半物理試驗(yàn)起動階段低溫燃油流量計(jì)量技術(shù)路徑探究

史春雨

（中國航發(fā)動力控制系統(tǒng)研究所，江蘇無錫214063）

半物理試驗(yàn)起動階段低溫燃油流量計(jì)量技術(shù)路徑探究

史春雨

（中國航發(fā)動力控制系統(tǒng)研究所，江蘇無錫214063）

針對裝備數(shù)控系統(tǒng)的2個(gè)型號發(fā)動機(jī)分別在臺架試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)中發(fā)生的低溫起動失敗故障，從數(shù)控系統(tǒng)半物理試驗(yàn)燃油流量計(jì)量寬范圍、快響應(yīng)、高精度的測量要求入手，分析了試驗(yàn)的測量環(huán)境與渦輪流量計(jì)檢定條件要求的環(huán)境存在的較大差異，在低溫條件下燃油黏度提高，造成了流量系數(shù)減小，試驗(yàn)室測量流量示值小于實(shí)際流量，低溫燃油流量測量準(zhǔn)確度存在不可接受的偏差；闡述了發(fā)動機(jī)低溫起動失敗故障時(shí)供油不足，不能通過當(dāng)前的流量測量方法進(jìn)行確認(rèn)和故障定位，提出了解決高響應(yīng)低溫小流量測量技術(shù)問題的研究路徑及關(guān)鍵技術(shù)的方案和思路，主要方案和思路有：質(zhì)量流量計(jì)串聯(lián)標(biāo)定法、常溫渦輪流量計(jì)串聯(lián)標(biāo)定法、體積管串聯(lián)標(biāo)定法。

流量計(jì)量；燃油；半物理試驗(yàn)；低溫起動；黏度；航空發(fā)動機(jī)

0 引言

按國軍標(biāo)的要求，發(fā)動機(jī)燃油與控制系統(tǒng)在裝機(jī)前應(yīng)進(jìn)行燃油高、低溫條件下的模擬飛行試驗(yàn)，發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)以質(zhì)量流量作為燃油流量的控制指標(biāo)，而控制系統(tǒng)計(jì)量油量的控制原理多采用在等壓差狀態(tài)下調(diào)節(jié)通流面積的方法實(shí)現(xiàn)體積流量控制。在半物理模擬試驗(yàn)中，動態(tài)閉環(huán)試驗(yàn)要求連續(xù)測量計(jì)量燃油流量，需要寬范圍、快響應(yīng)、高精度的燃油流量測量。渦輪流量計(jì)作為試驗(yàn)中的優(yōu)選傳感器，易受介質(zhì)的溫度、壓力、黏度等因素的影響，由于試驗(yàn)的測量環(huán)境與渦輪流量計(jì)檢定條件[1]要求的環(huán)境存在較大差異，在低溫條件下燃油黏度有較大幅度提高，流量測量會產(chǎn)生偏差。文獻(xiàn)[2]指導(dǎo)了渦輪流量計(jì)燃油流量計(jì)算修正的完整方法和過程，但更適用于燃油溫度穩(wěn)定的臺架試驗(yàn)，并指明了在過度的高黏度、小流量條件下應(yīng)用會產(chǎn)生嚴(yán)重錯(cuò)誤。前蘇聯(lián)的Н.Ф.杜博夫金等對噴氣燃料性能進(jìn)行了較為全面的試驗(yàn)研究[3]；國內(nèi)基于各行業(yè)各種流量測量場合的實(shí)際問題也開展了多方面的研究：馬彬等通過試驗(yàn)分析了流體黏度對渦輪流量計(jì)性能的影響，特別是對小規(guī)格流量計(jì)影響更大[4]；王魯海等對低流量條件下渦輪流量計(jì)的黏度響應(yīng)特性開展了試驗(yàn)研究[5]，提出可以通過少量的高黏度試驗(yàn)，推導(dǎo)出不同黏度的修正關(guān)系；陳潔根據(jù)試驗(yàn)并建立補(bǔ)償模型，對LW25流量變送器進(jìn)行了黏度補(bǔ)償，提高了測量精度[6]；官志堅(jiān)等以LWGY15渦輪流量計(jì)與德國KRACHT公司VC5齒輪流量計(jì)為樣本開展了渦輪流量計(jì)與齒輪流量計(jì)對黏度的適應(yīng)性試驗(yàn)，提出了渦輪流量計(jì)用于高黏度介質(zhì)流量測量時(shí)應(yīng)進(jìn)行高黏度校準(zhǔn)[7]；曹廣軍等也通過試驗(yàn)證明LWGY80EX渦輪流量計(jì)流體的黏性對渦輪流量計(jì)的儀表系數(shù)具有很大影響[8]。

從檢索的文獻(xiàn)分析，大多數(shù)的研究者是針對各自行業(yè)的特定測量場景和限定范圍開展的理論分析與試驗(yàn)性研究，方法與結(jié)論可作為借鑒，沒能找到1套適用噴氣燃料低溫小流量測量的完整解決方案。所謂小流量在本文中定義為常溫下接近渦輪流量計(jì)下限工作的流量狀態(tài)。噴氣燃料的使用溫度環(huán)境范圍大，動態(tài)過程變化劇烈，而受燃油物理性能和渦輪流量計(jì)環(huán)境影響的性能的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺乏、燃油介質(zhì)溫度快速測量技術(shù)水平不足等因素的制約，造成燃油低溫小流量測量技術(shù)不能滿足試驗(yàn)與確認(rèn)的要求。

本文為解決低溫燃油流量測量的準(zhǔn)確性問題，提出了采用質(zhì)量流量計(jì)串聯(lián)標(biāo)定法、常溫渦輪流量計(jì)串聯(lián)標(biāo)定法、體積管串聯(lián)標(biāo)定法，對渦輪流量計(jì)低溫流量測量進(jìn)行標(biāo)定和修正的技術(shù)方案和研究路徑的一些思路，供從事低溫試驗(yàn)工程技術(shù)人員在構(gòu)建燃油流量測量系統(tǒng)時(shí)參考。

1 問題概述與分析

《航空渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)通用規(guī)范》（GJB241A）[9]規(guī)定了發(fā)動機(jī)應(yīng)能在-54℃或相當(dāng)于燃油黏度(γ)12 mm2/s條件下滿意起動。雖然燃油附件也通過了低溫部件性能試驗(yàn)，但配裝數(shù)控系統(tǒng)的2個(gè)型號渦軸發(fā)動機(jī)分別在臺架試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)中發(fā)生了低溫起動失敗故障。

發(fā)動機(jī)數(shù)控系統(tǒng)半物理試驗(yàn)和燃油部件試驗(yàn)中均采用渦輪流量計(jì)進(jìn)行燃油測量，根據(jù)試驗(yàn)燃油溫度下的密度將體積流量換算為質(zhì)量流量，以評價(jià)產(chǎn)品性能或輸出至發(fā)動機(jī)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行控制系統(tǒng)的閉環(huán)試驗(yàn)。在飛行環(huán)境溫度范圍內(nèi)，主機(jī)單位提供的若干溫度點(diǎn)發(fā)動機(jī)起動加減速供油規(guī)律是以質(zhì)量流量定義供油量要求，要求供油量控制精度不劣于±1%，把起動過程控制精度要求提高到±0.5%，因此在試驗(yàn)過程中流量測量準(zhǔn)確度應(yīng)優(yōu)于GJB 5109-2004[10]中被測裝備精度1/4的要求，即測量準(zhǔn)確度最好優(yōu)于±0.1%。在常溫條件下，F(xiàn)T4渦輪流量計(jì)校驗(yàn)精度為±0.05%，可以滿足使用要求。

JJG1037-2008[1]規(guī)定在流量檢定過程中環(huán)境溫度為常溫5～45℃，還規(guī)定了在檢定過程中介質(zhì)溫度變化不大于±0.5℃，SAE ARP4990A[2]要求燃油介質(zhì)流量計(jì)的檢定溫度為26.67℃。

但在低溫條件下，燃油的黏度和密度的改變對流量計(jì)量會產(chǎn)生不可忽視的影響，SAE ARP4990A[2]指出流量測量和修正會導(dǎo)致重大錯(cuò)誤發(fā)生。

GB 6537-2006[11]規(guī)定了3號噴氣燃料在20℃下，密度為775～830 kg/m3，黏度為不小于1.25 mm2/s；在-20℃下黏度不大于8.0 mm2/s，由于噴氣燃料的性質(zhì)與原油產(chǎn)地、煉制廠生產(chǎn)工藝、批次等有關(guān)，標(biāo)準(zhǔn)只給出了燃油特定點(diǎn)密度、黏度范圍，因此采用《中國噴氣燃料》[12]所提供的RP-3樣本數(shù)據(jù)和公式進(jìn)行物理性質(zhì)計(jì)算，見表1。

表1 RP-3物理性質(zhì)及0.41 L/min流量時(shí)的f/γ估值

隨著黏度的提高，渦輪流量計(jì)的流量系數(shù)K(K=f/Q，即輸出頻率/體積流量)會減小，同時(shí)線性度也會變差。試驗(yàn)與理論模擬K值與Re關(guān)系情況如圖1所示。在進(jìn)入渦輪流量計(jì)的線性段前，在黏度不變時(shí)，隨著流量增加，Re增大，K值持續(xù)增大，K值與流量計(jì)入口Re成指數(shù)關(guān)系[5]。

這種現(xiàn)象可以從流體力學(xué)理論中得到解釋，如圖2所示。隨著燃油溫度降低，黏度增加，Re減小，在低相同流速下附面層增厚，黏性力起主導(dǎo)作用，附面層低流速的流體阻礙了渦輪轉(zhuǎn)動，只有更高的平均流速才能達(dá)到在低黏度紊流狀態(tài)下渦輪轉(zhuǎn)速，即實(shí)際流量大于測量流量，K值減小。

圖1 試驗(yàn)與理論模擬K值與Re關(guān)系[5]

圖2 管內(nèi)層流與紊流速度分布

在發(fā)動機(jī)起動過程中的燃油流量處于流量計(jì)的小流量工作區(qū)，黏度增加的影響更為顯著，如圖3所示[2]。假設(shè)起動最小流量20 kg/h(0.41 L/min)進(jìn)行估算，在20℃下流量計(jì)進(jìn)口Re=989，在-15℃下Re=506，在-40℃下Re=246，Re均小于2000，進(jìn)入了層流區(qū)，和超過下限的小流量一樣，已不能直接采用流量檢定得到的流量系數(shù)進(jìn)行流量計(jì)算。

圖3 流速和黏度對渦輪流量計(jì)測量的影響[2]（K=f/Q，St=K·D3，Ro=(f/γ)·D2）

SAE ARP4990A還指明高黏小流量區(qū)K值的變化并非是單調(diào)的，并且在流量計(jì)最小量程極限下，存在1個(gè)分離點(diǎn)（break-away point），低于該點(diǎn)流量修正會導(dǎo)致重大錯(cuò)誤發(fā)生，燃油低溫小流量狀態(tài)測量的計(jì)算，不宜采用供應(yīng)商提供的流量系數(shù)及SAE ARP4990A的計(jì)算方法進(jìn)行修正。

起動失敗故障復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)，是通過在燃油溫度為-15℃下采用低溫起動失敗與起動成功的多套控制系統(tǒng)比對進(jìn)行的，最終將故障原因初步定性為泵調(diào)節(jié)器中計(jì)量活門溫度補(bǔ)償部件補(bǔ)償過度，造成起動供油量不足，起動超時(shí)，因而被判定起動失敗。如前所述，部件和系統(tǒng)試驗(yàn)流量測量系統(tǒng)均無法證明在低溫條件下的燃油流量計(jì)量的準(zhǔn)確性，無法提供確鑿可信的試驗(yàn)數(shù)據(jù)用于故障分析和理清故障發(fā)生機(jī)理。

雖然燃油低溫流量準(zhǔn)確計(jì)算和進(jìn)行低溫修正當(dāng)前都難以實(shí)現(xiàn)，但仍有可能和有必要對燃油低溫致黏度增加產(chǎn)生的影響進(jìn)行趨勢分析。根據(jù)LW-25渦輪流量計(jì)進(jìn)行多種黏度影響試驗(yàn)，以試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合式（7）[6]繪出分析曲線，如圖4所示。對RP-3在低溫時(shí)流量測量進(jìn)行粗略分析，按表1以假設(shè)起動最小流量查圖4估算，在-15℃下流量系數(shù)最大下降2%，對應(yīng)全程測量精度約為-0.082%，在-40℃下，流量系數(shù)最大下降18%，對應(yīng)全程測量精度約為-0.6%，已遠(yuǎn)超出流量測量精度±0.1%的要求。

圖4 RP-3 K值與f/γ變化關(guān)系預(yù)期[6](f/γ=30時(shí)Re=5000)

渦輪流量計(jì)FT4比LW-25具有更小口徑，受黏度的影響程度會更大[4]。如果不對低溫流量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，不但在半物理閉環(huán)試驗(yàn)時(shí)會產(chǎn)生嚴(yán)重偏差，而且有可能對臺架低溫起動試驗(yàn)、低溫地面起動試驗(yàn)和空中低溫起動試驗(yàn)造成難以預(yù)期的后果。

另外根據(jù)SAE ARP4990A的描述，渦輪流量計(jì)測量與介質(zhì)壓力、流量計(jì)溫度線膨脹系數(shù)等有關(guān)，但影響相對較弱，本文未對這些影響進(jìn)行分析。發(fā)動機(jī)數(shù)控系統(tǒng)半物理模擬試驗(yàn)要求對溫度、壓力、流量動態(tài)變化的燃油流量進(jìn)行寬范圍的準(zhǔn)確動態(tài)的測量，各種影響和相互制約的共同作用，幾乎不可能通過純粹計(jì)算的方法實(shí)現(xiàn)低溫燃油流量測量修正，達(dá)到半物理模擬試驗(yàn)寬范圍、快響應(yīng)、高精度的流量測量要求。

2 發(fā)動機(jī)數(shù)控系統(tǒng)半物理模擬試驗(yàn)

2.1 半物理模擬試驗(yàn)工作原理

發(fā)動機(jī)數(shù)控系統(tǒng)各部件和分系統(tǒng)與試驗(yàn)設(shè)備、發(fā)動機(jī)數(shù)學(xué)模型等構(gòu)成半物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)。電子控制器用于采集油門桿、操縱裝置、狀態(tài)操縱指令、飛機(jī)信號及指令、液壓機(jī)械裝置和幾何作動裝置上的位移、轉(zhuǎn)速隨動系統(tǒng)上的各轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及信號模擬裝置輸出的各類信號，控制軟件根據(jù)控制計(jì)劃、發(fā)動機(jī)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，輸出控制指令，進(jìn)行燃油流量與作動裝置的控制。

裝載有發(fā)動機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)學(xué)模型的計(jì)算機(jī)按設(shè)定的高度和馬赫數(shù)，接受當(dāng)前燃油流量（質(zhì)量流量）信號，通過空氣動力學(xué)、熱力學(xué)和轉(zhuǎn)子動力學(xué)等計(jì)算，得到對象發(fā)動機(jī)各轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、各截面溫度、各截面壓力、各類負(fù)載等參數(shù)并以模擬量信號方式輸出，試驗(yàn)設(shè)備接收指令，控制試驗(yàn)設(shè)備驅(qū)動試驗(yàn)部件或仿真部件運(yùn)行，供出計(jì)量燃油、產(chǎn)生電能、傳速、溫度、壓力、執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置等傳感器信號、施加負(fù)載力及相關(guān)的應(yīng)力環(huán)境等。發(fā)動機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中的電子控制器采集各類傳感器信號或模擬信號，運(yùn)算后產(chǎn)生新的輸出控制指令。以上過程構(gòu)成半物理試驗(yàn)的閉環(huán)試驗(yàn)過程。

2.2 發(fā)動機(jī)起動過程的工作原理

發(fā)生起動故障的2個(gè)型號發(fā)動機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的起動過程，采用開環(huán)控制，根據(jù)發(fā)動機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣溫度、泵調(diào)節(jié)器上靠近燃油流道的測量殼體溫度、計(jì)量活門溫度補(bǔ)償部件等共同作用，控制起動過程供油量，控制品質(zhì)取決于控制律設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性、各部件的溫度特性。起動成功后，進(jìn)入轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，燃油流量計(jì)量的準(zhǔn)確性要求不再作為控制的重點(diǎn)。可以看出，低溫小流量燃油流量控制和測量技術(shù)對發(fā)動機(jī)起動成功和控制功能的實(shí)現(xiàn)起著關(guān)鍵作用。

2.3 流量計(jì)的選擇

由于發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)在半物理模擬試驗(yàn)中的工作過程是連續(xù)動態(tài)的試驗(yàn)過程，不能采用切換流量計(jì)以適應(yīng)不同的流量范圍的方式進(jìn)行流量測量，流量計(jì)不但要適應(yīng)飛行包線范圍內(nèi)起動到最大工作各狀態(tài)的寬范圍流量，而且要具有更快的響應(yīng)速度和較高的測量精度，在進(jìn)行模擬高空高寒起動飛行試驗(yàn)時(shí)還需有較好的低溫適應(yīng)性。

高精度的質(zhì)量流量計(jì)因儀表本身具有溫度修正，受介質(zhì)溫度影響較小，但動態(tài)性能不能滿足發(fā)動機(jī)起動過程的流量測量需求。本次試驗(yàn)沒有采用科氏質(zhì)量流量計(jì)和齒輪流量計(jì)作為測量比對工具，原因是起動過程是1個(gè)流量動態(tài)變化的過程，科氏流量計(jì)在0.25%測量精度，4T+δ滯后時(shí)間估算長達(dá)3.2 s[13]，在半物理模擬試驗(yàn)中科氏質(zhì)量流量計(jì)更適用于穩(wěn)態(tài)過程測量。

渦輪流量計(jì)在量程范圍內(nèi)具有較高的常溫測量精度和動態(tài)響應(yīng)性能，對流速階躍變化的響應(yīng)時(shí)間小于5 ms[14]。但測量準(zhǔn)確度受介質(zhì)黏度、溫度等因素的影響較大，流量計(jì)檢定中使用工作介質(zhì)在標(biāo)準(zhǔn)溫度條件下進(jìn)行檢定，檢定結(jié)果不能適應(yīng)低溫條件下燃油流量測量的要求，特別是在低溫半物理試驗(yàn)中，要求變溫條件下體積流量與質(zhì)量流量實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換，溫度影響是實(shí)現(xiàn)低溫條件下流量動態(tài)測量必須面對的難題。

稱重法是最基礎(chǔ)的穩(wěn)態(tài)流量測量手段之一，測量精度取決于精準(zhǔn)的切入切出時(shí)刻、足夠長的測量時(shí)間、足夠穩(wěn)定的流量，還要考慮如何消除低溫部件凝露結(jié)霜的影響，不能用于流量動態(tài)過程測量。

齒輪流量計(jì)的精度和動態(tài)性能均較高，但更適應(yīng)高黏度介質(zhì)，并且不能測量含固體顆粒或雜質(zhì)的流動介質(zhì)，當(dāng)被試驗(yàn)件發(fā)生磨損等故障時(shí)，齒輪流量計(jì)的堵轉(zhuǎn)可能造成試驗(yàn)系統(tǒng)超壓，增大試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)。

對于具有動態(tài)過程的半物理模擬試驗(yàn)，渦輪流量計(jì)仍是最適宜的基本選擇，但這并不排除在試驗(yàn)過程的一些特殊場合采用其它類型的流量測量方法進(jìn)行比對。

2.4 燃油溫度測量

試驗(yàn)中采用低溫油箱油溫測量和供油管路管壁外貼片式熱電阻進(jìn)行溫度測量，由于壁面及傳感器封裝熱傳導(dǎo)緩慢，響應(yīng)速度較慢，增壓泵加入功率、保溫、管路熱容量等因素對溫度測量也會產(chǎn)生影響，當(dāng)前的溫度測量方法不能適應(yīng)僅有10 s左右的低溫半物理模擬試驗(yàn)起動過程的驗(yàn)證需求。

3 發(fā)動機(jī)起動失敗原因分析

發(fā)動機(jī)因起動失敗故障而終止起動的原因有：起動超溫、起動高溫懸掛、起動低溫懸掛、點(diǎn)火不成功、起動超時(shí)等，在臺架試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)中發(fā)生的2次低溫起動失敗故障是起動超時(shí)。

起動超時(shí)主要因素有：

（1）進(jìn)氣溫度低，空氣密度大，壓氣機(jī)壓縮功大，啟動機(jī)帶轉(zhuǎn)加速時(shí)間延長；

（2）環(huán)境溫度低，發(fā)動機(jī)滑油黏度大，機(jī)械阻力大，啟動機(jī)帶轉(zhuǎn)加速時(shí)間延長；

（3）發(fā)動機(jī)流道溫度低，部件吸熱量增加，燃?xì)饪捎媚埽ɑ鹩茫┙档?，渦輪出力下降，發(fā)動機(jī)加速時(shí)間延長；

（4）燃油低溫時(shí)黏度大，燃油霧化性能降低，燃燒效率下降，發(fā)動機(jī)加速時(shí)間延長；

（5）由于小型發(fā)動機(jī)起動超溫風(fēng)險(xiǎn)性高，對起動供油的上限要求更加嚴(yán)格；

（6）軟件或硬件對低溫條件下燃油的密度增大補(bǔ)償過度或考慮因素不完整，過度減少流量；

（7）主機(jī)單位提供的環(huán)境溫度極值范圍內(nèi)發(fā)動機(jī)起動加減速供油規(guī)律存在偏差，造成燃油流量限制過低。

低溫起動失敗故障發(fā)生前，在系統(tǒng)半物理試驗(yàn)器中無低溫燃油試驗(yàn)條件，未開展系統(tǒng)級低溫起動試驗(yàn)；故障發(fā)生后，采用以液氮制冷燃油的方案迅速建立了低溫試驗(yàn)條件，同時(shí)采用稱重法對起動失敗與起動成功的多套控制系統(tǒng)的起動過程燃油總量和渦流量累積計(jì)算量進(jìn)行對比，并且對燃油泵調(diào)節(jié)器燃油低溫-15℃條件下規(guī)定流量點(diǎn)進(jìn)行開環(huán)穩(wěn)態(tài)性能的測試，同時(shí)采用穩(wěn)態(tài)稱重法測量燃油流量，發(fā)現(xiàn)故障的主要原因是由于計(jì)量活門溫度補(bǔ)償元件補(bǔ)償過度造成了起動供油量不足。

在試驗(yàn)中，根據(jù)流量計(jì)輸出頻率除以檢定的流量系數(shù)得出體積流量，并與當(dāng)前控制系統(tǒng)出口燃油溫度下的計(jì)算密度相乘計(jì)算質(zhì)量流量。

試驗(yàn)中渦輪流量計(jì)體積流量示值累積計(jì)算后，乘以低溫燃油密度換算為質(zhì)量流量比稱重法得到的數(shù)據(jù)小2%，與圖4基本吻合，但在更低的溫度下偏差會進(jìn)一步增大。根據(jù)圖3進(jìn)行分析，分離點(diǎn)（圖3中break-away point）以左流量系數(shù)的變化是非單調(diào)的，驗(yàn)證以進(jìn)行修正，在一定黏度下，隨著流量增加，K值增大后再減小達(dá)到分離點(diǎn)。起動過程量是一個(gè)流量漸升的過程，經(jīng)歷了K值增加和減小二段過程，在起動過程中各流量點(diǎn)的流量是不確定的，渦輪流量計(jì)測量數(shù)據(jù)不能直接作為低溫性能評價(jià)和故障定位分析的測量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4 研究的重要性

在低溫條件下發(fā)動機(jī)起動控制品質(zhì)取決于流量測量和計(jì)算的準(zhǔn)確性、各成附件的溫度特性、準(zhǔn)確的控制規(guī)律設(shè)計(jì)，雖對數(shù)控系統(tǒng)燃油附件進(jìn)行了低溫環(huán)境試驗(yàn)，但側(cè)重點(diǎn)是考核性試驗(yàn)，對在低溫環(huán)境下燃油附件及傳感器性能改變關(guān)注不夠。針對低溫試驗(yàn)特別是起動過程，數(shù)控系統(tǒng)半物理模擬試驗(yàn)尚沒有建立完善、可信、驗(yàn)證確認(rèn)的試驗(yàn)驗(yàn)證條件和試驗(yàn)方法，系統(tǒng)缺陷只能在發(fā)動機(jī)鑒定試驗(yàn)、低溫臺架試驗(yàn)甚至是系統(tǒng)產(chǎn)品交付后暴露，在起動過程的燃油控制參數(shù)的修正依賴于發(fā)動機(jī)在低溫或高寒環(huán)境起動試驗(yàn)中完成，等待自然低溫環(huán)境達(dá)到試驗(yàn)要求，將寶貴的時(shí)間和機(jī)會耗費(fèi)在數(shù)控系統(tǒng)的修正調(diào)整中，內(nèi)外場試驗(yàn)數(shù)據(jù)也不能實(shí)現(xiàn)高效比對形成改進(jìn)迭代，嚴(yán)重影響了控制系統(tǒng)研發(fā)進(jìn)度和研發(fā)質(zhì)量評價(jià)。

5 起動階段低溫燃油流量計(jì)量技術(shù)的研究路徑

由于燃油溫度是造成渦輪流量計(jì)性能變化的主要原因，低溫小流量計(jì)算和流量計(jì)低溫修正是不可信和難以實(shí)現(xiàn)的，進(jìn)行各溫度條件下的流量標(biāo)定是容易想到的技術(shù)路徑，但當(dāng)前煤油介質(zhì)的檢定機(jī)構(gòu)均不具備低溫各高溫檢定條件，只能通過試驗(yàn)現(xiàn)場對渦輪流量計(jì)標(biāo)定實(shí)現(xiàn)低溫校準(zhǔn)。

5.1 質(zhì)量流量計(jì)串聯(lián)標(biāo)定法

本方法是在低溫試驗(yàn)系統(tǒng)或采用低溫油源供油，采用具有密度測量功能的高精度質(zhì)量流量計(jì)與渦輪流量計(jì)串聯(lián)，渦輪流量計(jì)進(jìn)口設(shè)置能夠進(jìn)行快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)測量燃油溫度的傳感器，對不同流量、不同溫度的燃油流量分別進(jìn)行測量，將質(zhì)量流量與當(dāng)前密度相除得到低溫體積流量，再將此體積流量按燃油的溫度-密度特性換算為檢定狀態(tài)的體積流量，從而得到各溫度條件、各流量狀態(tài)渦輪流量計(jì)的標(biāo)定數(shù)據(jù)表用于插值修正或公式修正，試驗(yàn)時(shí)按當(dāng)前流量和溫度將渦輪流量計(jì)低溫流量修正為檢定狀態(tài)的體積流量。

標(biāo)定只對選定試驗(yàn)燃油有效，當(dāng)更換不同批次燃油和燃油老化時(shí)，燃油溫度與密度、黏度物理性質(zhì)改變時(shí)，需重新標(biāo)定，除非通過大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累確認(rèn)這些影響可以被忽略。

關(guān)鍵技術(shù)裝置是高響應(yīng)燃油溫度測量，還需要配套具有恒低溫能力的試驗(yàn)系統(tǒng)或低溫油源。

5.2 常溫渦輪流量計(jì)串聯(lián)標(biāo)定法

針對發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)起動燃油流量小且重要、轉(zhuǎn)速閉環(huán)后流量大但重要性下降的特點(diǎn)，對低溫起動燃油通過快速加熱裝置加熱，并將溫度控制在渦輪流量計(jì)接近檢定溫度的條件下測量，可以得到準(zhǔn)確的流量測量值，在起動后的轉(zhuǎn)速閉環(huán)的較大流量工作狀態(tài)下不再加熱和進(jìn)行流量溫度修正。

低溫渦輪流量計(jì)進(jìn)口同樣設(shè)置能夠進(jìn)行快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)測量燃油溫度的傳感器，通過對不同流量、不同溫度的燃油流量分別進(jìn)行測量，得到各溫度條件、各流量狀態(tài)渦輪流量計(jì)的標(biāo)定數(shù)據(jù)表用于插值修正或公式修正，試驗(yàn)時(shí)按低溫渦輪流量計(jì)當(dāng)前流量和溫度將低溫流量修正為檢定狀態(tài)的體積流量。

標(biāo)定只對選定試驗(yàn)燃油有效，當(dāng)更換不同批次燃油和燃油老化時(shí)，燃油溫度與黏度物理性質(zhì)改變時(shí)，需重新標(biāo)定，也需要通過大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累確認(rèn)這些影響可以被忽略。

關(guān)鍵技術(shù)裝置是高響應(yīng)燃油溫度測量和燃油快速加熱裝置，還需要配套具有恒低溫能力的試驗(yàn)系統(tǒng)。

5.3 體積管串聯(lián)標(biāo)定法

采用體積管對渦輪流量計(jì)進(jìn)行檢定是各檢定機(jī)構(gòu)常用有的方法如圖5所示，但對于低溫介質(zhì)，各家機(jī)構(gòu)還沒有建立基于體積管的低溫檢定能力，可以采用相似的方法開展低溫條件下渦輪流量計(jì)的標(biāo)定，方案是：將體積管和渦輪流量計(jì)串聯(lián)，接入低溫試驗(yàn)系統(tǒng)或供給低溫油源，壓力燃油從一端進(jìn)入體積管，當(dāng)活塞逼近一端時(shí)，通過切換閥切至反向工作，低溫渦輪流量計(jì)進(jìn)口同樣設(shè)置能夠進(jìn)行快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)測量燃油溫度的傳感器，通過對不同流量、不同溫度的燃油流量分別進(jìn)行測量，得到各溫度條件、各流量狀態(tài)渦輪流量計(jì)與體積管的流量標(biāo)定數(shù)據(jù)表，用于插值修正或公式修正，試驗(yàn)時(shí)按低溫渦輪流量計(jì)當(dāng)前流量和溫度將低溫流量修正為低溫狀態(tài)的真實(shí)體積流量，再根據(jù)燃油溫度-密度特性換算成檢定狀態(tài)的體積流量。

標(biāo)定也只對選定試驗(yàn)燃油有效，當(dāng)更換不同批次燃油和燃油老化時(shí)，燃油溫度與黏度物理性質(zhì)改變時(shí)，需重新標(biāo)定，也需要通過大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累確認(rèn)這些影響可以被忽略。

關(guān)鍵技術(shù)裝置是高響應(yīng)燃油溫度測量和絕熱低熱容體積管式燃油流量計(jì)量裝置，還需要配套具有恒低溫能力的試驗(yàn)系統(tǒng)。

圖5 體積管式燃油流量計(jì)量裝置原理

5.4 高響應(yīng)燃油溫度測量技術(shù)研究思路

基于管內(nèi)流動不穩(wěn)定換熱及測溫器件導(dǎo)熱的傳熱學(xué)原理開展研究工作，感溫部件與被測流體直接接觸、追求最大的換熱面積和最小的熱容以提高動態(tài)性能。

通過對某型燃油泵調(diào)節(jié)器試驗(yàn)中出口溫度上升速率和流量控制精度要求的分析，初步估計(jì)燃油溫度測量裝置的響應(yīng)速度τ0.5＜200 ms可以滿足測量要求，裝置不應(yīng)對流量計(jì)流場產(chǎn)生影響，其熱容足夠小不應(yīng)對流量計(jì)進(jìn)口燃油溫度產(chǎn)生過大影響，應(yīng)能夠承受燃油不穩(wěn)定流場的沖刷具有可接受的使用壽命。

經(jīng)初步測試，某國產(chǎn)印刷燒結(jié)鉑膜熱電阻產(chǎn)品在燃油介質(zhì)中靜態(tài)測試τ0.5已達(dá)約250 ms，德國某鉑膜熱電阻傳感器樣本動態(tài)指標(biāo)在流速0.4m/s時(shí)，τ0.5已達(dá)100 ms，具備技術(shù)可行性，可以此為主要方向，研制流量計(jì)進(jìn)口溫度測量裝置，方案是在與流量計(jì)進(jìn)口管內(nèi)設(shè)置的絕緣基材上，制作印刷燒結(jié)鉑膜電阻或者鑲嵌鉑膜裸露的鉑熱電阻產(chǎn)品。另外，還可根據(jù)傳熱學(xué)原理對管內(nèi)流動燃油溫度與傳熱溫升速率的規(guī)律，對當(dāng)前測量溫度數(shù)據(jù)微分超前修正，實(shí)現(xiàn)更快速的燃油溫度測量計(jì)算。

5.5 絕熱低熱容體積管式燃油流量計(jì)量裝置研究思路

基于理想流體的不可壓縮性和流體的連續(xù)性，體積管式燃油流量計(jì)量裝置與串聯(lián)的渦輪流量計(jì)在非切換段具有相同的流量，采用體積管進(jìn)行低溫檢定，必須降低體積管構(gòu)件的熱容、環(huán)境溫度差對介質(zhì)溫度產(chǎn)生影響，還必須對體積管的不同溫度下的脹縮測量或修正，考慮到要在試驗(yàn)現(xiàn)場進(jìn)行標(biāo)定，體積管式燃油流量計(jì)量裝置還應(yīng)進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)，體積管采用薄壁油缸以降低熱容，采用絕熱處理以減小環(huán)境溫差影響，磁致伸縮位移傳感器測量桿穿過活塞中心設(shè)置，活塞在油缸內(nèi)兩端進(jìn)出口油壓差的推動下移動，通過測量活塞的位移速度即可以計(jì)算出流經(jīng)體積管的燃油流量。

5.6 帶稱重裝置的低溫油源研究思路

方案是采用由配置了天平稱重的3個(gè)保溫油箱組成的供油系統(tǒng)，天平具有模擬量輸出，由計(jì)算機(jī)采集實(shí)時(shí)計(jì)算質(zhì)量流量，作為流出燃油體積流量測量的參考比對。3個(gè)保溫油箱分別為高溫油箱（配加熱器時(shí)可用于開展高溫標(biāo)定）、低溫油箱（配液氮制冷盤管）、回油箱，當(dāng)對高溫、低溫油箱進(jìn)行定壓充氣時(shí)可形成穩(wěn)定的壓力供油，燃油流過配置了燃油溫度測量裝置的渦輪流量計(jì)串聯(lián)的體積管式燃油流量計(jì)量裝置進(jìn)入回油箱，可進(jìn)行渦輪流量計(jì)與體積管計(jì)量裝置的間段標(biāo)定（切換點(diǎn)附近數(shù)據(jù)舍棄，平直段數(shù)據(jù)有效）。當(dāng)高溫和低溫油箱并聯(lián)且同時(shí)供氣，通過快速切換，可使高溫和低溫燃油交替流過配置了燃油溫度測量裝置的渦輪流量計(jì)和體積管式燃油流量計(jì)量裝置，本油源還可用于驗(yàn)證燃油溫度測量裝置的溫度響應(yīng)性能。油源配套小流量循環(huán)泵，在進(jìn)行油箱降溫和加溫時(shí)的循環(huán)，使油箱和測試回路在測試前與油源中燃油溫度一致。

5.7 燃油快速加熱裝置研究思路

為保證試驗(yàn)燃油的品質(zhì)不發(fā)生劣變，不宜采用電熱器直接加熱方式?？紤]到發(fā)動機(jī)主燃油管路特性，加熱裝置可以利用的壓差非常充裕、容積受限于不過分超過燃油總管的容積、流道剛度要與主燃油管路的接近，方案是在燃油快速加熱裝置的換熱器導(dǎo)熱介質(zhì)殼程側(cè)增大熱容量保持溫度穩(wěn)定，采用溫控電加熱并進(jìn)行大流量強(qiáng)制循環(huán)，在燃油側(cè)管程采用大面積高流速毛細(xì)列管以加強(qiáng)換熱速度。還可以考慮研制采用壓力閉環(huán)精確溫控加熱的自然循環(huán)熱管[15]式燃油快速加熱裝置方案。

6 結(jié)束語

雖然SAE ARP4990A已規(guī)定了燃油流量計(jì)算修正的方法，但由于燃油性質(zhì)、修正目的的差異，其主要用于發(fā)動機(jī)性能達(dá)標(biāo)的穩(wěn)態(tài)燃油流量修正，不適用于半物理試驗(yàn)起動過程動態(tài)流量測量。按GJB241A規(guī)定的低溫環(huán)境進(jìn)行低溫起動時(shí)，燃油低溫造成的高黏度已超出了修正適用范圍，低溫燃油流量測量是發(fā)動機(jī)數(shù)控系統(tǒng)起動階段性能驗(yàn)證不可或缺的基礎(chǔ)技術(shù)，準(zhǔn)確的流量測量是發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)性能驗(yàn)證、準(zhǔn)確提出并完善對部件的指標(biāo)要求、確認(rèn)與主機(jī)要求符合性驗(yàn)證最重要基線之一，有必要開展研究探索，找到解決路徑，5.1、5.2所述研究技術(shù)路徑具有較好的可實(shí)現(xiàn)性。

通過對低溫流量測量的現(xiàn)狀、困難的闡述和技術(shù)路徑的思考，希望能引起發(fā)動機(jī)主機(jī)、控制系統(tǒng)、燃油部件、石油化工等單位對低溫流量測量問題的更多關(guān)注，共同推動低溫流量測量以及發(fā)動機(jī)低溫起動技術(shù)的深入研究，為制定低溫環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)和驗(yàn)證規(guī)范提供有力的技術(shù)支持。

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Measurement Technology of Fuel Flow under Low Temperature Starting in Semi-physical Test

SHI Chun-yu
（AECC Aero Engine Control System Institute，Wuxi Jiangsu 214063,China）

Aiming at the failure of low temperature start that happened respectively in rig and flight test for two types of aeroengine with digital control systems,the measurement requirements such as wide range,fast response and high accuracy of fuel metering during semi-physical test applied to digital control systems were described.The significant differences between the measuring condition and the factual condition in the verification process of turbine flowmeters were analyzed.The increase of fuel viscosity in the condition of low temperature caused the reduce of flow coefficient which resulted that the indicated value of measured flow rate in test was less than the actual flow rate and unacceptable deviation appeared in measurement accuracy of low temperature.It was stated that the fault of low temperature start was caused by insufficient fuel supply and thus were unable to identify and locate.Some ideas of research route and key technology schemes were proposed to address the issue of technology validation of high response,low temperature,and low flow rate measurement.which mainly are the connection series of mass flowmeters,thrmostatic turbine flowmeters and volume tube calibration device.

flow metering;fuel;semi-physical;low temperature;viscidity;aeroengine

V 216.7

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.06.001

2016-05-09基金項(xiàng)目：國家重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目資助

史春雨（1964），男，自然科學(xué)研究員，主要從事航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)技術(shù)研究工作；E-mail：scyjswx@163.com。

史春雨.半物理試驗(yàn)起動階段低溫燃油流量計(jì)量技術(shù)路徑研究[J].航空發(fā)動機(jī)，2016,42（6）：10-17.SHI Chunyu.Measurement technology of fuel flow under low temperature starting in semi-physicaltest[J].Aeroengine，2016,42（6）：10-17.

（編輯：栗樞）