某通用式燃油泵性能檢測試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

楊圣華，徐 凱，周 玲，王雯雯

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

設(shè)計(jì)的通用試驗(yàn)臺(tái)（以下簡稱試驗(yàn)臺(tái)）一方面能夠根據(jù)不同的檢測需求，在其技術(shù)指標(biāo)范圍內(nèi)，建立起各類燃油泵工作時(shí)的仿真環(huán)境，包括工作高度、溫度、液位、流量等工作條件；另一方面能夠在已建立起來的工作條件下，完成對(duì)各類燃油泵的性能參數(shù)測試、計(jì)算和驗(yàn)證，以檢查性能結(jié)果是否符合預(yù)期，并發(fā)現(xiàn)可能存在的產(chǎn)品問題。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 確定技術(shù)指標(biāo)

考慮到一定的通用性，設(shè)計(jì)該試驗(yàn)臺(tái)的技術(shù)指標(biāo)為：

1）實(shí)現(xiàn)對(duì)被測燃油泵輸出流量在1000～56000L/h 范圍內(nèi)自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。

2）可提供0～15.5km 高度氣壓的工作環(huán)境模擬條件。

3）實(shí)現(xiàn)對(duì)工作介質(zhì)航空煤油10min 從30℃加熱至100℃的加溫控制能力。

4）能夠模擬被測燃油泵入口液位高度-400～600mm 范圍內(nèi)自動(dòng)控制功能。

5）能夠?qū)Ρ粶y燃油泵工作時(shí)的參數(shù)，包括工作時(shí)飛行高度、輸出流量、入口液位、工作介質(zhì)溫度進(jìn)行計(jì)算機(jī)采集、存儲(chǔ)和處理,并完成電氣控制、監(jiān)視和告警等功能。

1.2 建設(shè)方案

1.2.1 系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

按照上述設(shè)計(jì)要求，研制的通用試驗(yàn)臺(tái)原理圖見圖1，圖中所注符號(hào)說明見表1。

表1 圖1 中符號(hào)或序號(hào)含義

圖1 燃油離心泵性能檢測綜合試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)原理圖

試驗(yàn)臺(tái)的組成主要包括：主、副油箱，流量模擬管路系統(tǒng)，高度模擬系統(tǒng)，溫度模擬系統(tǒng)，液位高度控制系統(tǒng)，測控、電氣及監(jiān)控系統(tǒng)。

試驗(yàn)臺(tái)中主油箱“1” 提供被測燃油泵的安裝平臺(tái)，設(shè)計(jì)有通用安裝接口；副油箱“2”作為主油箱的航空煤油（以下簡稱燃油）轉(zhuǎn)存油箱，實(shí)現(xiàn)在對(duì)液位高度進(jìn)行自動(dòng)控制時(shí)的燃油轉(zhuǎn)換輸送和主油箱空閑、維修、清洗階段的燃油轉(zhuǎn)存油箱。

流量模擬管路系統(tǒng)通過設(shè)置并聯(lián)的三段管路:油路Ⅰ，油路Ⅱ,油路Ⅲ分段實(shí)現(xiàn)被測燃油泵輸出流量在1000～56000L/h 范圍內(nèi)的模擬調(diào)節(jié)。此類調(diào)節(jié)是依據(jù)輸入的流量值與現(xiàn)場測量值的差值并依據(jù)PID 控制原理通過控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥SF1～SF3 的閥芯開度實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)該油路通過的燃油流量。

高度模擬系統(tǒng)包括：水環(huán)式真空泵“4”作為真空抽氣源，兩個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥“SF4”、“SF5”作為真空度數(shù)值的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，真空穩(wěn)壓罐“3”為現(xiàn)場油箱進(jìn)行氣路穩(wěn)壓。以上各部分均在測控系統(tǒng)“21”的控制下實(shí)現(xiàn)對(duì)主油箱內(nèi)真空度的控制，從而在0～15.5km 高度范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)被測燃油泵工作時(shí)所處環(huán)境高度的模擬。

燃油溫度模擬系統(tǒng)包括：熱交換泵“5”、交換器“17”（加熱用）、交換器“18”（冷卻用）、電加熱器“12”、循環(huán)式冷卻設(shè)備“13”，熱油泵“14”、冷水泵“15”、實(shí)現(xiàn)對(duì)燃油的加熱和冷卻，以滿足對(duì)試驗(yàn)介質(zhì)溫度的模擬要求。

液位高度控制系統(tǒng)主要包括：抽油泵“6”、液位控制調(diào)節(jié)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥“SF6”、“SF7”、液位控制轉(zhuǎn)輸引射泵“19”、“20”，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)主油箱內(nèi)的液位高度控制、燃油主副油箱轉(zhuǎn)輸、燃油過濾、余油收集功能。

測控系統(tǒng)完成對(duì)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和對(duì)現(xiàn)場模擬量控制；電氣及監(jiān)控系統(tǒng)完成對(duì)現(xiàn)場開關(guān)量的控制以及對(duì)現(xiàn)場設(shè)備的工作進(jìn)行監(jiān)控和處理。

1.2.2 系統(tǒng)原理說明

試驗(yàn)前，確保副油箱“2”內(nèi)燃油的儲(chǔ)存量，進(jìn)行現(xiàn)場各部位檢查后，啟動(dòng)測控系統(tǒng)和電氣及監(jiān)控系統(tǒng)“21”，對(duì)現(xiàn)場采集的各信號(hào)參數(shù)進(jìn)行零點(diǎn)檢查。將被測燃油泵安裝在主油箱上后，在測控系統(tǒng)計(jì)算機(jī)軟件界面上輸入需要加入的主油箱液位值和加油速度，打開液位控制電磁閥“DF8”，“DF9”，啟動(dòng)抽油泵“6”，并在測控系統(tǒng)的操作下調(diào)節(jié)液位控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥“SF6”，“SF7” 的開度，將副油箱內(nèi)燃油轉(zhuǎn)輸至主油箱（此時(shí)“SF7”開度增大，同時(shí)“SF6”開度減小，并由開度的變化增量控制油面上升速度）。當(dāng)達(dá)到指定的被測燃油泵工作時(shí)的液位高度（相對(duì)燃油泵入口）時(shí)自動(dòng)控制調(diào)節(jié)保持該液位值（控制邏輯為：主油箱液位低于控制液位時(shí)，“SF7”開度增大，同時(shí)“SF6”開度減??；主油箱液位高于控制液位時(shí)，“SF6”開度增大，同時(shí)“SF7”開度減?。?。液位高度穩(wěn)定后，給被測燃油泵上電，按照需要測試的流量，結(jié)合流量計(jì)的測量覆蓋范圍（見下文）選擇打開流量模擬管路的油路Ⅲ或油路Ⅱ或油路Ⅰ上對(duì)應(yīng)電磁閥 “DF1”、“DF2”、“DF3”，由測控系統(tǒng)控制各電動(dòng)調(diào)節(jié)閥SF1 或SF2 或SF3 以調(diào)節(jié)燃油泵出口流量，待流量值穩(wěn)定后，計(jì)算機(jī)通過“P10”采集燃油泵進(jìn)口壓力，通過“P1”采集燃油泵出口壓力，通過“Q1”或“Q2”或“Q3”采集燃油泵出口流量，通過“H1”采集所需的燃油泵工作液位，通過“T1”采集所需的燃油介質(zhì)溫度，并將數(shù)據(jù)自動(dòng)保存。

模擬被測燃油泵工作的環(huán)境高度時(shí)，啟動(dòng)真空泵“4”，將真空穩(wěn)壓罐“3”內(nèi)壓力抽至最大真空度值，然后在測控系統(tǒng)計(jì)算機(jī)軟件界面上輸入需要的主油箱氣壓值，打開抽氣閥F3、F4，并在控制軟件的指令下調(diào)節(jié)真空路電動(dòng)調(diào)節(jié)閥“SF4”用于抽氣、“SF5”開度用于進(jìn)氣，逐步將主油箱氣壓值調(diào)節(jié)至所需真空度。

模擬被測燃油泵工作的燃油溫度時(shí)，如需升溫，打開電加熱器“12”，將導(dǎo)熱油加熱至約200℃后，啟動(dòng)熱油泵“14”，打開熱交換電磁閥“DF4”，導(dǎo)熱油和試驗(yàn)介質(zhì)通過熱交換器“17”進(jìn)行熱交換，促使航空煤油溫度升高，并由測控系統(tǒng)計(jì)算機(jī)監(jiān)控主油箱溫度和熱油溫度，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉“14”并打開熱交換旁路電磁閥“DF6”（用于減少熱慣性的影響）,完成介質(zhì)加熱。如需降溫，啟動(dòng)冷卻設(shè)備“13”，將冷卻水強(qiáng)制冷卻至約14～18℃后，啟動(dòng)冷水泵“15”，打開熱交換電磁閥“DF5”，使冷卻水和試驗(yàn)介質(zhì)通過熱交換器“18”進(jìn)行熱交換，促使介質(zhì)溫度降低，并由測控系統(tǒng)計(jì)算機(jī)監(jiān)控主油箱溫度，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉“15”并打開熱交換旁路電磁閥“DF7”（同樣用于減少熱慣性的影響）,完成介質(zhì)降溫。

對(duì)燃油介質(zhì)進(jìn)行溫控過程中，為維持主油箱內(nèi)燃油介質(zhì)溫度，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，選擇交替進(jìn)行以上熱循環(huán)和冷循環(huán)過程，以維持溫度控制。

測試工作結(jié)束，關(guān)閉各動(dòng)力源，打開抽油泵“6”，將主油箱“1”內(nèi)燃油抽至副油箱“2”內(nèi)存儲(chǔ)，待主油箱卸壓后，拆卸被測燃油泵，恢復(fù)到工作前狀態(tài)。

2 主要參數(shù)設(shè)計(jì)及核算

2.1 主、副油箱及其附件

主油箱“1”為304 不銹鋼材質(zhì)，結(jié)構(gòu)形式為圓桶形，容積500L，內(nèi)底部設(shè)有網(wǎng)孔式隔板，將吸油、回油隔離成不同區(qū)域，油箱設(shè)有安裝被測燃油泵、抽真空、清洗、加油、回油等管路接口，設(shè)計(jì)耐壓-95～+100kPa（表壓），耐溫100℃。被測燃油泵的相對(duì)安裝位置設(shè)計(jì)成距油箱底部400mm。副油箱“2”無用于安裝被測燃油泵接口，其他與主油箱相似。主、副油箱按GB150壓力容器制造和試驗(yàn)。

為測量被測燃油泵、燃油的工作參數(shù)并監(jiān)控安全，油箱上設(shè)計(jì)安裝以下附件：

1）溫度傳感器：測量油箱內(nèi)燃油的實(shí)時(shí)溫度；

2）液位傳感器：測量燃油液位；

3）壓力傳感器：測量油箱內(nèi)壓力、燃油泵進(jìn)出口壓力。

2.2 流量模擬管路系統(tǒng)

2.2.1 系統(tǒng)組成

流量模擬管路系統(tǒng)由若干管路、過濾器、電磁閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、手動(dòng)截至閥、壓力傳感器及流量傳感器等組成。

2.2.2 主要參數(shù)設(shè)計(jì)

1）工作介質(zhì)：RP-3 航空煤油；

2）油路Ⅰ：DN65 無縫鋼管；油路Ⅱ：DN40 無縫鋼管；油路Ⅲ：DN20 無縫鋼管，以上油路均按l=2.64m長度；

3）傳感器Q3：選用某公司LWGY-65A 流量計(jì)，其測量范圍為：10000～60000L/h，測量精度可達(dá)±0.5%F.S（下同）；

4）傳感器Q2：選用某公司LWG-32A 流量計(jì)，測量范圍：2500～16000L/h；

5）傳感器Q1：選用某公司LWGY-15A 流量計(jì)，測量范圍：600～4000L/h；

6）油箱壓力傳感器P2：測量范圍-100～500kPa，精度±0.5%F.S；

7）燃油泵進(jìn)口和出口傳感器P10、P1：測量范圍均為-100～500kPa，測量精度均為±0.5%F.S；

8）伺服調(diào)節(jié)閥SF3：選用某公司ZDLP-16P-B DN65 調(diào)節(jié)閥，輸入輸出4～20mA 信號(hào)；

9）伺服調(diào)節(jié)閥SF2：選用某公司ZDLP-16P-B DN40 調(diào)節(jié)閥，輸入輸出4～20mA 信號(hào)；

10）伺服調(diào)節(jié)閥SF1：選用某公司ZDLP-16P-B DN20 調(diào)節(jié)閥，輸入輸出4～20mA 信號(hào)。

2.2.3 主要技術(shù)參數(shù)核算

按油路Ⅰ的管路即長度l=2.64mm，DN65 無縫鋼管，最大技術(shù)指標(biāo)要求的通流量56000L/h 來核算該油路的水頭損失[1]。

首先判斷流動(dòng)狀態(tài)以便確定沿程阻力系數(shù)λ。

雷諾數(shù)Re：

其中，d:管路通徑（mm），此處按65mm；

v：運(yùn)動(dòng)粘度（m2/s），按20℃時(shí)航空煤油運(yùn)動(dòng)粘度8×10-6m2/s；

q：管路流量（m3/h），按最大流量。

局部阻力損失計(jì)算按檢測試驗(yàn)臺(tái)研制圖紙，其中：90 度彎管（阻力系數(shù)ζ=0.158）共2 件，電磁閥、調(diào)節(jié)閥（按90%開度，阻力系數(shù)ζ=4.0）共2 件。計(jì)算得局部阻力的當(dāng)量管長為：

所以管路總阻力長度L：

由以上結(jié)果，計(jì)算得到管路和閥門的水頭損失ΣΔPf：

高度差引起的阻力損失此處不計(jì)，流量計(jì)阻力損失按LWGY-65A 的型號(hào)樣本可得最大為25 kPa，即2.5m，故整個(gè)水頭損失:hf=10.6+2.5=13.1m。

綜上所述，估算出油路Ⅰ通流量56000L/h 的設(shè)備管路最大水力損失13.1m，即131kPa。

同理，按上述計(jì)算方法，可估得油路Ⅱ和Ⅲ中管路（分別對(duì)應(yīng)流量16000L/h 和4000L/h）的最大水力損失值，此處不贅述。

通過對(duì)以上試驗(yàn)臺(tái)各管路流阻損失（水力特性）的計(jì)算分析，結(jié)合具體的某個(gè)待測燃油泵出廠設(shè)計(jì)性能曲線，可預(yù)先判斷該通用試驗(yàn)臺(tái)對(duì)該待測燃油泵進(jìn)行性能檢測的范圍。

2.3 高度模擬系統(tǒng)

采用水環(huán)式真空泵作為抽氣源，選用某型真空泵2BE1 101，其極限抽真空度參數(shù)為：-97 kPa，抽吸量2.1m3/min。

高度模擬過程中，在測控系統(tǒng)的控制下電動(dòng)調(diào)節(jié)閥“SF4”調(diào)節(jié)抽氣，“SF5”調(diào)節(jié)補(bǔ)氣，兩者采用差動(dòng)式PID 調(diào)節(jié)方式，使主、副油箱達(dá)到所需的高度值。

2.4 溫度模擬系統(tǒng)

分為加熱回路和冷卻回路。以下在不考慮通過油箱、管路等散熱的條件下，對(duì)加熱回路上的熱交換器參數(shù)進(jìn)行初步計(jì)算，冷卻回路的計(jì)算過程與之相同。另對(duì)電加熱器參數(shù)進(jìn)行相關(guān)初步計(jì)算。

1）加熱回路中熱交換器“17”參數(shù)估算

按主油箱“1”內(nèi)可容納的燃油重量380kg（對(duì)應(yīng)500L 容積滿油狀態(tài)），副油箱“2”內(nèi)燃油重量120kg（備用燃油重量），總共500 kg 燃油計(jì)，從初始溫度30℃加熱至100℃，其需要吸收的熱量：

其中，Q燃油:燃油吸收的熱量（J）；

C燃油: 燃油的比熱容（J/kg·℃），燃油為2140J/kg·℃；

m：燃油重量（kg）,500kg；

Δt：完成升溫前后溫度差（℃）。

換算為千卡（kcal）熱量單位為：

燃油升溫速度按10min 設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，其吸收亦即交換的熱量功率需要17893×6=107358kcal/h，即換熱功率P換熱的瓦特（W）數(shù)為：

另，此處熱交換泵“5”和熱油泵“14”均選用某公司的KGR65-50 型油泵。該泵流量46m3/h，揚(yáng)程28.7m，功率7.5 kW。并且使用的熱介質(zhì)為長城牌LQC-350 型導(dǎo)熱油，該導(dǎo)熱油密度ρ熱介質(zhì)=880kg/m3，導(dǎo)熱油比熱容為C熱介質(zhì)=2880J/kg℃=2.88kJ/kg℃。在開始進(jìn)行熱交換前，預(yù)先通過電加熱器將這些導(dǎo)熱油加熱至200℃。

根據(jù)熱負(fù)荷公式[2]：

其中，P換熱：換熱功率（W)；

qv1:導(dǎo)熱油流量（m3/h），此處46m3/h；

qv2:燃油流量（m3/h），此處46m3/h；

C熱介質(zhì)：熱介質(zhì)比熱容（kJ/kg·℃）；

ρ燃油：775kg/m3；

ρ熱介質(zhì)：880kg/m3；

T1：換熱器進(jìn)口導(dǎo)熱油溫度(℃)，此處按預(yù)先將導(dǎo)熱油加熱至200℃；

T2：換熱器出口導(dǎo)熱油溫度(℃)；

t1：換熱器進(jìn)口燃油溫度(℃)，此處按設(shè)計(jì)要求中的最低加熱溫度30℃；

t2：換熱器出口燃油溫度(℃)

同理，亦可得換熱器出口燃油介質(zhì)溫度：

由以上計(jì)算可得平均溫差：

由以上計(jì)算，可按換熱面積公式得出熱交換器散熱器面積F 為

u:污垢系數(shù)，按1.18；K:總傳熱系數(shù)（W/m℃）,按200。

選擇某型板式熱交換器BR 0.15，其規(guī)格為散熱面積5m2。

2）電加熱器“12”參數(shù)估算

電加熱器給導(dǎo)熱油加熱，重量按300 kg，使其從常溫20℃加熱至200℃。導(dǎo)熱油需要吸收的熱量Q熱介質(zhì)：

其中，Q熱介質(zhì):導(dǎo)熱油吸收的熱量（J）；

C熱介質(zhì):導(dǎo)熱油比熱容（J/kg·℃），此處為2.88kJ/kg℃；

m熱介質(zhì)：導(dǎo)熱油重量（kg）,300kg；

Δt熱介質(zhì)：完成升溫前后溫度差，（℃）。

即43.2kW·h。選用2 根40 kW 不銹鋼鎧裝加熱器對(duì)導(dǎo)熱油進(jìn)行加熱，32.4min 可加熱完畢，考慮到熱損耗，預(yù)計(jì)可在1h 內(nèi)完成對(duì)導(dǎo)熱油由常溫加熱至工作溫度200℃。

2.5 液位高度控制系統(tǒng)

設(shè)計(jì)的液位高度控制系統(tǒng)集成了對(duì)主油箱內(nèi)液位高度控制，主、副油箱內(nèi)燃油轉(zhuǎn)輸，余油收集三部分功能。

其中抽油泵“6”按照輸油流量3600～36000L/h 的要求，選擇,某公司CYZ 自吸輸油泵80CYZ-A-32，其輸出流量最大至50000L/h，揚(yáng)程32m，功率7.5kW。

2.6 測控系統(tǒng)、電氣及監(jiān)控系統(tǒng)

2.6.1 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)用于地面工作模擬試驗(yàn)參數(shù)的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)加油、輸油、液位、溫度、高度等參數(shù)的跟蹤控制，同時(shí)對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)場參數(shù)及工作狀況的采集、分析判斷并實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警和處理，以確保試驗(yàn)系統(tǒng)的安全。

設(shè)計(jì)以基于PC 總線技術(shù)，數(shù)字式控制模塊為基礎(chǔ)來組建，主要由工控計(jì)算機(jī)、模擬量輸入輸出卡、開關(guān)量輸入輸出卡、光隔離輸入卡、繼電器輸出卡、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電源等組成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖見圖2。

圖2 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2.6.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，完整地記錄試驗(yàn)過程中的全部數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及數(shù)據(jù)處理。采集參數(shù)：壓力、流量、液位、溫度等。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、A/D 板卡、信號(hào)調(diào)理電路、測量傳感器以及軟件等組成。系統(tǒng)組成原理框圖如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成原理框圖

2.6.3 電氣及監(jiān)控系統(tǒng)

采集和監(jiān)控各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的參數(shù)及狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警和處理，確保綜合試驗(yàn)臺(tái)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)安全和工作過程中試驗(yàn)油箱內(nèi)的壓力、溫度在安全范圍內(nèi)。其主要功能為：

1）實(shí)時(shí)對(duì)油箱超壓、超溫、液位超高等關(guān)鍵點(diǎn)信號(hào)實(shí)時(shí)顯示、記錄并對(duì)其超差報(bào)警并處理；

2）通過某些現(xiàn)場機(jī)構(gòu)（例如：電磁閥、油濾）具有工作狀況觸點(diǎn)、堵塞引起的壓差信號(hào)，可判斷現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作狀況。

3 安全及質(zhì)量保證措施綜述

為保證試驗(yàn)現(xiàn)場工作及設(shè)備運(yùn)行安全，試驗(yàn)臺(tái)設(shè)置現(xiàn)場應(yīng)急裝置。一旦報(bào)警信號(hào)發(fā)出，現(xiàn)場執(zhí)行多重保護(hù)動(dòng)作，包括：電磁閥關(guān)閉，動(dòng)力源停機(jī)，斷電自動(dòng)停機(jī)等。

為滿足試驗(yàn)設(shè)備的使用精度需求，嚴(yán)格按相應(yīng)的設(shè)計(jì)精度采購各類儀器儀表、板卡和傳感器，并完成系統(tǒng)級(jí)信號(hào)采集精度的標(biāo)定。

4 結(jié)語

在已經(jīng)完成的多個(gè)被測燃油泵的性能檢測試驗(yàn)中，該試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)用結(jié)果表明，在其設(shè)計(jì)指標(biāo)范圍內(nèi)，能夠滿足各燃油泵性能檢測的需要。