘振及能量回收控制装置，包括流量调节及能量回收组件1、负压调节电磁阀2、真空泵3、控制器4、伺服电机5、三通接头6、第一压力传感器7、第二压力传感器8、超级电容9与电源变压模块10，如图 1～图3所示。

所述流量调节及能量回收组件1包括柱塞101、阀盖102、外壳103、锥形发电线圈104、锥形永磁体105、第一复位弹簧106、第二复位弹簧107、滑轨108与阻风门109。

其中，外壳103具有筒状横向外壳与筒状纵向外壳；横向外壳内端与纵向外壳上部侧壁相接并连通，形成L形结构壳体；同时在横向外壳侧壁还具有弧形的出风通道110，出风通道110的出风口朝向横向外壳外端；且出风通道110的出风口处安装有阻风门 109。阻风门109两端具有转轴，分别与出风通道110侧壁间相连形成转动副，通过转动转轴带动阻风门109转动，实现阻风门109开度可调，进而实现出风量调节。上述外壳103(包括出风通道110)内壁还具有蜂窝状凹槽，以减小工作噪音。

柱塞101与阀盖102均为筒状结构，内外同轴套接；且两者同轴设置于纵向外壳内。阀盖102顶端周向上设计有台肩，用于与纵向外壳顶端面配合，实现阀盖102向下移动的限位；阀盖102顶端设计有与阀盖102内部连通的接口，用于管路连接。同时柱塞101 底端周向上设计有台肩与纵向外壳底部内壁设计的环形凸台配合，限制柱塞101的向下移动。柱塞101上套有第一复位弹簧106，第一复位弹簧106两端分别与柱塞101底部台肩及阀盖102底部外壁上设计的台肩配合固定；同时阀盖102通过其底部外壁上设计的台肩与纵向外壳顶面间配合，限制阀盖102向上的移动。通过第一复位弹簧106的弹力作用，实现阀盖102向上移动后的回位。

锥形发电线圈104同轴设置于横向外壳内，锥形发电线圈104的小端端面与横向外壳外端端面间固定，锥形发电圈104的导线埋入锥形发电圈104的铁芯，由锥形发电圈 104的小端经横向外壳外端端面上的引线孔111引出，如图4所示。锥形发电线圈104 外部同轴套有锥形永磁体103，两者间存在间隙。锥形永磁体105小端处侧壁上设计有滑块，与滑轨108配合安装；该滑轨108沿横向部分轴向设置，固定安装于横向外壳内壁，由此使得锥形永磁体104可沿横向外壳轴向滑动，切割磁感线来进行发电。上述锥形永磁体104的小端与横向外壳103的外端端面之间设置有沿圆周排布的第二复位弹簧 107；第二复位弹簧107一端与横向外壳外端端面固定，另一端与锥形永磁体104的小端端面固连；通过第二复位弹簧107实现锥形永磁体105滑动后的回位。

上述流量调节及能量回收组件1中，阻风门109的开度调节通过伺服电机驱动实现。伺服电机5为低压直流型电机，输出端通过皮带传动机构与流量调节及能量回收组件1中的阻风门109相连。皮带传动机构包括两个皮带轮与传动带。两个皮带轮分别固定安装于阻风门109的转轴以及伺服电机5的输出轴上，两者通过传动带套接；由此通过伺服电机5输出动力，皮带传动机构传动，带动阻风门109的转轴转动，实现阻风门109 的开度调节控制。

流量调节及能量回收组件1中，纵向外壳底端的进气口与压气机11的出气口通过管道连接。阀盖102顶端的接口通过负压管连接三通接头6的连接端A。三通接头6的连接端B通过负压管连接负压调节电磁阀2。负压调节电磁阀2通过管路与真空泵3连接；负压调节电磁阀2通过信号线与控制器4连接。三通接头6的连接端C连接第一压力传感器7，由第一压力传感器7测量负压管的气压；第二压力传感器8固定安装于横向外壳内，紧靠出风通道110进风口处，用来监测进风口处的气压；第二压力传感器2 的信号线埋入锥形发电圈104的铁芯，由锥形发电圈104的小端经横向外壳外端端面上的引线孔111引出。第一压力传感器7与第二压力传感器8的信号线连接控制器4。

流量调节及能量回收组件1中，锥形发电线圈13的引出导线与超级电容9的输入端相连；超级电容9的输出端与电源变压模块10的输入端相连。电源变压模块10的输出端与伺服电机5、控制器4、负压调节电磁阀2、真空泵3相连，为用电器件供电。

上述控制器4的主芯片的型号为STM32F103RCT6，当压气机11中的气体流量过大时，控制器4通过PWM信号驱动负压调节电磁阀2工作，控制负压管与真空泵3的导通时间，同时第一压力传感器7将负压管内的压力信号反馈给控制器4形成闭环，然后由于压差的作用，柱塞101克服第一复位弹簧106的作用上移，多余的气流便会经柱塞101与纵向外壳底面间的缝隙进入外壳103内部，推动锥形永磁体14克服第二复位弹簧组107 的弹力，沿着滑轨18方向运动，切割线圈进行发电；发出的电由超级电容9储存，并为伺服电机5、控制器4、负压调节电磁阀2、真空泵3供电。

在阻风门109全关的情况下，如果壳体1内的气压过高，会阻碍压气机11内气体的排除，因此采用第二压力传感器8实时监测出风通道110进气口处的气压并反馈给主控制器4，主控制器4驱动伺服电机5转动，伺服电机5调节阻风门109的开度，确保及时排除压气机内的多余气流。

以上内容仅为本实用新型的较佳实施例，对于本领域的技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。