一种具有功率优化功能的燃气液压伺服系统的制作方法

1.本技术涉及燃气液压伺服的技术领域，特别是一种具有功率优化功能的燃气液压伺服系统。


背景技术：

2.本技术以目前广泛应用的航天燃气液压伺服技术为应用背景，航天伺服技术是对火箭或导弹发动机喷管进行推力矢量控制的一种技术，当火箭在飞行过程中需要调整姿态或控制方向时，由伺服系统中伺服作动器提供推力并按控制指令要求摇摆发动机喷管，进而达到对火箭飞行姿态和方向的控制。燃气液压伺服技术是一种以固体燃气源为初级能源，以超高速涡轮泵为核心能量转换单元，以单向阀、溢流阀、各类流体连接器及增压组件组成的油源组件为主要组成系统的能源系统，工作时点燃固体燃气源产生高温高压燃气，高温高压燃气引流至超高速涡轮泵后，通过超音速喷管膨胀加速后再驱动涡轮泵高速旋转，涡轮泵中泵叶轮从油源组件中抽吸液压油后进行高速旋转并增压，并依次通过溢流阀、单向阀后输送至各类流体连接器后对外输出。在燃气液压伺服系统中，其对外输出的液压功率主要由两部分决定，固体燃气源决定输入功率总量级，涡轮泵决定转化功率效率及对外输出的总液压功率。而固体燃气源的设计是与涡轮泵中超音速喷管高度匹配，一旦设计完成，其输出功率等级与工作时常即决定，在不更改设计方案的情况下无法调整输出功率；而涡轮泵也是根据其最高工作效率点和输出功率等级进行设计，理论上若要调整输出功率就得调整设计方案；油源组件的设计决定了能源系统中工作介质的总容量。
3.燃气液压伺服能源系统在设计完成后，其输出功率与伺服作动器实际工作需求功率很难保持一致，若能源系统的输出功率高于实际需求，多余的能量会通过能源系统中的溢流阀转换为热能消耗，由此将导致整个能源系统在工作过程中系统整体温度会不断升高，影响系统工作可靠性；若工作过程中能源系统的输出功率低于实际需求，系统性能又得不到充分释放，影响其功能发挥。由此可见：在能源系统设计完成和加工组装完成后，还需要根据实际需求，在不更改设计方案和产品主体结构前提下，对能源系统输出功率进行一定范围内的优化调整。


技术实现要素：

4.正是基于如此需求，本发明提出了一种即方便可行，又对整体系统方案和结构影响最小的解决方式：即在设计方案之初，涡轮泵设计方案采用壳体上镶嵌安装超音速喷管的进气方案，涡轮盖设计中镶嵌包覆涡轮最外缘的环形件结构，同时涡轮盖上燃气排气通道尾部安装节流环。
5.在实际使用过程中，可通过三种方式优化调整系统输出功率：1)通过修正或更换超音速喷管调节喷管喉部直径，以达到调节固体燃气源燃烧室压力，进而调节燃气输出功率；2)通过调整涡轮盖中环形件内径尺寸以调整涡轮叶顶间隙，达到调整涡轮泵工作效率以实现优化调整输出功率；3)调整燃气排气通道尾部节流环的内径达到调整涡轮排气背压
目的，最终实现优化调整系统输出功率。上述发明方式已在应用实践中经过了检验，并完全达到了优化调整功率的目的。
6.第一方面，提供了一种燃气液压伺服系统，包括燃气源、涡轮泵和油源组件，所述燃气源用于向所述涡轮泵输送燃气，以驱动所述涡轮泵从所述油源组件抽吸油，所述燃气液压伺服系统满足以下至少一项：
7.所述涡轮泵设置有喷管，所述喷管用于在所述涡轮泵的涡轮前端对输送的燃气进行膨胀加速，所述喷管可从所述涡轮泵上拆卸，从而通过调整所述喷管的喉部直径，调整燃气加速程度和燃气流量；
8.所述涡轮泵设置有环形件，所述环形件环绕于所述涡轮泵的涡轮外周，所述环形件可从所述涡轮泵上拆卸，从而通过调整所述环形件和所述涡轮之间的间隙，调整所述环形件和所述涡轮之间的气流量；
9.所述涡轮泵的燃气出口端设置有节流环，所述节流环可从所述涡轮泵上拆卸，从而通过调整所述节流环的内径，调整所述涡轮泵的排气背压。
10.结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述喉部直径的调整中心值为3～6mm，所述喉部直径在所述调整中心值的
±
5～30％范围内变化。
11.结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述涡轮泵包括壳体，所述壳体包括第一腔体和第二腔体，所述第二腔体位于所述第一腔体的靠近所述涡轮的一侧，所述第一腔体用于容置所述喷管，所述喷管的内腔与所述第二腔体贯通。
12.结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述壳体满足以下至少一项：
13.所述第一腔体与所述第二腔体的壁厚比为0.4～0.6；
14.所述第二腔体的内径尺寸与所述喷管的面向所述涡轮的开口尺寸匹配。
15.结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述环形件和所述涡轮之间的间隙为涡轮叶顶间隙δh，所述涡轮叶顶间隙δh的调整中心值为0.4～1mm，所述涡轮叶顶间隙δh在所述调整中心值的
±
5～40％范围内变化。
16.结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述涡轮泵包括相互组装的壳体和涡轮盖，所述壳体具有通向所述涡轮的燃气通路，所述涡轮盖用于容置所述涡轮；其中，
17.所述涡轮盖的面向所述壳体的一侧设置有环形槽，所述环形槽与所述涡轮的位置对应，所述环形件抵靠于所述环形槽的内壁。
18.结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述节流环的内径的调整中心值为35～50mm，所述内径在所述调整中心值的
±
10～30％范围内变化。
19.结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述涡轮泵包括涡轮盖，所述涡轮盖用于容置所述涡轮，所述涡轮盖还具有燃气排气通道，来自所述涡轮的燃气通过所述燃气排气通道排出，所述燃气排气通道的出口设置有所述节流环。
20.结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述燃气排气通道的出口直径大于所述节流环的内径。
21.第二方面，提供了一种燃气液压伺服系统的设计方法，其特征在于，所述方法应用于如上述第一方面中的任意一种实现方式中所述的燃气液压伺服系统；所述方法包括：
22.根据能源系统输出功率的调整量，更换或调整以下至少一项：所述喷管、所述环形件、所述节流环。
23.结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，所述方法包括：在所述调节量增加的情况下满足以下至少一项：
24.更换或调整后的喷管喉部直径小于更换前的喷管喉部直径；
25.更换或调整后的环形件内径小于更换前的环形件内径；
26.更换或调整后的节流环内径大于更换前的节流环内径。
27.与现有技术相比，本技术提供的方案至少包括以下有益技术效果：
28.1)较大喉部直径可以降低燃气源产生燃气的压力和流量以减小燃气输出功率，较小喉部直径可以增加燃气压力和流量以提高燃气输出功率，通过调整喉部直径在
±
5～30％范围内变化可以实现燃气输出功率在
±
5～10％范围内的调节；2)通过调整环形件内径大小可以实现调节涡轮叶顶间隙大小，从而实现涡轮工作效率的调节，以达到转化输出功率的调节，通过此方式可对涡轮泵输出功率实现
±
5～10％范围内调节；3)通过调整节流环内径大小可以实现涡轮排气背压的调整，从而达到调节燃气膨胀功的转化效率，并达到能源系统输出功率的调整，通过此种方式可对能源系统输出功率实现
±
10％以上的调整。在实际使用中，可以通过上述一种、或两种以及三种方式联合并用的举措，以达到更大范围的能源系统功率调节目的。
附图说明
29.图1为一种燃气液压伺服能源系统方案原理图。
30.图2为一种燃气液压伺服能源系统中涡轮进气喷管安装结构示意图。
31.图3为一种燃气涡轮泵外观结构图。
32.图4为一种燃气液压伺服能源系统中涡轮泵涡轮腔结构示意图。
33.图5为一种燃气液压伺服能源系统中涡轮泵涡轮腔及排气结构局部示意图。
具体实施方式
34.下面结合附图和具体实施例对本技术作进一步详细的描述。
35.图1是本技术实施例提供的一种燃气液压伺服系统的示意性结构图。如图1所示，本技术实施例可以适用的燃气液压伺服系统包括燃气源1、涡轮泵2、油源组件3。燃气源1主要产生高温高压燃气，并通过燃气导管驱动涡轮泵2高速旋转。涡轮泵2安装在油源组件3中，油源组件3可以包括壳体9、增压组件8、单向阀4、溢流阀5、进口连接器7、出口连接器6。涡轮泵2从油源组件3中抽吸液压油并进行增压后输出。做完功后的燃气通过涡轮泵2的涡轮燃气排气通道释放排出。
36.结合图1和图2，燃气源1可以通过燃气导管连接至涡轮泵2壳体10上的超音速喷管15，燃气通过喷管15膨胀加速后驱动涡轮泵2的涡轮11高速旋转。在一些实施例中，喷管15可以是组装于涡轮泵2壳体10上的部件。也就是说，喷管15可以从涡轮泵2壳体10上拆卸下来。
37.壳体10具有第一腔体和第二腔体，第二腔体位于第一腔体和涡轮11之间。第一腔体用于安装喷管15，第一腔体的内径可以与喷管15的外径匹配。第二腔体与喷管15的内腔贯通。喷管15的面向涡轮11的开口尺寸可以与第二腔体的内径尺寸匹配。为保证机械稳定，第一腔体与第二腔体的壁厚比可以为0.4～0.6。针对不同的应用场景，根据调整功率需求，
在涡轮泵2壳体10上组装喉部直径不同的喷管，从而实现对喷管15喉部直径的调整。针对不同的燃气液压伺服系统，可以根据壳体10的第二腔体内径和第一腔体内径，选择开口尺寸和外径尺寸合适的喷管15，便于在多种燃气液压伺服系统上应用。
38.由于燃气发生器产生燃气质量流量与燃烧室压力正相关，较大喉部直径可以降低燃烧室压力，从而减少燃气质量流量，并最终导致燃气输出功率减少。反之，较小喉部直径可以增加燃气压力和流量以提高燃气输出功率。喉部直径的调整中心值可以为3～6mm。根据喉部直径的调整中心值在
±
5～30％范围内调整喉部直径，可以实现燃烧室压力在
±
5～30％范围内变化，最终实现燃气输出功率在
±
5～10％范围内的调节。
39.结合图2至图4，涡轮泵2壳体10上的喷管15可以向涡轮盖12中的涡轮11输送燃气。在另一些实施例中，涡轮盖12的面向壳体10的一侧可以设置环形槽，环形槽所形成的空间可以用于容纳涡轮11和环形件13。也就是说，通过设置环形槽，从而涡轮盖12中可以内套环形件13。环形件13抵靠于环形槽的内壁，并环绕于涡轮11的外周。环形件13的轴线可以与涡轮11的轴线对齐。在更换环形件13时，可以通过拆解壳体10和涡轮盖12，从而将需要更换的环形件13取出，之后再将新的环形件13设置于涡轮盖12的面向壳体10的环形槽内。
40.环形件13与涡轮11直径的间隙可以是涡轮叶顶间隙δh，如图5所示。在实际使用中可以根据调整功率需求，调整环形件13内径大小。内径减少，则涡轮叶顶间隙δh减少，涡轮顶部二次流减少，涡轮气动效率提高。从而在燃气源输入端恒功率情况下，实现涡轮输出液压功率的提高。反之，环形件13内径增大则涡轮输出液压功率降低，通过调整环形件13内径大小可以实现调节涡轮11叶顶间隙大小，从而实现涡轮工作效率的调节，以达到转化输出功率的调节。在一种可能的情况下，涡轮盖12内可以不设置环形件13，从而涡轮盖12上的环形槽内壁与涡轮11直径的间隙可以构成涡轮叶顶间隙δh的最大值。
41.涡轮叶顶间隙δh的调整中心值可以为0.4～1mm。经过试验统计，根据涡轮叶顶间隙δh的调整中心值，在
±
5～40％范围内调整涡轮叶顶间隙δh，可对涡轮泵2输出功率实现
±
5～10％范围内调节。
42.如图5所示，做完功后的燃气可以通过涡轮盖12释放排出。在又一些实施例中，在涡轮盖12燃气排气通道尾部可以安装节流环14，节流环14的内径可以小于涡轮盖12的出口直径。在实际使用中可以根据调整功率需求，调整节流环14内径的大小。节流环14内径增大，则涡轮腔内排气背压降低，燃气等熵膨胀功率增大，从而涡轮输出功率增大。反之，节流环14内径减小，则涡轮腔内排气背压提高，燃气等熵膨胀功率降低，从而涡轮输出功率降低。由此实现通过调整节流环14内径大小可以实现涡轮11排气背压的调整，从而达到调节燃气膨胀功的转化效率，并达到调节能源系统输出功率的调整。
43.节流环14内径的调整中心值可以为35～50mm。经过试验统计，根据节流环14内径的调整中心值，在
±
10～30％范围内调整节流环14内径，可对能源系统输出功率实现
±
10％以上的调整。
44.本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

技术特征：
1.一种燃气液压伺服系统，包括燃气源(1)、涡轮泵(2)和油源组件(3)，所述燃气源(1)用于向所述涡轮泵(2)输送燃气，以驱动所述涡轮泵(2)从所述油源组件(3)抽吸油，其特征在于，所述燃气液压伺服系统满足以下至少一项：所述涡轮泵(2)设置有喷管(15)，所述喷管(15)用于在所述涡轮泵(2)的涡轮(11)前端对输送的燃气进行膨胀加速，所述喷管(15)可从所述涡轮泵(2)上拆卸，从而通过调整所述喷管(15)的喉部直径，调整燃气加速程度和燃气流量；所述涡轮泵(2)设置有环形件(13)，所述环形件(13)环绕于所述涡轮泵(2)的涡轮(11)外周，所述环形件(13)可从所述涡轮泵(2)上拆卸，从而通过调整所述环形件(13)和所述涡轮(11)之间的间隙，调整所述环形件(13)和所述涡轮(11)之间的气流量；所述涡轮泵(2)的燃气出口端设置有节流环(14)，所述节流环(14)可从所述涡轮泵(2)上拆卸，从而通过调整所述节流环(14)的内径，调整所述涡轮泵(2)的排气背压。2.根据权利要求1所述的燃气液压伺服系统，其特征在于，所述喉部直径的调整中心值为3～6mm，所述喉部直径在所述调整中心值的
±
5～30％范围内变化。3.根据权利要求1或2所述的燃气液压伺服系统，其特征在于，所述涡轮泵(2)包括壳体(10)，所述壳体(10)包括第一腔体和第二腔体，所述第二腔体位于所述第一腔体的靠近所述涡轮(11)的一侧，所述第一腔体用于容置所述喷管(15)，所述喷管(15)的内腔与所述第二腔体贯通。4.根据权利要求3所述的燃气液压伺服系统，其特征在于，所述壳体(10)满足以下至少一项：所述第一腔体与所述第二腔体的壁厚比为0.4～0.6；所述第二腔体的内径尺寸与所述喷管(15)的面向所述涡轮(11)的开口尺寸匹配。5.根据权利要求1所述的燃气液压伺服系统，其特征在于，所述环形件(13)和所述涡轮(11)之间的间隙为涡轮叶顶间隙δh，所述涡轮叶顶间隙δh的调整中心值为0.4～1mm，所述涡轮叶顶间隙δh在所述调整中心值的
±
5～40％范围内变化。6.根据权利要求5所述的燃气液压伺服系统，其特征在于，所述涡轮泵(2)包括相互组装的壳体(10)和涡轮盖(12)，所述壳体(10)具有通向所述涡轮(11)的燃气通路，所述涡轮盖(12)用于容置所述涡轮(11)；其中，所述涡轮盖(12)的面向所述壳体(10)的一侧设置有环形槽，所述环形槽与所述涡轮(11)的位置对应，所述环形件(13)抵靠于所述环形槽的内壁。7.根据权利要求1所述的燃气液压伺服系统，其特征在于，所述节流环(14)的内径的调整中心值为35～50mm，所述内径在所述调整中心值的
±
10～30％范围内变化。8.根据权利要求1所述的燃气液压伺服系统，其特征在于，所述涡轮泵(2)包括涡轮盖(12)，所述涡轮盖(12)用于容置所述涡轮(11)，所述涡轮盖(12)还具有燃气排气通道，来自所述涡轮(11)的燃气通过所述燃气排气通道排出，所述燃气排气通道的出口设置有所述节流环(14)。9.一种燃气液压伺服系统的设计方法，其特征在于，所述方法应用于如权利要求1至8中任一项所述的燃气液压伺服系统；所述方法包括：根据能源系统输出功率的调整量，更换或调整以下至少一项：所述喷管(15)、所述环形件(13)、所述节流环(14)。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法包括：在所述调节量增加的情况下满足以下至少一项：更换或调整后的喷管(15)喉部直径小于更换前的喷管(15)喉部直径；更换或调整后的环形件(13)内径小于更换前的环形件(13)内径；更换或调整后的节流环(14)内径大于更换前的节流环(14)内径。

技术总结
本发明公开了一种燃气液压伺服系统，包括燃气源、涡轮泵和油源组件，燃气源用于向涡轮泵输送燃气，以驱动涡轮泵从油源组件抽吸油，燃气液压伺服系统满足以下至少一项：涡轮泵设置有喷管，喷管用于在涡轮泵的涡轮前端对输送的燃气进行加速，喷管可从涡轮泵上拆卸，从而通过调整喷管的喉部直径，调整燃气加速程度；涡轮泵设置有环形件，环形件环绕于涡轮泵的涡轮外周，环形件可从涡轮泵上拆卸，从而通过调整环形件和涡轮之间的间隙，调整环形件和涡轮之间的气流量；涡轮泵的燃气出口端设置有节流环，节流环可从涡轮泵上拆卸，从而通过调整节流环的内径，调整涡轮泵的排气背压。本发明已在应用实践中经过了检验，并达到了优化调整功率的目的。率的目的。率的目的。


技术研发人员：郝小龙 张明根 张恬 闫田田 唐慧慧 解俊良
受保护的技术使用者：北京精密机电控制设备研究所
技术研发日：2023.02.07
技术公布日：2023/6/28