PT-16燃油調(diào)節(jié)器綜合性能試驗臺設計與實現(xiàn)

顧菊芬，許衛(wèi)洪，曹應明

(1.無錫商業(yè)職業(yè)技術學院物聯(lián)網(wǎng)學院，江蘇無錫214153；2.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術學院無錫交通分院，江蘇無錫214151)

1 引言

PT-16燃油調(diào)節(jié)器是某型航空發(fā)動機主燃油系統(tǒng)的核心部件，負責發(fā)動機起動、加速、減速等各種工作狀態(tài)下穩(wěn)定工作所需燃油的供給和調(diào)節(jié)，其精度、準度及響應時間直接影響發(fā)動機性能，進而影響飛機飛行的安全性和穩(wěn)定性[1-3]。燃油調(diào)節(jié)器的性能，必須在出廠前通過臺架試車檢驗。國內(nèi)原有試驗臺采用手動方式調(diào)節(jié)燃油流量、壓力，手動記錄過程數(shù)據(jù)，對試驗人員要求高，且檢測效率低、可靠性差。因此，為充分檢驗燃油調(diào)節(jié)器性能，適應新形勢下對燃油調(diào)節(jié)器越來越高的技術要求，提高檢測效率，本課題組參與設計、制造了一套PT-16燃油調(diào)節(jié)器綜合性能試驗臺。該試驗臺要求能模擬發(fā)動機運行過程中燃油調(diào)節(jié)器的實際工作流程，并記錄過程數(shù)據(jù)。

2 試驗臺設計要求

要求對PT-16燃油調(diào)節(jié)器最小壓力活門開啟壓力、壓差、轉(zhuǎn)速、供油量、供油特性、漏油量及密封性能進行檢查記錄，為出廠驗收提供依據(jù)。根據(jù)廠方技術協(xié)議書的要求和國家有關規(guī)定，本試驗臺：①滿足燃油調(diào)節(jié)器的按“PT-16燃油調(diào)節(jié)器技術條件”進行生產(chǎn)驗收試驗的各項要求，并提供該調(diào)節(jié)器在飛行包線范圍內(nèi)發(fā)動機穩(wěn)定工作狀態(tài)時的相似邊界條件；②高壓燃油泵RZB-1和PT-16的轉(zhuǎn)速、扭矩和動態(tài)響應特性，滿足技術條件中規(guī)定的試驗要求，滿足發(fā)動機起動、加速、穩(wěn)定工作、制動狀態(tài)的性能要求；③監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)控試驗全過程，能夠自動進行報警顯示、參數(shù)設置、數(shù)據(jù)歸檔及打印等功能，響應時間符合相關技術要求；④設備設計符合國家有關消防、技安、環(huán)保等的規(guī)定，方便設備檢查、維護及檢修。

3 燃油調(diào)節(jié)器試驗臺總體方案設計

PT-16燃油調(diào)節(jié)器綜合性能試驗臺，由空氣系統(tǒng)(包括正壓空氣系統(tǒng)和負壓空氣系統(tǒng)即真空系統(tǒng)兩大部分)、燃油供給系統(tǒng)、機械傳動系統(tǒng)、電氣傳動系統(tǒng)、動力配電系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)以及操縱臺本體等組成，其總體方案框圖如圖1所示。整個設計過程一直遵循先進、安全、經(jīng)濟、適用的原則，根據(jù)試驗車間布局將試驗裝置布置在三個房間內(nèi)，分別為電氣間、燃油間和操作間。為確保試驗安全，將電氣間與燃油間隔離，燃油間還設計有相應的防爆設施。除試驗器電氣間、燃油間內(nèi)的部件外，其他系統(tǒng)及部件都安裝在操作間的操作臺內(nèi)部或面板上。

3.1 試驗臺燃油供給系統(tǒng)設計

燃油供給系統(tǒng)按試驗件的技術要求，向燃油調(diào)節(jié)器提供一定壓力、溫度和足夠流量的潔凈燃油，滿足燃油調(diào)節(jié)器全部工作范圍對燃油流量、壓力及燃油溫度的需求[3-4]。燃油供給系統(tǒng)工作流程為：油箱中的燃油由低壓泵(增壓油泵)抽吸增壓后，向主燃油泵(高壓泵)RZB-1提供燃油流量不小于10 000 L/h、壓力0.4～0.9 MPa的低壓燃油。RZB-1輸出的高壓油流向PT-16試驗件的進口，經(jīng)PT-16計量后的燃油經(jīng)過主油路當量噴嘴、副油路當量噴嘴后流回油箱。為確保燃油壓力符合試驗要求，在調(diào)節(jié)器燃油進口前增加了手動微調(diào)旋鈕，在特殊情況下可以對壓力進行人工干預。系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

低壓泵與RZB-1之間設置有三級浮子流量計以及換熱器、粗油濾、細油濾等。浮子流量計分段對燃油流量進行計量，同時在主、副油路上設置渦輪流量計(與浮子流量計串接)，分別對主油路、副油路的流量進行計量。系統(tǒng)中還裝有壓力表和熱電偶等傳感器，用于SCADA系統(tǒng)對試驗臺進行測量、監(jiān)控和管理。

3.2 試驗臺電氣系統(tǒng)設計

試驗臺電氣系統(tǒng)包括動力配電系統(tǒng)和電氣傳動系統(tǒng)兩大部分。動力配電系統(tǒng)向試驗設備提供不同電壓(三相交流380 V，單相交流220 V，36 V，115 V/400 Hz等)不同容量的電源，包括動力配電箱、變頻電源、UPS電源、儀表電源、照明電源、安全燈電源等。動力配電箱采用標準配電箱，進線電壓三相交流380 V，總功率150 kW，提供電壓、電流顯示。單相交流220 V由三相交流380 V線電壓提供，供給儀表電源、照明電源、安全燈電源。變頻電源采用軍用系列單相變頻電源，兩路輸出，分別滿足0～36 V/400 Hz、115 V/400 Hz的電源，輸出容量為500 VA，400 Hz固定頻率，可變范圍為350～450 Hz。

電氣傳動系統(tǒng)選用西門子6SE70VC矢量控制變頻器、1PH7系列主軸電動機、S7-300PLC、制動單元和OP操作面板等組成，系統(tǒng)框圖如圖3所示。兩臺交流變頻電動機由各自的變頻器驅(qū)動，分別通過傳動裝置轉(zhuǎn)接后驅(qū)動RZB-1和PT-16的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器運轉(zhuǎn)。電動機的轉(zhuǎn)速可通過手動調(diào)節(jié)兩個獨立的旋鈕來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速分別給定和調(diào)整，也可手動調(diào)節(jié)另外一個旋鈕實現(xiàn)同時給定和調(diào)整兩臺電動機的轉(zhuǎn)速，并使這兩臺電動機隨時保持恒定的速比關系協(xié)同工作。這種恒定速比關系可以預先設置成以RZB-1的轉(zhuǎn)速為基準，使之與PT-16的轉(zhuǎn)速比始終保持1:1.434，反之亦然；系統(tǒng)還可選擇通過OP操作面板進行人機對話，以數(shù)字方式給定電動機轉(zhuǎn)速，并自動、精確地調(diào)整到給定值。

西門子6SE70VC矢量控制變頻器驅(qū)動電動機的設計，省去了齒輪箱及與之配套的潤滑系統(tǒng)，通過對變頻器參數(shù)設定既可以自由地分別進行轉(zhuǎn)速調(diào)整，也可以保持一定的轉(zhuǎn)速關系，且轉(zhuǎn)速比誤差不超過1%；此外，電氣傳動系統(tǒng)與RZB-1分開放置，將高壓燃油泵安裝在操縱臺外的獨立隔聲間里，達到與操作臺隔振、隔聲的要求。

3.3 試驗臺SCADA系統(tǒng)設計

遵循安全、高效的設計原則，SCADA系統(tǒng)采用雙層網(wǎng)絡結構，結構框圖如圖4所示。系統(tǒng)選用西門子315-2 PN/DP型PLC作為核心控制器，CPU通過PROFIBUS現(xiàn)場總線與RZB-1電動機變頻器、PT-16電動機變頻器、操作臺遠程IO站ET200以及輔助系統(tǒng)遠程IO站ET200M遠程從站實現(xiàn)網(wǎng)絡通訊，對試驗全過程壓力、壓差、轉(zhuǎn)速、供油量、漏油量等數(shù)據(jù)進行采集，并控制各類泵、電機、閥門等試驗設備實現(xiàn)控制要求。試驗臺中控室配備兩臺工業(yè)控制計算機作為操作員站(其中一臺兼工程師站)，裝有WINCC監(jiān)控軟件的操作員站通過工業(yè)以太網(wǎng)與PLC進行通訊，實現(xiàn)試驗過程的實時監(jiān)控，完成界面操作、參數(shù)設置、數(shù)據(jù)歸檔、報警顯示和報表打印等功能[2，5-8]。為提高系統(tǒng)安全性，所有重要部件(如PLC、操作員站)均配置UPS不間斷電源。

3.4 其他系統(tǒng)設計

其他系統(tǒng)設計主要包括機械傳動、正壓空氣和負壓空氣等系統(tǒng)的設計。機械傳動系統(tǒng)由PT-16傳動單元體和RZB-1傳動單元體組成，選用西門子1PH7系列主軸電動機通過機械傳動裝置直接驅(qū)動RZB-1和PT-16試驗件。電動機的調(diào)速范圍和控制精度覆蓋PT-16技術條件中規(guī)定的試驗轉(zhuǎn)速要求，完全滿足試驗臺的技術要求。正壓空氣系統(tǒng)主要由空氣壓縮機、除塵和除油過濾器、空氣減壓閥、空氣調(diào)壓閥、針閥等組成。系統(tǒng)選用英格索蘭C29MX3無油離心壓縮機向試驗件提供標準狀態(tài)下流量不小于2.14 m3/min、出口壓力不小于3.447 MPa的潔凈空氣，將增壓后的空氣送入儲氣罐，儲氣罐中的高壓氣體經(jīng)過濾、減壓或調(diào)壓后送入PT-16的P3口、再調(diào)口和P2口。負壓空氣系統(tǒng)由真空泵、油氣水分離器、空氣調(diào)壓閥、針閥等組成，主要負責對試驗件特定接口抽真空。負壓空氣系統(tǒng)將空氣分二路抽出，一路直接經(jīng)并聯(lián)的截止閥和針形調(diào)壓閥將P2口內(nèi)的空氣抽出，另一路將漏氣口的空氣經(jīng)油水分離器抽出同時用浮子流量計計量空氣流量。

4 試驗臺性能驗證

根據(jù)PT-16技術規(guī)范要求，燃油調(diào)節(jié)器的性能試驗主要包括以下內(nèi)容：油門開關位于0°位置時通電檢查油門開關前后壓力變化，出口處應無燃油滲出；最小壓力活門開啟壓力的調(diào)整；定壓差的調(diào)整；最大供油量的調(diào)整；狀態(tài)供油量的調(diào)整；起動供油特性的獲取；檢查液壓執(zhí)行機構共有特性的非重復性；漏油量檢查；密封性檢查等。

在PT-16燃油調(diào)節(jié)器綜合性能試驗臺上對PT-16進行的性能試驗表明，該試驗臺能夠高效地對PT-16進行密封試驗和性能試驗，試驗過程電氣系統(tǒng)運轉(zhuǎn)良好，監(jiān)控系統(tǒng)能夠監(jiān)控試驗全過程，自動進行報警顯示、參數(shù)設置、數(shù)據(jù)歸檔及打印等功能。圖5示出了SCADA系統(tǒng)采集的燃油調(diào)節(jié)器在起動、加速、高速運行、減速、怠速運轉(zhuǎn)全過程的燃油流量變換曲線。

5 結束語

該燃油調(diào)節(jié)器綜合性能試驗臺采用了先進、成熟的成附件產(chǎn)品，實現(xiàn)了發(fā)動機運行過程中燃油調(diào)節(jié)器工作流程的仿真。能完成燃油系統(tǒng)高壓密封性檢查、正/負壓空氣系統(tǒng)密封性檢查、海平面不修整狀態(tài)下調(diào)整點檢查、冷卻油流量檢查、地面慢車供油量檢查、起動供油量檢查、高空慢車流量檢查、單點加速/減速流量測定等所有設計要求的試驗內(nèi)容。試驗臺SCADA系統(tǒng)實現(xiàn)了壓力、壓差、溫度、供油量和漏油量等各種過程參數(shù)的自動采集和記錄，極大地提高了試驗效率并降低了勞動強度。試驗臺投入使用一年來，已完成多臺PT-16燃油調(diào)節(jié)器的性能檢測任務，能方便、準確地檢測出調(diào)節(jié)器的各項性能參數(shù)，為其出廠驗收提供了強有力依據(jù)。

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