發(fā)動(dòng)機(jī)燃油總管組件流量試驗(yàn)平臺(tái)研發(fā)

武 越，王 凱，劉 洋,3，倪 錚，王向朋

(1.陜西空天動(dòng)力研究院有限公司, 西安 710003； 2.西安遠(yuǎn)航真空釬焊技術(shù)有限公司， 西安 710200；3.西北工業(yè)大學(xué) 燃燒、熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場(chǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710072)

1 引言

在近年來高溫升發(fā)動(dòng)機(jī)和低排放發(fā)動(dòng)機(jī)的研制背景下，燃油總管與其噴嘴性能的基礎(chǔ)理論和設(shè)計(jì)技術(shù)受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，取得了突破性的進(jìn)展，然而與之匹配的測(cè)試工藝技術(shù)研究相對(duì)較少。隨著近年來部隊(duì)實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練強(qiáng)度和頻率不斷提升，我國(guó)武器裝備列裝已由過去的“研制定型及小批量建設(shè)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皞鋺?zhàn)能力及放量建設(shè)”，現(xiàn)有試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)與裝備已無法滿足新品試制與批產(chǎn)交付需求激增的現(xiàn)狀。 針對(duì)傳統(tǒng)試驗(yàn)裝置自動(dòng)化程度低、測(cè)量精度差、試驗(yàn)效率低、操作人員要求高等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)研發(fā)了一套專用于某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油總管組件試驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多噴嘴類組件進(jìn)行分布式的高效、高精度測(cè)量，為我國(guó)新時(shí)代軍工裝備體系建設(shè)提供必要支撐。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 總體要求及平臺(tái)組成

圖1為燃油總管組件(被試件)的結(jié)構(gòu)示意圖，在工作過程中，通過相互獨(dú)立的主、副兩路向環(huán)形布置的13個(gè)離心式噴嘴供油，出廠交付前需要分別完成雙油路噴嘴部件特性試驗(yàn)和帶噴嘴的燃油總管組件流量試驗(yàn)，確保其流阻、噴嘴霧化、流量分布特性等指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，具體流量要求滿足表1所示。

圖1 帶噴嘴的燃油總管組件結(jié)構(gòu)示意圖

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)參數(shù)

產(chǎn)品試驗(yàn)前還要求進(jìn)行密封性檢查，即供油壓力=8±0.2 MPa條件下，保持3 min，噴嘴及總管各處均不允許有滲漏現(xiàn)象；進(jìn)行帶噴嘴的燃油總管組件試驗(yàn)時(shí)，需要13個(gè)噴嘴同時(shí)工作，獲得各噴嘴流量的分布情況。

考慮到長(zhǎng)期使用成本，該試驗(yàn)平臺(tái)采用泵壓式供油，通過對(duì)高壓燃油輸送/調(diào)節(jié)系統(tǒng)、分布式重力傳感器稱重單元、氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、智能化測(cè)控軟件等非標(biāo)系統(tǒng)的開發(fā)與集成，實(shí)現(xiàn)對(duì)帶噴嘴的燃油總管組件產(chǎn)品流量特性的可靠測(cè)量，并對(duì)噴出的燃油進(jìn)行收集回收，再經(jīng)過過濾裝置后循環(huán)使用。從試驗(yàn)操作便捷性的角度考慮，本平臺(tái)設(shè)置2個(gè)工位，以便分別進(jìn)行單噴嘴霧化特性試驗(yàn)和燃油總管組件流量(流阻)試驗(yàn)/流量分布試驗(yàn)，見圖2所示。

圖2 試驗(yàn)平臺(tái)原理示意圖

現(xiàn)場(chǎng)傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理或配電器后轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)通過端子板傳遞給A/D板卡，測(cè)量信號(hào)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)化后再經(jīng)過軟件計(jì)算、計(jì)算機(jī)顯示、存儲(chǔ)等工作后轉(zhuǎn)化為測(cè)試結(jié)果。同步開發(fā)了專用的測(cè)控軟件，具備數(shù)據(jù)測(cè)量(壓力、質(zhì)量)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)顯示、系統(tǒng)元件動(dòng)態(tài)控制等功能。

2.2 供油系統(tǒng)

供油系統(tǒng)的主要作用是為試驗(yàn)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的、滿足壓力/流量指標(biāo)要求的高壓燃油。如圖3所示，供油系統(tǒng)主要包含油箱、油泵、防爆變頻電機(jī)、各類閥門、油濾(包括帶污染指示的吸油濾、壓油濾和回油濾)、加熱器、散熱器、溫度傳感器、壓力傳感器、液位計(jì)、液位傳感器等。整個(gè)系統(tǒng)集成于一體，下方設(shè)置底輪及鎖緊裝置。

油箱及管路均采用304不銹鋼材質(zhì)，容積為100 L。可實(shí)現(xiàn)12 MPa的高壓燃油輸出，油泵采用齒輪泵，電機(jī)采用防爆三相異步變頻電機(jī)，由于被試產(chǎn)品在不同工況下流量差異較大，要求試驗(yàn)平臺(tái)能夠有效控制變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速，尤其是油泵小流量輸出時(shí)，盡可能減小電機(jī)高轉(zhuǎn)速帶來的功率損耗。

油濾用于過濾煤油中的雜質(zhì)，通過風(fēng)冷卻方式強(qiáng)制降溫，保證降低因長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行引起的燃油溫升。油箱上安裝有液位計(jì)、壓力傳感器和溫度傳感器，可監(jiān)視內(nèi)部燃油狀態(tài)。系統(tǒng)壓力通過比例溢流閥粗調(diào)與比例減壓閥精調(diào)相配合，最終實(shí)現(xiàn)±0.02 MPa壓力調(diào)節(jié)精度。

燃油系統(tǒng)建壓準(zhǔn)備過程：設(shè)備上電，啟動(dòng)防爆變頻電機(jī)，齒輪泵工作；燃油從油箱被吸出后，經(jīng)吸油濾、油泵、壓油濾、單向閥、比例減壓閥輸出；當(dāng)系統(tǒng)壓力穩(wěn)定后，高壓燃油即可向試驗(yàn)工位輸出。

關(guān)閉過程：關(guān)閉電機(jī)，齒輪泵停止工作。

通過測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電機(jī)、泵、閥、加熱器的控制調(diào)節(jié)，并對(duì)液位傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、油濾報(bào)警信號(hào)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)和采集。

1-加熱器;2-放油閥;3-球閥;4-蓄能器;5-壓力傳感器;6-針閥;7-壓力表;8-比例減壓閥;9-比例溢流閥;10-吸油濾;11-防爆變頻電機(jī);12-齒輪泵;13-單向閥及壓油濾;14-散熱器;15-溫度傳感器;16-壓力傳感器;17-注油口;18-液位計(jì);19放油閥;20-回油濾

2.3 雙油路噴嘴部件試驗(yàn)工位

雙油路噴嘴部件試驗(yàn)工位主要承擔(dān)噴嘴密封性檢查試驗(yàn)、霧化檢查試驗(yàn)、以及噴嘴性能檢查試驗(yàn)。系統(tǒng)主要包括供介防爆電磁閥和具備封閉、觀察、導(dǎo)流功能的試驗(yàn)箱。圖4為爽油路噴嘴部件試驗(yàn)工位原理圖。

圖4 雙油路噴嘴部件試驗(yàn)工位原理圖

由于該工位需覆蓋的流量范圍寬，需并聯(lián)安裝兩臺(tái)流量計(jì)切換配合使用，上游接供油系統(tǒng)，隨后接3個(gè)手動(dòng)截止閥分三路供應(yīng)。噴嘴密封試驗(yàn)和沖洗選取BH3油路。噴嘴部件噴霧檢查試驗(yàn)和噴嘴性能檢查試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)具體工況要求的流量參數(shù)，選擇對(duì)應(yīng)流量范圍的供應(yīng)系統(tǒng)。

K1、K2分別供應(yīng)噴嘴部件主/副路供油，在噴嘴入口分別安裝高精度壓力傳感器測(cè)量對(duì)應(yīng)噴前壓力，保證各工況下噴嘴壓降的準(zhǔn)確測(cè)量，可根據(jù)試驗(yàn)內(nèi)容可遠(yuǎn)程操作，電磁閥均為防爆型。

通過平行光源和深色背景板，配合DDC照相系統(tǒng)，分析單噴嘴的霧化情況。試驗(yàn)箱采用厚度1.5 mm的304不銹鋼板制作，雙油路噴嘴部件通過專用工裝安裝固定于試驗(yàn)箱頂部。

在試驗(yàn)箱2個(gè)側(cè)面安裝觀察窗，內(nèi)側(cè)底部設(shè)置304不銹鋼材質(zhì)制作的燃油收集裝置，將試驗(yàn)噴出的燃油順利導(dǎo)出并回收至燃油泵站油箱。

2.4 帶噴嘴的燃油總管組件試驗(yàn)工位

帶噴嘴的燃油總管組件試驗(yàn)工位主要承擔(dān)燃油總管密封性試驗(yàn)及流量調(diào)試試驗(yàn)。主要包括供介防爆電磁閥、噴嘴流量分布測(cè)量機(jī)構(gòu)及回油管路，圖5為帶噴嘴的燃油總管組件試驗(yàn)工位原理圖。

圖5 帶噴嘴的燃油總管組件試驗(yàn)工位原理圖

燃油總管組件噴嘴流量分布測(cè)量是本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)，由于被試噴嘴結(jié)構(gòu)特殊、尺寸較小、單路流量較低，用高精度質(zhì)量流量計(jì)直接測(cè)量成本較高，用普通流量計(jì)或孔板測(cè)量誤差較大，因此實(shí)時(shí)流量測(cè)量的方案并不適用，本方案采用m.t法進(jìn)行燃油總管組件各噴嘴流量測(cè)量，即通過置于收集容器下方的重力傳感器測(cè)量一段時(shí)間Δ內(nèi)容器質(zhì)量的變化Δ，得到流經(jīng)該噴嘴的質(zhì)量流量=ΔΔ。

由專用工裝將燃油總管組件固定可靠，噴嘴出口用膠管連接，由于膠管內(nèi)徑遠(yuǎn)大于噴嘴直徑，因此產(chǎn)生的流阻可忽略不計(jì)，可認(rèn)定噴嘴出口壓力為當(dāng)?shù)卮髿鈮骸?/p>

13個(gè)膠管出口均布固定在作動(dòng)機(jī)構(gòu)上，考慮防爆要求選擇氣動(dòng)推桿，通過導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)前后位移，動(dòng)作時(shí)間不大于0.01 ms，并安裝阻尼裝置緩沖作動(dòng)力。稱重容器放置在輕質(zhì)托盤上，通過13個(gè)分布式重力傳感器單元進(jìn)行稱重。

通過計(jì)時(shí)器對(duì)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，燃油從膠管流出進(jìn)入收集稱重杯，一定時(shí)間后再恢復(fù)初始狀態(tài)，記錄重力傳感器示數(shù)，進(jìn)而換算出時(shí)間段內(nèi)各噴嘴的流量，試驗(yàn)結(jié)束后通過稱重容器底部和泄油槽底部的泄出管路進(jìn)行煤油回收，由防爆電磁閥控制泄出回收路的開閉。

2.5 測(cè)控系統(tǒng)

測(cè)控系統(tǒng)功能是完成試驗(yàn)參數(shù)的測(cè)量和進(jìn)行試驗(yàn)過程的控制。本試驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試的參數(shù)包括燃油泵出口壓力、產(chǎn)品入口壓力、燃油溫度、燃油流量和收集的燃油質(zhì)量以及時(shí)間的精確測(cè)量。需要控制的設(shè)備有油泵、水泵、抽風(fēng)機(jī)的起動(dòng)/停止，供應(yīng)閥門的打開與關(guān)閉，收集容器卸出閥門的打開與關(guān)閉，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的換入/換出控制等。

測(cè)控系統(tǒng)采用采集儀與可編程控制器組合構(gòu)成一體化測(cè)量控制系統(tǒng)，通過以太網(wǎng)和采集控制計(jì)算機(jī)連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效采集，原理圖見圖6，測(cè)控軟件操作界面見圖7。包括采集控制計(jì)算機(jī)、觸摸屏、可編程控制器、采集儀、隔離模塊、測(cè)量傳感器、直流穩(wěn)壓電源等。

圖6 測(cè)控系統(tǒng)原理圖

圖7 測(cè)控軟件操作界面

3 調(diào)試與試驗(yàn)

試驗(yàn)平臺(tái)調(diào)試包括對(duì)分系統(tǒng)器件的單元測(cè)試和全系統(tǒng)綜合測(cè)試，旨在確定閥門、氣動(dòng)推桿等器件運(yùn)行狀態(tài)良好，能夠在設(shè)計(jì)流量、壓力范圍內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，且試驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠被采集儀可靠記錄。其次，再以帶噴嘴的燃油總管組件合格產(chǎn)品作為考臺(tái)件，選擇供油壓差2.5 MPa、主副路同時(shí)供油的典型工況，對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行驗(yàn)證，以確定其是否達(dá)到最初設(shè)計(jì)要求。

圖8為試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物照片，試驗(yàn)前，重力傳感器示數(shù)清零，膠管流出的煤油流入下方的一體化泄油槽中，隨著噴嘴噴前壓力達(dá)到目標(biāo)值，平穩(wěn)一段時(shí)間后，遠(yuǎn)程控制氣動(dòng)推桿將膠管出口平移至稱重杯上方，并開始計(jì)時(shí)，試驗(yàn)約3 min后，恢復(fù)初始狀態(tài),并同時(shí)停止計(jì)時(shí)，待狀態(tài)穩(wěn)定不少于1 min后，記錄重力傳感器示數(shù)記為Δ，計(jì)時(shí)器所記錄時(shí)間記為Δ，從而計(jì)算得出試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)各噴嘴的流量。試后通過稱重容器底部和泄油槽底部的泄出管路及閥門進(jìn)行煤油回收。

圖8 試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)(上)與實(shí)物圖(下)

試驗(yàn)過程中，由專用工裝將噴嘴部件或燃油總管組件可靠安裝于試驗(yàn)箱內(nèi)，啟動(dòng)燃油泵，并通過控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)泵后壓力至所設(shè)定參數(shù)，泵站運(yùn)行穩(wěn)定后，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，打開相應(yīng)電磁閥進(jìn)行雙油路噴嘴部件試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后，依次關(guān)閉燃油泵及相關(guān)閥門，停止數(shù)據(jù)采集，試驗(yàn)過程中噴出的燃油經(jīng)試驗(yàn)箱內(nèi)底部燃油回收裝置收集至泵站油箱。

通過后續(xù)調(diào)試，燃油泵供應(yīng)壓力范圍為達(dá)到0.04～12 MPa，壓力精度滿足±0.02 MPa的設(shè)計(jì)指標(biāo)，系統(tǒng)供油流量范圍為0～15 L/min，覆蓋了大多數(shù)型號(hào)主燃燒室燃油總管的流量試驗(yàn)工況范圍。

圖9 多噴嘴流量分布特性試驗(yàn)結(jié)果示意圖

表2 不同噴注壓力下試驗(yàn)件的質(zhì)量流量

圖10 流量的平方與噴注壓力的關(guān)系曲線

4 系統(tǒng)不確定度分析

下面對(duì)帶噴嘴的燃油總管組件試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行不確定度預(yù)評(píng)估。由于噴嘴流量=ΔΔ。因此，影響流量測(cè)量不確定度的分量主要有質(zhì)量和時(shí)間。

1)質(zhì)量引入的不確定度

方案中所選重力傳感器不確定度為0.25%，量程2.5 kg，試驗(yàn)結(jié)束后稱重容器及介質(zhì)總重估算1.5 kg。因此，稱重容器數(shù)據(jù)不確定度為：

2) 時(shí)間引入的不確定度

本方案中所選計(jì)時(shí)器分辨力1 ms，均勻分布，試驗(yàn)最短時(shí)間取3 min，則時(shí)間測(cè)量引入的不確定度為：

同時(shí)，由于氣動(dòng)推桿控制收集杯換入換出引起的即時(shí)偏差為0.5 s。取均勻分布，則換向時(shí)間引入的不確定度為：

3) 重復(fù)性

預(yù)估試驗(yàn)重復(fù)性為0.3%。

所以，帶噴嘴的燃油總管組件試驗(yàn)平臺(tái)所得流量合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)研發(fā)了一套具有以下特點(diǎn)的專用于某型發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油總管組件的泵壓式、多功能、高精度流量特性試驗(yàn)平臺(tái)：

1) 由高壓燃油輸送/調(diào)節(jié)系統(tǒng)、分布式重力傳感器稱重單元、氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、智能化測(cè)控軟件等非標(biāo)系統(tǒng)組成，具有較高的先進(jìn)性、可靠性和安全性；

2) 能夠在對(duì)多噴嘴類組件進(jìn)行分布式測(cè)量的同時(shí)，具備供油壓力范圍寬(0.04～12 MPa,)、供油流量范圍大(0～15 L/min)的特點(diǎn)；

3) 經(jīng)系統(tǒng)不確定度分析，該平臺(tái)對(duì)流量測(cè)量的合成不確定度為0.4%，具有較高的精度。

4) 該試驗(yàn)平臺(tái)投入使用后，將有效提升發(fā)動(dòng)機(jī)研制體系中燃油總管組件測(cè)試技術(shù)與試驗(yàn)裝備水平，有助于發(fā)動(dòng)機(jī)研制生產(chǎn)單位加快優(yōu)化工藝流程、完善質(zhì)量體系，實(shí)現(xiàn)降本增效、提升產(chǎn)品交付能力。