某型發(fā)動機葉片內(nèi)腔流量檢測裝置的設計

袁紅會，姜 雷，姚曉穎

（中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機(集團)有限責任公司，沈陽 110043）

0 引言

發(fā)動機葉片的性能是航空發(fā)動機質(zhì)量要素之一。為了適應發(fā)動機高溫、高壓、高轉速的工作環(huán)境，大部分發(fā)動機葉片采用空心結構設計。空心結構設計的葉片需對內(nèi)腔進行流量檢測，通過檢測來確定葉片是否符合設計要求。發(fā)動機葉片水流量試驗器是為某型號航空發(fā)動機葉片檢測而設計開發(fā)的裝置，通過測量單位時間通過葉片內(nèi)腔水流流量的大小而實現(xiàn)對發(fā)動機葉片內(nèi)腔的檢測。

為了滿足現(xiàn)場需求，系統(tǒng)采用儀表和觸摸屏分別對檢測數(shù)據(jù)進行顯示，采用可編程序控制器PLC進行控制，并通過PLC與AD數(shù)據(jù)采集模塊配合使用，保證了檢測數(shù)據(jù)精確性，以及儀表和觸摸屏數(shù)據(jù)顯示的一致性。在編制PLC程序時，特別注意了AD采集模塊中模擬信號參數(shù)標定公式，對采集的流量信號進行精確計算整定，并在觸摸屏中顯示檢測數(shù)據(jù)。本文將著重論述該型號葉片流量檢測裝置的工藝要求、系統(tǒng)結構、信號采集、程序設計等。

1 設備工藝要求

水流量試驗器主要基于液壓控制技術，檢測范圍0.21m3/h～5.60m3/h。相關工作人員可以根據(jù)測量結果直接進行發(fā)動機裝配的串臺與配臺。該檢測裝置的設計成功縮短了生產(chǎn)現(xiàn)場的生產(chǎn)周期，節(jié)省了人力，減輕了工人的勞動強度，提高了勞動生產(chǎn)率，是一種可以使用戶獲得良好經(jīng)濟效益的產(chǎn)品。該裝置可以測量某型機高低導及高渦等三種類型的葉片。

水流量試驗器總體技術參數(shù)的確定需要滿足某型發(fā)動機葉片的工藝要求，如表1所示。

表1 參數(shù)表

表格1內(nèi)的參數(shù)是工藝人員經(jīng)過反復試驗確定的，某型發(fā)動機葉片必須滿足表內(nèi)參數(shù)要求才能夠達到葉片的額定使用壽命，該參數(shù)作為重要的試驗數(shù)據(jù)是檢驗葉片是否合格的關鍵標準。

2 控制系統(tǒng)結構

根據(jù)所檢測葉片的工藝要求及性能參數(shù)等指標，該流量試驗器控制系統(tǒng)是以PLC為核心控制器，以觸摸屏為操作單元的電氣控制系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)示意圖

PLC：PLC型號為三菱公司的FX2n-16MR，控制器輸出類型為繼電器型輸出，該控制器為8點開關量輸入、8點開關量輸出控制器。

AD模塊：型號為FX2nc-4AD，是四路模擬量信號采集卡，可采集不同類型的電壓、電流信號。流量信號由現(xiàn)場一次傳感器采集并轉換為4mA～20mA標準信號發(fā)送給PLC模擬量采集卡FX2cn-4AD，由采集卡進行AD轉換，通過信號修正和處理，最后在觸摸屏上進行流量顯示。其電流輸入范圍DC4mA～20mA（輸入電阻250Ω），分辨率20μ A。

觸摸屏：觸摸屏作為顯示單元，可直觀顯示葉片測試過程中的瞬時流量和累計流量。觸摸屏型號為A950GOT，其為6英寸人機界面，標配豐富接口、以太網(wǎng)、RS-422/485和RS-232一應俱全。

電磁流量測量系統(tǒng)：該葉片水流量測量選用E+H公司生產(chǎn)的Promag53型電磁流量測量裝置，該裝置具有信號采集后就地儀表顯示及遠程傳輸?shù)裙δ??？稍O置遠程輸出標準信號的類型及量程，輸出4mA～20mA標準信號。在romag53快速設置菜單下，可對流量計輸出信號量程、顯示單位等參數(shù)進行設置。在設置4mA～20mA標準信號量程時，根據(jù)水流量試驗器管路設計參數(shù)等情況，4mA對應流量值0，20mA對應流量值3750，流量單位為升/秒。

3 流量信號采集

FX2nc-4AD模擬量采集模塊為四路模擬量信號采集卡，可采集不同類型的電壓、電流信號，在程序中需對四路采集通道依據(jù)采集的信號類型進行定義，通道的定義依據(jù)如圖2所示。

圖2 FX2nc-4AD模擬量通道定義

在控制系統(tǒng)程序設計過程中，仍需對對應通道進行相關設置，否則數(shù)據(jù)將無法被正確采集。該本控制系統(tǒng)中，流量信號由CH1通道輸入，為4mA～20mA標準信號電流，根據(jù)模塊功能，其接線如圖3所示，其程序通道定義為H3331。

圖3 CH1通道流量信號接線圖

4 系統(tǒng)程序設計

PLC的程序是基于三菱公司提供的GX-Developer設計工具而完成的，該程序為梯形圖結構語句。本試驗器控制系統(tǒng)程序由模擬量采集處理及操作單元順序控制兩部分程序構成，其中的核心為模擬量信號處理程序，其中包括模擬量信號增溢設置、模擬量信號偏移設置、信號計算參數(shù)設置等幾部分。

負責就地儀表顯示數(shù)據(jù)的電磁流量計輸出的是4mA～20mA電流信號，其對應量程設定為0～3750mL/s。本系統(tǒng)PLC程序中模擬量增溢的設置為：4mA對應數(shù)值0，20mA對應數(shù)值為1000。電磁流量計輸出電流值a（單位mA）在設置模擬量增溢后的對應數(shù)值x應為式(1)：

就地儀表顯示的檢測數(shù)據(jù)與設置模擬量增溢后的顯示值的比例為公式(2)：

而觸摸屏顯示的檢測數(shù)據(jù)應與電磁流量計就地儀表顯示的數(shù)據(jù)一致。因此，當電磁流量計遠程輸出電流a，設置模擬量增溢后的對應數(shù)值為x時，觸摸屏顯示的檢測數(shù)據(jù)y應在程序中計算公式(3)：

即當電磁流量計遠程輸出a為20mA時，代入公式(1)，得到設置模擬量增溢后的數(shù)值x為1000，繼而將x代入公式(3)，得到觸摸屏中顯示的檢測數(shù)據(jù)y的值為3750。

本系統(tǒng)PLC程序中模擬量信號偏移設置為250，導致0mA對應數(shù)值0，16mA對應數(shù)值為1000。即當電磁流量計輸出電流為4mA時，設置模擬量偏移后產(chǎn)生的模擬量信號偏移為250，而不再是數(shù)值0。此時觸摸屏顯示的數(shù)據(jù)y應在程序中計算公式(4)：

在本系統(tǒng)的PLC程序設計中，模擬量計算處理的程序如圖4所示。

圖4 PLC梯形圖

觸摸屏作為顯示單元，可直觀顯示葉片測試過程中的瞬時流量和累計流量。觸摸屏型號為A950GOT，采用24V直流供電，為6英寸人機界面，通過RS-232接口與PLC之間進行數(shù)據(jù)通訊。觸摸屏程序采用GXDeveloper設計工具進行開發(fā)，根據(jù)葉片內(nèi)腔流量檢測的工藝設計操作軟件界面如圖5所示。左側畫面為高低導內(nèi)腔流量檢測界面，右側為高渦內(nèi)腔流量檢測界面。界面能夠顯示瞬時流量及1分鐘累計流量，具備數(shù)值顯示與柱狀圖兩種顯示功能，同時能夠顯示當前計量時間。根據(jù)工藝要求計量時間通常設計為1分鐘。此外，觸摸屏界面中還能夠顯示測試系統(tǒng)所處當前狀態(tài)，具有直觀、可操作性強等特點。觸摸屏中的流量顯示與就地變送器顯示的數(shù)值完全一致，設備能夠正常使用。

圖5 觸摸屏軟件界面

5 結論

本文詳細論述了某型發(fā)動機葉片內(nèi)腔流量檢測裝置的設計過程，包括控制系統(tǒng)結構和程序設計等，最后經(jīng)現(xiàn)場驗正，葉片內(nèi)腔流量檢測數(shù)據(jù)能夠在觸摸屏和電磁流量計就地顯示儀表中同步顯示，能夠達到生產(chǎn)現(xiàn)場的工藝要求，并且測試結果準確，能夠檢驗出葉片是否符合設計要求，適用于批量檢測，同時也指導了工人高效地進行發(fā)動機裝配的串臺與配臺。

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