試車臺燃油供應(yīng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用

摘要：試車臺是航空發(fā)動機(jī)型號研制階段最重要的試驗(yàn)設(shè)備之一，其燃油供應(yīng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)給發(fā)動機(jī)供應(yīng)清潔、連續(xù)和壓力可控的燃油，在發(fā)動機(jī)試驗(yàn)研究過程中扮演關(guān)鍵角色?，F(xiàn)對試車臺燃油供應(yīng)系統(tǒng)的燃油流量測量、壓力調(diào)節(jié)、清潔度控制等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析和研究，介紹了各種關(guān)鍵技術(shù)在典型試車臺燃油供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計中的工程應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：試車臺燃油供應(yīng)系統(tǒng);流量測量;壓力調(diào)節(jié);清潔度控制

0 引言

航空發(fā)動機(jī)具有高技術(shù)、高投入和高風(fēng)險的特點(diǎn)，其研制工作是從設(shè)計、制造、試驗(yàn)、修改再到制造、試驗(yàn)的全過程，為了保證發(fā)動機(jī)及其系統(tǒng)能可靠工作，要求研制階段發(fā)動機(jī)整機(jī)試驗(yàn)達(dá)上萬小時[1]。試車臺可供航空發(fā)動機(jī)在地面、模擬高空等條件下進(jìn)行整機(jī)試驗(yàn)，是發(fā)動機(jī)型號研制階段最重要的試驗(yàn)設(shè)備之一，其主要由進(jìn)氣塔、整流室、引射筒和排氣塔等試驗(yàn)設(shè)備以及進(jìn)氣系統(tǒng)、安裝系統(tǒng)、燃油供應(yīng)系統(tǒng)、啟動供氣系統(tǒng)等工藝系統(tǒng)組成，其中燃油供應(yīng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)給發(fā)動機(jī)供應(yīng)清潔、連續(xù)、壓力可控的燃油，是試車臺中最關(guān)鍵的工藝系統(tǒng)。

燃油供應(yīng)系統(tǒng)在給發(fā)動機(jī)供應(yīng)燃油的同時，還具有燃油計量、過濾、除水、放氣等功能，系統(tǒng)運(yùn)行過程中的常見故障包括流量振蕩、壓力波動、燃油污染、管路氣塞等，其關(guān)鍵技術(shù)包括燃油流量測量、壓力調(diào)節(jié)、清潔度控制等。

本文對燃油供應(yīng)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析和研究，以一種典型的試車臺燃油供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計為例，探討了各種關(guān)鍵技術(shù)在試車臺燃油供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計中的工程應(yīng)用。

1 燃油流量測量

在航空發(fā)動機(jī)整機(jī)試驗(yàn)過程中，燃油流量是評定發(fā)動機(jī)性能的重要指標(biāo)，一般在發(fā)動機(jī)燃油控制系統(tǒng)和試車臺燃油供應(yīng)系統(tǒng)中同時進(jìn)行燃油流量測量，以進(jìn)行對比分析。由于整機(jī)試驗(yàn)時燃油流量測量存在測量范圍大、動態(tài)響應(yīng)要求快、測量精度要求高等特點(diǎn)，目前普遍采用渦輪流量計和科里奧利質(zhì)量流量計進(jìn)行燃油流量測量[2]。

1.1? ? 渦輪流量計

渦輪流量計具有體積小、精度高、量程寬等特點(diǎn)，其測量原理為置于流體中的葉輪旋轉(zhuǎn)角速度與流體流速成正比，通過測得葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度可得到流體的流速，從而得到流體的流量值。在發(fā)動機(jī)試驗(yàn)時，影響渦輪流量計測量精度的因素有安裝狀態(tài)、燃油溫度變化、計算誤差、輸出信號受外界干擾等。

為了消除畸變和旋流，通常在渦輪流量計的進(jìn)出口各安裝一段與流量計等內(nèi)徑的平直管道，一般要求進(jìn)口直管長度為10倍管徑以上、出口直管長度為5倍管徑以上。渦輪流量計測量得到的是燃油的體積流量，因燃油密度隨溫度變化，需配套安裝燃油密度計，以實(shí)時測量燃油密度，通過計算獲得燃油質(zhì)量流量。由于渦輪流量計的現(xiàn)場使用狀態(tài)和實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)狀態(tài)不完全一致，存在一定的系統(tǒng)誤差，為了消除這種系統(tǒng)誤差，通常采取的辦法是進(jìn)行渦輪流量計現(xiàn)場校準(zhǔn)，即用稱重法計量一定時間內(nèi)燃油供應(yīng)系統(tǒng)放出的質(zhì)量流量和對應(yīng)時間內(nèi)渦輪流量計測量得到的質(zhì)量流量，多次重復(fù)測量后可得到使用狀態(tài)下渦輪流量計的校驗(yàn)系數(shù)。

由于傳統(tǒng)的單轉(zhuǎn)子渦輪流量計對來流流態(tài)較為敏感，因此近年來雙轉(zhuǎn)子渦輪流量計得到了廣泛應(yīng)用。雙轉(zhuǎn)子渦輪流量計采用螺旋形轉(zhuǎn)子葉片，可以有效地將流體動能轉(zhuǎn)換為對轉(zhuǎn)子葉片的沖擊能量。由于兩個轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向相反，可以形成流動耦合，使得旋流對兩個轉(zhuǎn)子的作用效果相反，從而具有比單轉(zhuǎn)子渦輪流量計響應(yīng)更快、重復(fù)性更好、精度更高、量程更寬廣等優(yōu)點(diǎn)。

1.2? ? 科里奧利質(zhì)量流量計

科里奧利質(zhì)量流量計是一種可以直接測量燃油質(zhì)量流量的儀表，通過測量流體在振動管道中流動產(chǎn)生的科里奧利力與質(zhì)量流量成正比的工作原理實(shí)現(xiàn)。影響科里奧利質(zhì)量流量計測量精度的因素主要有測量范圍、壓力損失、安裝狀態(tài)、零點(diǎn)漂移等。發(fā)動機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明，穩(wěn)態(tài)時科里奧利質(zhì)量流量計的穩(wěn)定性高于渦輪流量計，但過渡態(tài)時其反應(yīng)明顯滯后，因此一般在發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)時使用科里奧利質(zhì)量流量計的測量結(jié)果作為發(fā)動機(jī)燃油消耗量的評定指標(biāo)，而發(fā)動機(jī)的啟動、加減速等過渡態(tài)監(jiān)控則采用渦輪流量計的測量結(jié)果。

2 燃油壓力調(diào)節(jié)

試驗(yàn)過程中，當(dāng)發(fā)動機(jī)狀態(tài)變化導(dǎo)致所需燃油流量快速變化時，燃油泵入口壓力會出現(xiàn)大幅度波動，因此有必要在試車臺燃油供應(yīng)系統(tǒng)中增加供油壓力調(diào)節(jié)功能。常見的壓力調(diào)節(jié)方法有氣動式調(diào)壓、增壓泵調(diào)壓和調(diào)節(jié)閥調(diào)壓等[3]。

氣動式調(diào)壓的工作原理是通過在系統(tǒng)調(diào)壓油箱內(nèi)燃油上部填充所需壓力的壓縮空氣，燃油經(jīng)壓縮空氣增壓后輸送到發(fā)動機(jī)燃油泵入口，改變壓縮空氣的壓力就可以改變?nèi)加捅萌肟趬毫?。氣動式調(diào)壓的技術(shù)難點(diǎn)在于調(diào)壓油箱液位與壓縮空氣壓力的復(fù)合控制，調(diào)壓油箱上需設(shè)置液位傳感器監(jiān)控燃油液位，通過控制調(diào)壓油箱供油閥門開度，保證液位在要求的范圍內(nèi);同時，調(diào)壓油箱上還需設(shè)置壓縮空氣調(diào)壓裝置，通過調(diào)壓裝置的調(diào)節(jié)，保證燃油壓力為設(shè)定壓力。

增壓泵調(diào)壓的工作原理是通過在系統(tǒng)供油管道中設(shè)置增壓泵，在設(shè)置目標(biāo)供油壓力后，系統(tǒng)將供油管路當(dāng)前壓力測量值與目標(biāo)壓力值進(jìn)行比較，計算出需要的模擬量電流并輸出，變頻器接收并自動將模擬量電流信號轉(zhuǎn)換成增壓泵電機(jī)輸出頻率，通過改變增壓泵轉(zhuǎn)速從而改變系統(tǒng)供油壓力，直至供油壓力達(dá)到目標(biāo)壓力。

調(diào)節(jié)閥調(diào)壓的工作原理是通過在系統(tǒng)供油管道中設(shè)置壓力調(diào)節(jié)閥，在設(shè)置目標(biāo)供油壓力后，系統(tǒng)采集供油管路燃油壓力并與目標(biāo)供油壓力進(jìn)行比較，如果系統(tǒng)供油壓力波動值超出給定的幅度，PID調(diào)節(jié)器迅速給出調(diào)整壓力調(diào)節(jié)閥開度的執(zhí)行指令，使供油壓力恢復(fù)到設(shè)定壓力范圍。調(diào)節(jié)閥調(diào)壓的技術(shù)難點(diǎn)在于PID控制參數(shù)的整定，需要通過現(xiàn)場調(diào)試以設(shè)置合適的PID控制參數(shù)，使得系統(tǒng)供油壓力和流量滿足發(fā)動機(jī)狀態(tài)變化的要求。

3 燃油清潔度控制

燃油控制系統(tǒng)是發(fā)動機(jī)的核心組成部分，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密配合件數(shù)量多等特點(diǎn)，對使用的燃油清潔度要求較高，一般需達(dá)到《航空工作液固體污染度分級》（GJB 420B—2006）的7級標(biāo)準(zhǔn)。燃油污染是發(fā)動機(jī)燃油控制系統(tǒng)發(fā)生故障的主要原因，污染顆粒隨燃油進(jìn)入燃油調(diào)節(jié)器，會造成零件加速磨損、節(jié)流元件堵塞、活門卡死等故障;燃油中的游離水會引發(fā)氧化腐蝕，還會與燃油中的添加劑等成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生膠狀物質(zhì)，造成油濾堵塞和活門卡滯;空氣溶入燃油中還會造成氣蝕、氣塞等問題。因此，有必要在試車臺燃油供應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計和使用維護(hù)過程中進(jìn)行燃油清潔度控制。

燃油供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計過程中采取的清潔度控制措施如下：（1）在系統(tǒng)前部設(shè)置一道高過濾精度的油濾組件，對油庫來油進(jìn)行過濾和除水;（2）在燃油供油管道上設(shè)置燃油取樣口，便于使用時進(jìn)行燃油取樣檢查;（3）在燃油進(jìn)入發(fā)動機(jī)燃油泵前的管道上再設(shè)置一道濾網(wǎng)，再次對燃油進(jìn)行過濾;（4）系統(tǒng)管道連接完后，首先用壓縮空氣對管道進(jìn)行吹掃，清除加工和組裝過程中產(chǎn)生的污染物，再用清潔的燃油對整個系統(tǒng)管路進(jìn)行沖洗，直至系統(tǒng)出口取樣的燃油清潔度滿足要求。

4 典型的試車臺燃油供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計

圖1所示為一個典型的試車臺燃油供應(yīng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用先進(jìn)的模塊化設(shè)計，主要分為應(yīng)急供油模塊、燃油計量模塊、發(fā)動機(jī)側(cè)儀表組件三大部分，整個系統(tǒng)在制造工廠完成預(yù)調(diào)試驗(yàn)收后，以撬裝體形式運(yùn)抵試車臺，臺架現(xiàn)場用不銹鋼管道連接各個撬裝體后即可進(jìn)行系統(tǒng)的整體吹掃、打壓、沖洗和調(diào)試驗(yàn)收工作。

（1）燃油流量測量方面。該系統(tǒng)在燃油計量模塊上串聯(lián)安裝了兩個雙轉(zhuǎn)子渦輪流量計，流量計前、后直管段分別滿足10倍、5倍管徑的安裝要求，同時在流量計下游并聯(lián)安裝了一個科里奧利質(zhì)量流量計以實(shí)時測量燃油密度，發(fā)動機(jī)消耗的燃油質(zhì)量流量由兩個渦輪流量計測得的體積流量平均后乘以燃油密度得到。（2）燃油壓力調(diào)節(jié)方面。該系統(tǒng)在燃油計量模塊上并聯(lián)安裝了兩個氣動式壓力調(diào)節(jié)閥，在設(shè)備控制界面設(shè)置發(fā)動機(jī)燃油泵入口壓力后，壓力調(diào)節(jié)閥接收PID控制器給出的開度指令后進(jìn)行工作，實(shí)時對系統(tǒng)供油壓力和流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。（3）燃油清潔度控制方面。該系統(tǒng)在各個模塊完成連接后，用清潔的燃油進(jìn)行沖洗并取樣檢查。另外，系統(tǒng)在氣動式壓力調(diào)節(jié)閥前并聯(lián)安裝了3個過濾精度為5 μm的吸收式油濾，在油濾后設(shè)計了燃油取樣口，同時在發(fā)動機(jī)側(cè)儀表組件上安裝了一道100目的網(wǎng)孔過濾器，以實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)運(yùn)行過程中對燃油的過濾和除水等功能。

5 結(jié)語

在某典型試車臺燃油供應(yīng)系統(tǒng)中應(yīng)用燃油流量測量、壓力調(diào)節(jié)和清潔度控制等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了給發(fā)動機(jī)供應(yīng)清潔、連續(xù)和壓力可控的燃油的目標(biāo)，該系統(tǒng)具有較高的可靠性、可控性和穩(wěn)定性，有力地保障了發(fā)動機(jī)科研試驗(yàn)的順利開展。由于試車臺燃油供應(yīng)系統(tǒng)在發(fā)動機(jī)試驗(yàn)研究過程中扮演關(guān)鍵角色，因此在系統(tǒng)設(shè)計過程中，應(yīng)根據(jù)具體的要求進(jìn)行計算分析，選取合適的燃油流量測量、壓力調(diào)節(jié)和清潔度控制方案，以支撐發(fā)動機(jī)開展試驗(yàn)研究。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 吳大觀.航空發(fā)動機(jī)研制工作論文集[M].北京：航空工業(yè)出版社，2009.

[2] 張志宏，袁世輝，王敏.小型發(fā)動機(jī)高空模擬試驗(yàn)燃油流量測量研究[C]//2010年航空試驗(yàn)測試技術(shù)峰會論文集，2010：98-102.

[3] 董建威.航空發(fā)動機(jī)試車臺燃油控制系統(tǒng)的研究[D].阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2015.

收稿日期：2020-12-10

作者簡介：李富亮（1982—），男，江西吉安人，工學(xué)碩士，研究方向：航空發(fā)動機(jī)核心機(jī)試驗(yàn)技術(shù)、試車臺建設(shè)。