渦輪流量傳感器油耗測(cè)量及流阻特性實(shí)驗(yàn)分析

尹川 李曉琳 郭政波

摘要：發(fā)動(dòng)機(jī)油耗測(cè)量采用渦輪流量傳感器切斷油管安裝測(cè)量，通過液體流動(dòng)帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)的速度大小反映流體流速。由于某些部位的燃油管路直徑小，催動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)減小供油壓力，影響發(fā)動(dòng)機(jī)供油速率，嚴(yán)重時(shí)會(huì)阻滯發(fā)動(dòng)機(jī)油管造成飛行質(zhì)量事故。該文首先引入計(jì)算雙轉(zhuǎn)子燃油流量的關(guān)鍵參數(shù)K因子，并結(jié)合上下游轉(zhuǎn)子頻率和流量之間的關(guān)系，得出渦輪流量傳感器油耗測(cè)量原理及其流阻特性計(jì)算方法;再以其研究結(jié)果為基礎(chǔ)，搭建流阻特性實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，合理設(shè)計(jì)不同流量給定值的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，并分析燃油管道轉(zhuǎn)接點(diǎn)前后壓力值、實(shí)際管道壓差以及實(shí)際流量響應(yīng)曲線，得到影響流阻系數(shù)各因素之間的作用規(guī)律，為加裝在小口徑燃油管路的流量傳感器選擇提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)油耗;渦輪流量傳感器;流阻特性

中圖分類號(hào)：TH814 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2019）10-0078-06

收稿日期：2019-03-06;收到修改稿日期：2019-04-25

基金項(xiàng)目：十三五共用技術(shù)（41403020203）

作者簡(jiǎn)介：尹川（1987-），男，陜西西安市人，工程師，碩士，主要從事飛行試驗(yàn)機(jī)載測(cè)試技術(shù)。

0 引言

飛行器飛行試驗(yàn)過程中，在考核發(fā)動(dòng)機(jī)性能時(shí)需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗進(jìn)行測(cè)量，對(duì)多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗測(cè)量就需要分多級(jí)支路油管測(cè)量，但這些管路的直徑大小往往不同。常用的測(cè)量方法為采用渦輪流量傳感器截?cái)嘤凸馨惭b在切口橫截面，利用葉輪旋轉(zhuǎn)角速度與燃油成比例的關(guān)系，通過測(cè)量葉輪轉(zhuǎn)速來反映燃油流量的大小，可實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)流量和累積流量的計(jì)量。

在實(shí)際加裝傳感器過程中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)某段燃油管路直徑小而選擇小口徑渦輪流量傳感器，但加裝渦輪傳感器會(huì)減小供油壓力，影響發(fā)動(dòng)機(jī)供油速率，嚴(yán)重阻滯發(fā)動(dòng)機(jī)油管造成飛行質(zhì)量事故[1]。因此，對(duì)加裝在發(fā)動(dòng)機(jī)燃油管路直徑較小部位渦輪流量傳感器的流阻特性實(shí)驗(yàn)分析是發(fā)動(dòng)機(jī)油耗鑒定必不可少的一步。

1 雙轉(zhuǎn)子渦輪流量傳感器工作原理

該燃料流量傳感器使用螺旋轉(zhuǎn)子葉片，這種葉片能夠更直接地使流體動(dòng)能轉(zhuǎn)換成沖擊能量作用于轉(zhuǎn)子葉片，從而其更容易反映流量變化。同時(shí)，螺旋葉片的使用降低了燃油對(duì)軸承的影響，延長(zhǎng)了軸承壽命[2]。

兩個(gè)轉(zhuǎn)子具有相反的旋轉(zhuǎn)方向，這是雙轉(zhuǎn)子燃油流量傳感器的主要特點(diǎn)，其工作示意圖如圖1。它的優(yōu)點(diǎn)是能形成流體間的耦合，并且渦流對(duì)兩個(gè)轉(zhuǎn)子作用方向相反。上游的轉(zhuǎn)子在耦合效應(yīng)影響下轉(zhuǎn)速會(huì)減小，使下游轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增加，但上下游轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增減程度相同。也就是說，在存在渦流的情況下上下游轉(zhuǎn)子合成轉(zhuǎn)速是恒定的。

在實(shí)際工作中，燃油首先流經(jīng)導(dǎo)流器，驅(qū)動(dòng)上游轉(zhuǎn)子并形成近90°攻角從而驅(qū)動(dòng)下游轉(zhuǎn)子，流體則可以最大能量驅(qū)動(dòng)下游轉(zhuǎn)子造成沖擊，這樣使此類傳感器的測(cè)量范圍大大增加，明顯優(yōu)于其他流量傳感器。利用采集器接收傳感器的轉(zhuǎn)子頻率信號(hào)傳輸?shù)叫盘?hào)，使轉(zhuǎn)速反映為電信號(hào)輸出，最終實(shí)際燃油流量由測(cè)試校準(zhǔn)曲線反解求得。以下介紹具體計(jì)算過程。

2 雙轉(zhuǎn)子流量傳感器油耗測(cè)量計(jì)算

首先引入計(jì)算雙轉(zhuǎn)子燃油流量的關(guān)鍵參數(shù)K因子。它直接反映了轉(zhuǎn)子頻率和流體體積流量之間的關(guān)系：

式中：FREG——轉(zhuǎn)子的頻率，Hz;

W_F——通過流量傳感器的燃油體積流量，L/h。

利用測(cè)試校準(zhǔn)儀器對(duì)流量傳感器進(jìn)行測(cè)量范圍內(nèi)的校準(zhǔn)，從而得到關(guān)于K因子和轉(zhuǎn)子頻率FREQ以及運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)VISC之間的關(guān)系曲線，其中運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)的單位centistoke簡(jiǎn)寫為cts。

每個(gè)流量傳感器的K因子都不相同，這是因制造方式、供應(yīng)商不同所致，那么每個(gè)雙轉(zhuǎn)子燃油流量傳感器都會(huì)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行出廠校準(zhǔn)并形成各自的K-FREQ/VISC曲線圖。

以美國(guó)Exactflow公司FFMA-12型雙轉(zhuǎn)子燃油流量傳感器為例，當(dāng)運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)分別為0.87cts和1.62cts時(shí)，其上、下游轉(zhuǎn)子的K-FREQ/VISC曲線圖分別如圖2、圖3所示[3]。

圖4、圖5是根據(jù)不同粘度燃油的校準(zhǔn)曲線分別合成的上下游轉(zhuǎn)子單獨(dú)的K因子關(guān)系曲線圖，該曲線結(jié)果針對(duì)不同粘度燃油的測(cè)量均可適用。但在使用過程中實(shí)際應(yīng)用的校準(zhǔn)曲線是上、下游轉(zhuǎn)子合成后的K-FREQ/VISC校準(zhǔn)曲線，該曲線直接反映了傳感器的工作狀態(tài)，曲線結(jié)果如圖6所示。

計(jì)算燃油流量需要根據(jù)實(shí)際情況修正燃油運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)。充分考慮燃油溫度對(duì)燃油粘度的影響，以飛行中燃油溫度測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果修正燃油運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)。按照公式（2），合成上、下游轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子頻率[4]：

下標(biāo)COM為上、下游轉(zhuǎn)子校準(zhǔn)曲線合成后的相關(guān)值，UPS代表上游轉(zhuǎn)子的相關(guān)值，DNS為下游轉(zhuǎn)子的相關(guān)值。

合成后的上下游轉(zhuǎn)子校準(zhǔn)曲線（圖6）計(jì)算可得K因子，最終燃油體積流量可由公式（1）計(jì)算得出。

圖7為某飛行試驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)性能品質(zhì)科目的數(shù)據(jù)，以此驗(yàn)證該計(jì)算方法的正確性。如圖8和圖9所示，對(duì)廠家提供的計(jì)算結(jié)果與某次飛行試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

經(jīng)計(jì)算驗(yàn)證，燃油溫度對(duì)燃油運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)的影響基本可以忽略，所以本文采用定運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)（1.08cts）。通過上述結(jié)果對(duì)比圖可知，計(jì)算結(jié)果與廠家提供的校準(zhǔn)曲線趨勢(shì)基本相近，最大相對(duì)誤差在2.8%以內(nèi)。在計(jì)算過程中，對(duì)燃油流量傳感器的K因子關(guān)系曲線進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，產(chǎn)生了系統(tǒng)誤差，但實(shí)際精度能夠滿足工程實(shí)踐及本次流阻特性實(shí)驗(yàn)的需要。

但對(duì)于實(shí)際飛行試驗(yàn)而言，發(fā)動(dòng)機(jī)供油過程的安全性能是在試飛鑒定中必須考量的重要標(biāo)準(zhǔn)，所加裝的渦輪流量傳感器對(duì)供油壓力的影響還需作出充分的理論論證與實(shí)驗(yàn)研究。

3 流阻特性測(cè)量原理

本次試驗(yàn)是在確保燃油為紊流狀態(tài)下進(jìn)行的，在雷諾數(shù)Re大于4×10⁴的情況下，平均流速V為

V=4Q/πd²（3）

式中：V——燃油管道內(nèi)液體平均流速，m/s;

Q——燃油管道內(nèi)流體流量，m³/s;

d——流量傳感器內(nèi)徑，m。

根據(jù)上節(jié)的燃油流量計(jì)算方式，將直接測(cè)得的燃油體積流量W_F換算為燃油管道內(nèi)流體流量Q，即Q=（3.6×10⁶）W_F，那么燃油管道內(nèi)平均流速v即可得出。

流阻系數(shù)是流體壓力損失的一個(gè)無量綱系數(shù)，其反應(yīng)了液體過閥門流通阻力或者能耗損失。這里流阻系數(shù)取決于油耗傳感器結(jié)構(gòu)。流阻系數(shù)計(jì)算方法如下：

式中：ζ——流阻系數(shù);

△P_v——管道壓力損失;

ρ——航空燃油密度，kg/m³;

g——重力加速度，m/s²;

△P_vt——被測(cè)傳感器與管道的壓力損失，kPa;

△P_t——管道的壓力損失，kPa。

由公式（3）和公式（4）可計(jì)算流阻系數(shù)為：

通過上式可知決定流阻系數(shù)ζ的是管道內(nèi)燃油流量Q和壓差△P_v，ζ是函數(shù)f（Q，△P_v）的導(dǎo)出量，根據(jù)單位換算關(guān)系可得ζ也是函數(shù)f（W_F，△P_v）的導(dǎo)出量[5]。依據(jù)試驗(yàn)原則測(cè)定最小流量與最大流量之間的均分流量等不少于5種流量下的壓力損失，且保證紊流狀態(tài)且雷諾數(shù)Re不小于4×10⁴。

4 雙轉(zhuǎn)子渦輪流量傳感器流阻特性實(shí)驗(yàn)

本文裝機(jī)渦輪傳感器末端接口尺寸1/2 in（1in=2.54cm），內(nèi)徑14mm，標(biāo)準(zhǔn)量程范圍0.25～2.5GPM、56.775～567.75L/h，擴(kuò)展量程范圍0.1～3.0GPM、22.71～681.3L/h。采用燃油流量標(biāo)準(zhǔn)裝置提供標(biāo)準(zhǔn)燃油流量數(shù)據(jù)[6]，供油范圍100L/h～100000L/h，誤差0.05%。實(shí)驗(yàn)標(biāo)定臺(tái)如圖10所示。

在實(shí)物安裝示意圖（圖11）中，L₁指流量傳感器前管路總長(zhǎng)，L₂指流量傳感器后管路總長(zhǎng)，L指壓力傳感器（即轉(zhuǎn)接段位置）距離流量傳感器的長(zhǎng)度），按照相關(guān)國(guó)標(biāo)，L₁≥20×傳感器內(nèi)徑，L=2×內(nèi)徑，L₂≥5×內(nèi)徑。通過兩個(gè)壓力傳感器測(cè)量壓差，具體流阻特性試驗(yàn)測(cè)試方案如圖12所示[7]。

選取某發(fā)動(dòng)機(jī)全包線內(nèi)慢車以上最小燃油流量40kg/h，最大燃油流量為460kg/h（燃油密度按照0.8kg幾計(jì)算）。通過流量標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)給定以下流量測(cè)量壓差：56.7，120.7，136.7，152.7，168.7，184.7，200.7，216.7，232.7，248.7，280.7，350.0，450.0，500.0，567.7L/h。

不同時(shí)刻流量給定值即為實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，各實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的燃油流量響應(yīng)值如圖13所示，燃油流量給定值變化范圍為49.5～581.2L/h。在施加不同流量給定后，實(shí)際燃油流量響應(yīng)值呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，這說明渦輪流量傳感器的流阻特性受管道流量的影響嚴(yán)重，流量Q驟增時(shí)壓差△P_v響應(yīng)滯后，使流阻系數(shù)突然減小后增大，進(jìn)而造成以下曲線結(jié)果。

測(cè)量各實(shí)驗(yàn)點(diǎn)不安裝渦輪流量傳感器前后壓力值的響應(yīng)值以及測(cè)量安裝傳感器后壓力值，得到前轉(zhuǎn)接點(diǎn)壓力與后轉(zhuǎn)接點(diǎn)壓力的響應(yīng)曲線如圖14和圖15所示，壓力損失對(duì)比如圖16所示。壓差的響應(yīng)與流量響應(yīng)相似，但滯后于實(shí)際流量響應(yīng)曲線;而后轉(zhuǎn)接點(diǎn)壓力受流阻特性影響嚴(yán)重，因而波動(dòng)范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前轉(zhuǎn)接點(diǎn)壓力，呈現(xiàn)圖中結(jié)果。

從圖中可以看出燃油管道壓差變化隨每個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)管道流量給定值遞增，通過管道流量與壓差的關(guān)系（公式（6））可計(jì)算出渦輪流量傳感器的流阻系數(shù)，根據(jù)同實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的燃油流量響應(yīng)值與壓力損失值，得到流阻系數(shù)變化曲線如圖17所示。

因施加給定流量輸入后，燃油流量與管道壓差響應(yīng)時(shí)間與變化程度有所不同，而每個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的流阻系數(shù)整體變化趨勢(shì)為先增大升后減小，也就是說，燃油經(jīng)過流量傳感器的受阻程度先降低后上升。

根據(jù)每個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)穩(wěn)定工作狀態(tài)燃油流量與管道壓差的數(shù)據(jù)結(jié)果，計(jì)算流阻系數(shù)ζ與管道壓差△P_v的關(guān)系曲線如圖18所示。

由圖可知，加裝在較小直徑燃油管道的小口徑流量傳感器流阻系數(shù)隨著管道前后壓差的增加呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，若流阻系數(shù)過小，則說明燃油經(jīng)過流量傳感器時(shí)的壓力損失將過大[8]，會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)供油過程油管嚴(yán)重受阻從而造成飛行質(zhì)量事故。可通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果判斷小口徑流量傳感器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)供油速率的影響程度，進(jìn)而考核其在實(shí)際飛行測(cè)量油耗過程中飛機(jī)供油的安全性能。

5 結(jié)束語

本文通過研究雙轉(zhuǎn)子渦輪流量傳感器的工作原理，以及實(shí)時(shí)燃油流量和流阻系數(shù)計(jì)算方法，搭建流量標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)標(biāo)定不同流量下小管徑渦輪流量傳感器連接前端與后段壓差值，最終以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果分析加裝在小口徑燃油管道的流量傳感器流阻特性，為解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)小口徑油管油量的安全測(cè)量提供了試驗(yàn)基礎(chǔ)。

后續(xù)將針對(duì)加裝在不同口徑大小燃油管道的不同規(guī)格流量傳感器流阻特性深入研究，為選擇最匹配燃油流量實(shí)測(cè)環(huán)境條件的流量傳感器提供科學(xué)依據(jù)。

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（編輯：徐柳）