氣動調(diào)壓式民用航空發(fā)動機試車臺燃油系統(tǒng)設計

肖連勇 陳志龍 常誠

摘要：為滿足民用航空發(fā)動機科研試驗對燃油系統(tǒng)調(diào)壓、系統(tǒng)壓力波動小的要求，提出了氣動調(diào)壓式燃油系統(tǒng)設計方案。本文給出了氣動調(diào)壓原理，論述了系統(tǒng)設計時調(diào)壓油箱壓力波動和系統(tǒng)供油壓力的計算方法，給出了典型的氣動調(diào)壓式系統(tǒng)設計方案和主要部件，對于保障民用航空發(fā)動機科研試車，提高系統(tǒng)安全性、測量精度等具有重要意義。

Abstract： In order to meet the requirements of the civil aviation engine scientific research experiment on the pressure regulation of the fuel system and the small system pressure fluctuation， a design scheme of the pneumatic pressure regulating fuel system is proposed. In this paper， the principle of aerodynamic pressure regulation is given. The calculation method of pressure fluctuation of fuel tank and system oil supply pressure during system design is discussed. The design scheme and main components of a typical pneumatic pressure regulating system are given. It is of great significance for ensuring the civil aviation engine scientific research and testing， improving system safety and measuring accuracy.

關鍵詞：民用航空發(fā)動機；試車臺；氣動調(diào)壓；燃油系統(tǒng)；設計

Key words： civil aviation aircraft engine；test cell facility；pneumatic pressure regulation；fuel system；design

中圖分類號：V263.4 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）19-0169-04

0 引言

航空發(fā)動機試車臺燃油系統(tǒng)是試車臺工藝系統(tǒng)的重要組成部分，用于為在試發(fā)動機提供所需壓力和流量的持續(xù)不間斷的燃油供應，一般具有調(diào)壓、穩(wěn)壓、泄壓、過濾、計量、除水、放氣等功能。

目前國內(nèi)試車臺燃油系統(tǒng)大部分是按照GB50454航空發(fā)動機試車臺設計規(guī)范要求建造，且均為軍用航空發(fā)動機試車臺。系統(tǒng)只具有簡單的過濾、計量、油泵增壓功能，發(fā)動機用油量波動時系統(tǒng)供油壓力波動大，無法實現(xiàn)實時調(diào)壓功能。為滿足民用航空發(fā)動機科研試驗的要求，研制具有調(diào)壓功能、系統(tǒng)壓力波動小的試車臺燃油系統(tǒng)具有重要意義。

1 氣動調(diào)壓原理

氣動調(diào)壓裝置一般包括調(diào)壓油箱、氣壓調(diào)節(jié)閥、液位計、油箱進油閥門、油箱出油閥門等。工作原理是，調(diào)壓油箱內(nèi)燃油的上部填充設定壓力的壓縮空氣，調(diào)壓油箱內(nèi)的燃油經(jīng)過壓縮空氣增壓后通過系統(tǒng)管道輸送到發(fā)動機燃油泵入口處。這樣，通過調(diào)節(jié)儲油罐內(nèi)壓縮空氣壓力的設定值，就可以改變系統(tǒng)輸送到發(fā)動機燃油泵入口處的壓力。

為實現(xiàn)油箱內(nèi)壓縮空氣可調(diào)，需要處理好調(diào)壓油箱內(nèi)液位控制和壓縮空氣壓力控制的關系：

①調(diào)壓油箱的液位控制。調(diào)壓油箱應設置液位傳感器以感知箱內(nèi)的液位。箱內(nèi)液位與油箱進油閥門的開度相關聯(lián)，通過控制進油閥門開度，確保調(diào)壓油箱內(nèi)的液位在設定范圍內(nèi)。

②調(diào)壓油箱內(nèi)的壓縮空氣壓力控制。調(diào)壓油箱應設置壓縮空氣調(diào)壓組件。通過壓縮空氣調(diào)壓組件補充和釋放箱內(nèi)的壓縮空氣，確保箱內(nèi)的壓力為設定值。

因此，實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)壓功能，必須確保調(diào)壓油箱內(nèi)的油箱液位、壓縮空氣壓力可控。

2 系統(tǒng)設計

2.1 調(diào)壓油箱的壓力波動計算

調(diào)壓油箱內(nèi)的壓縮空氣壓力波動和液面高度波動均會引起調(diào)壓油箱供油壓力的波動。當調(diào)壓油箱的進油量流量Vfuel-in與出油流量（即發(fā)動機的燃油消耗量）Vfuel-out不一致時，會引起調(diào)壓油箱內(nèi)的燃油液位變化。箱內(nèi)燃油液位變化后，箱內(nèi)燃油液面上部壓縮空氣的需要通過氣壓調(diào)壓閥補充Vair-in（對應燃油液壓下降時）或釋放Vair-out（對應燃油液位上升時）部分空氣，以維持箱內(nèi)的壓縮空氣壓力不變，從而確保系統(tǒng)的供油壓力穩(wěn)定。當調(diào)壓油箱內(nèi)壓縮空氣的變化與燃油流量變化不匹配時，就會導致調(diào)壓油箱內(nèi)壓縮空氣的壓力變化，進而引起系統(tǒng)的供油壓力變化。

調(diào)壓油箱內(nèi)壓縮空氣的變化可以通過式（1）表示，調(diào)壓油箱液位變化h高度時，箱內(nèi)的空氣總量等于液位變化后箱內(nèi)的空氣總量加上氣壓調(diào)節(jié)閥補充和釋放的空氣總量，此處假設空氣和燃油溫度不變（下同）。對公式（1）右端引入公式（2）液位變化期間調(diào)壓油箱內(nèi)補充的壓縮空氣體積Vair-in、公式（3）液位變化期間調(diào)壓油箱內(nèi)釋放的壓縮空氣體積Vair-out、公式（4）液位變化期間調(diào)壓油箱內(nèi)壓縮空氣體積的變化ΔVair，則液位變化h高度后調(diào)壓油箱內(nèi)的壓縮空氣壓力變化ΔPair見公式（5），該壓力變化應低于系統(tǒng)要求的最大壓力波動。

2.2 系統(tǒng)供油壓力計算

油庫來油經(jīng)過試車臺燃油系統(tǒng)的油濾組件、調(diào)壓油箱上游管路組件和調(diào)壓油箱進油閥門后進入調(diào)壓油箱，燃油經(jīng)過調(diào)壓油箱調(diào)壓后經(jīng)過調(diào)壓油箱下游管路組件進入發(fā)動機燃油泵進口，如圖2。根據(jù)圖中壓力變化關系，可以通過式（6）計算油庫來油壓力Pfuel farm，其中調(diào)壓油箱壓力的最高設定值可以通過公式（7）計算得出。

調(diào)壓油箱進油閥用于為調(diào)壓油箱提供油源，其閥門流量應不小于發(fā)動機最大用油量，則閥門流量滿足公式（7）。

穩(wěn)壓背壓閥用于在調(diào)壓油箱進油閥開度變化時，為油庫供油提供回油通道，減少油庫供油流量和供油壓力的波動，其閥門流量應不小于發(fā)動機最大用油量，則穩(wěn)壓背壓閥流量滿足公式（10）。

Pi-Po—穩(wěn)壓背壓閥的進油口與設定值的壓力差，此處等于穩(wěn)壓背壓閥的壓差ΔPtank valve，Pi為油庫來油壓力，Po為穩(wěn)壓背壓閥設定壓力。

把公式（9）和公式（11）代入公式（6），則油庫來油壓力需滿足公式（12）。

3 系統(tǒng)組成

燃油系統(tǒng)介質(zhì)為易燃、易爆的航空煤油，試車臺燃油間和試車間區(qū)域為防爆區(qū)域，為保證系統(tǒng)和試車臺安全，區(qū)域內(nèi)的電氣元件應符合區(qū)域防爆要求。

油庫來油通過系統(tǒng)來油閥門后，首先經(jīng)過穩(wěn)壓背壓閥穩(wěn)壓、油濾組件除水、放氣和過濾后，通過調(diào)壓油箱進油閥進入調(diào)壓油箱，箱內(nèi)燃油經(jīng)過壓縮空氣調(diào)壓后通過燃油流量計、試車臺架閥門和系統(tǒng)管路進入發(fā)動機燃油泵入口。典型的氣動調(diào)壓式燃油系統(tǒng)設計見圖3。

3.1 穩(wěn)壓背壓閥

穩(wěn)壓背壓閥安裝與系統(tǒng)入口處，用于在油庫來油壓力波動和調(diào)壓油箱進油閥門開度變化時，確保調(diào)壓油箱進油閥門入口壓力穩(wěn)定。在調(diào)壓油箱進油閥門關閉時，油庫來油完全通過穩(wěn)壓背壓閥回油庫；在調(diào)壓油箱進油閥門打開時，油庫來油部分通過調(diào)壓油箱進油閥進入調(diào)壓油箱，油庫來油部分通過背壓閥回油通道回油庫。

3.2 油濾組件

油濾組件安裝與調(diào)壓油箱上游，用于對油庫來油進行除水、放氣和過濾。組件應設有過濾、放水、放氣等組件，具有自動放水、自動放氣和除去燃油中污染顆粒的功能，確保經(jīng)過組件的燃油無水、無氣、清潔。

3.3 調(diào)壓油箱

調(diào)壓油箱用于燃油調(diào)壓和應急燃油存儲。調(diào)壓油箱底部為從調(diào)壓油箱進油閥進入調(diào)壓油箱的待調(diào)壓燃油，頂部為設定壓力的壓縮空氣。經(jīng)過壓縮空氣調(diào)壓的燃油從調(diào)壓油箱底部的出油閥進入系統(tǒng)管道。為保證調(diào)壓油箱安全，調(diào)壓油箱應設置箱內(nèi)壓力傳感器、壓力報警開關和泄壓開關。調(diào)壓油箱應設置液位傳感器，用于指示箱內(nèi)液位，且具有箱內(nèi)低液位報警功能。當油庫供油故障導致箱內(nèi)液位低于報警液位時，在試發(fā)動機應仍能工作一段時間，以完成在試發(fā)動機的應急處置。

3.4 調(diào)壓油箱液位傳感器與進油閥

調(diào)壓油箱液位計安裝與調(diào)壓油箱頂部，用于感受油箱內(nèi)部液位。調(diào)壓油箱液位計應與調(diào)壓油箱進油閥門聯(lián)鎖。當調(diào)壓油箱內(nèi)液位低于設定值時，調(diào)壓油箱進油閥門打開，箱內(nèi)液位上升，液位達到設定值上限時調(diào)壓油箱進油閥門應關閉。當調(diào)壓油箱內(nèi)液位高于設定值時，調(diào)壓油箱進油閥門關閉，箱內(nèi)液位下降，液位達到設定值下限時調(diào)壓油箱進油閥門應打開。

3.5 壓縮空氣氣壓調(diào)節(jié)閥

壓縮空氣氣壓調(diào)節(jié)閥應具有壓力調(diào)節(jié)和壓力比較功能，安裝與調(diào)壓油箱頂部。當油箱內(nèi)的壓縮空氣壓力高于設定壓力時，氣壓調(diào)節(jié)閥進行比較后對調(diào)壓油箱放氣，箱內(nèi)氣壓下降，氣壓達到設定值時氣壓調(diào)節(jié)閥停止放氣；當油箱內(nèi)的壓縮空氣壓力低于設定壓力時，氣壓調(diào)節(jié)閥進行比較后對調(diào)壓油箱充氣，箱內(nèi)氣壓上升，氣壓達到設定值時氣壓調(diào)節(jié)閥停止充氣，確保箱內(nèi)壓縮空氣壓力與設定值一致。

3.6 燃油流量計

燃油流量計安裝與調(diào)壓油箱下游，用于測量系統(tǒng)的燃油流量，并將測量得到的燃油流量信息發(fā)送至試車臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

3.7 遠程控制閥門

遠程控制閥門安裝與油庫的來油口和試車臺架，用于遠程控制閥門的開啟與關閉。系統(tǒng)來油閥門應當與試車臺消防系統(tǒng)、調(diào)壓油箱液位傳感器聯(lián)鎖，試車臺架閥門應當與試車臺消防系統(tǒng)、試車臺設備狀態(tài)、發(fā)動機狀態(tài)聯(lián)鎖。

3.8 系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控

應對燃油系統(tǒng)的主要狀態(tài)參數(shù)進行監(jiān)控，并發(fā)送至試車臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要監(jiān)控參數(shù)應包括：油庫來油壓力、調(diào)壓油箱壓力、燃油溫度、發(fā)動機燃油泵入口壓力等。

4 結論

根據(jù)民用航空發(fā)動機燃油系統(tǒng)發(fā)展需求，設計氣動調(diào)壓式燃油系統(tǒng)，使用調(diào)壓油箱進行系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)，可以保證系統(tǒng)的供油壓力波動小，并為在試發(fā)動機提供應急燃油。系統(tǒng)對與保障民用航空發(fā)動機科研試車，提高系統(tǒng)安全性、測量精度等具有重要意義。

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