試車臺燃油供應系統關鍵技術研究及應用

摘要：試車臺是航空發動機型號研制階段最重要的試驗設備之一，其燃油供應系統負責給發動機供應清潔、連續和壓力可控的燃油，在發動機試驗研究過程中扮演關鍵角色?，F對試車臺燃油供應系統的燃油流量測量、壓力調節、清潔度控制等關鍵技術進行了分析和研究，介紹了各種關鍵技術在典型試車臺燃油供應系統設計中的工程應用。

關鍵詞：試車臺燃油供應系統;流量測量;壓力調節;清潔度控制

0 引言

航空發動機具有高技術、高投入和高風險的特點，其研制工作是從設計、制造、試驗、修改再到制造、試驗的全過程，為了保證發動機及其系統能可靠工作，要求研制階段發動機整機試驗達上萬小時[1]。試車臺可供航空發動機在地面、模擬高空等條件下進行整機試驗，是發動機型號研制階段最重要的試驗設備之一，其主要由進氣塔、整流室、引射筒和排氣塔等試驗設備以及進氣系統、安裝系統、燃油供應系統、啟動供氣系統等工藝系統組成，其中燃油供應系統負責給發動機供應清潔、連續、壓力可控的燃油，是試車臺中最關鍵的工藝系統。

燃油供應系統在給發動機供應燃油的同時，還具有燃油計量、過濾、除水、放氣等功能，系統運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，其關鍵技術包括燃油流量測量、壓力調節、清潔度控制等。

本文對燃油供應系統的關鍵技術進行了分析和研究，以一種典型的試車臺燃油供應系統設計為例，探討了各種關鍵技術在試車臺燃油供應系統設計中的工程應用。

1 燃油流量測量

在航空發動機整機試驗過程中，燃油流量是評定發動機性能的重要指標，一般在發動機燃油控制系統和試車臺燃油供應系統中同時進行燃油流量測量，以進行對比分析。由于整機試驗時燃油流量測量存在測量范圍大、動態響應要求快、測量精度要求高等特點，目前普遍采用渦輪流量計和科里奧利質量流量計進行燃油流量測量[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，其測量原理為置于流體中的葉輪旋轉角速度與流體流速成正比，通過測得葉輪的旋轉角速度可得到流體的流速，從而得到流體的流量值。在發動機試驗時，影響渦輪流量計測量精度的因素有安裝狀態、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出口各安裝一段與流量計等內徑的平直管道，一般要求進口直管長度為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，以實時測量燃油密度，通過計算獲得燃油質量流量。由于渦輪流量計的現場使用狀態和實驗室校準狀態不完全一致，存在一定的系統誤差，為了消除這種系統誤差，通常采取的辦法是進行渦輪流量計現場校準，即用稱重法計量一定時間內燃油供應系統放出的質量流量和對應時間內渦輪流量計測量得到的質量流量，多次重復測量后可得到使用狀態下渦輪流量計的校驗系數。

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

1.2? ? 科里奧利質量流量計

科里奧利質量流量計是一種可以直接測量燃油質量流量的儀表，通過測量流體在振動管道中流動產生的科里奧利力與質量流量成正比的工作原理實現。影響科里奧利質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、零點漂移等。發動機試驗結果表明，穩態時科里奧利質量流量計的穩定性高于渦輪流量計，但過渡態時其反應明顯滯后，因此一般在發動機穩態時使用科里奧利質量流量計的測量結果作為發動機燃油消耗量的評定指標，而發動機的啟動、加減速等過渡態監控則采用渦輪流量計的測量結果。

2 燃油壓力調節

試驗過程中，當發動機狀態變化導致所需燃油流量快速變化時，燃油泵入口壓力會出現大幅度波動，因此有必要在試車臺燃油供應系統中增加供油壓力調節功能。常見的壓力調節方法有氣動式調壓、增壓泵調壓和調節閥調壓等[3]。

氣動式調壓的工作原理是通過在系統調壓油箱內燃油上部填充所需壓力的壓縮空氣，燃油經壓縮空氣增壓后輸送到發動機燃油泵入口，改變壓縮空氣的壓力就可以改變燃油泵入口壓力。氣動式調壓的技術難點在于調壓油箱液位與壓縮空氣壓力的復合控制，調壓油箱上需設置液位傳感器監控燃油液位，通過控制調壓油箱供油閥門開度，保證液位在要求的范圍內;同時，調壓油箱上還需設置壓縮空氣調壓裝置，通過調壓裝置的調節，保證燃油壓力為設定壓力。

增壓泵調壓的工作原理是通過在系統供油管道中設置增壓泵，在設置目標供油壓力后，系統將供油管路當前壓力測量值與目標壓力值進行比較，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換成增壓泵電機輸出頻率，通過改變增壓泵轉速從而改變系統供油壓力，直至供油壓力達到目標壓力。

調節閥調壓的工作原理是通過在系統供油管道中設置壓力調節閥，在設置目標供油壓力后，系統采集供油管路燃油壓力并與目標供油壓力進行比較，如果系統供油壓力波動值超出給定的幅度，PID調節器迅速給出調整壓力調節閥開度的執行指令，使供油壓力恢復到設定壓力范圍。調節閥調壓的技術難點在于PID控制參數的整定，需要通過現場調試以設置合適的PID控制參數，使得系統供油壓力和流量滿足發動機狀態變化的要求。

3 燃油清潔度控制

燃油控制系統是發動機的核心組成部分，具有結構復雜、精密配合件數量多等特點，對使用的燃油清潔度要求較高，一般需達到《航空工作液固體污染度分級》（GJB 420B—2006）的7級標準。燃油污染是發動機燃油控制系統發生故障的主要原因，污染顆粒隨燃油進入燃油調節器，會造成零件加速磨損、節流元件堵塞、活門卡死等故障;燃油中的游離水會引發氧化腐蝕，還會與燃油中的添加劑等成分發生化學反應產生膠狀物質，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系統的設計和使用維護過程中進行燃油清潔度控制。

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

圖1所示為一個典型的試車臺燃油供應系統，該系統采用先進的模塊化設計，主要分為應急供油模塊、燃油計量模塊、發動機側儀表組件三大部分，整個系統在制造工廠完成預調試驗收后，以撬裝體形式運抵試車臺，臺架現場用不銹鋼管道連接各個撬裝體后即可進行系統的整體吹掃、打壓、沖洗和調試驗收工作。

（1）燃油流量測量方面。該系統在燃油計量模塊上串聯安裝了兩個雙轉子渦輪流量計，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安裝了一個科里奧利質量流量計以實時測量燃油密度，發動機消耗的燃油質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）燃油壓力調節方面。該系統在燃油計量模塊上并聯安裝了兩個氣動式壓力調節閥，在設備控制界面設置發動機燃油泵入口壓力后，壓力調節閥接收PID控制器給出的開度指令后進行工作，實時對系統供油壓力和流量進行調節。（3）燃油清潔度控制方面。該系統在各個模塊完成連接后，用清潔的燃油進行沖洗并取樣檢查。另外，系統在氣動式壓力調節閥前并聯安裝了3個過濾精度為5 μm的吸收式油濾，在油濾后設計了燃油取樣口，同時在發動機側儀表組件上安裝了一道100目的網孔過濾器，以實現在系統運行過程中對燃油的過濾和除水等功能。

5 結語

在某典型試車臺燃油供應系統中應用燃油流量測量、壓力調節和清潔度控制等關鍵技術，實現了給發動機供應清潔、連續和壓力可控的燃油的目標，該系統具有較高的可靠性、可控性和穩定性，有力地保障了發動機科研試驗的順利開展。由于試車臺燃油供應系統在發動機試驗研究過程中扮演關鍵角色，因此在系統設計過程中，應根據具體的要求進行計算分析，選取合適的燃油流量測量、壓力調節和清潔度控制方案，以支撐發動機開展試驗研究。

[參考文獻]

[1] 吳大觀.航空發動機研制工作論文集[M].北京：航空工業出版社，2009.

[2] 張志宏，袁世輝，王敏.小型發動機高空模擬試驗燃油流量測量研究[C]//2010年航空試驗測試技術峰會論文集，2010：98-102.

[3] 董建威.航空發動機試車臺燃油控制系統的研究[D].阜新：遼寧工程技術大學，2015.

收稿日期：2020-12-10

作者簡介：李富亮（1982—），男，江西吉安人，工學碩士，研究方向：航空發動機核心機試驗技術、試車臺建設。