段小維，范曉明

(中國飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710089)

某飛行臺(tái)被試發(fā)動(dòng)機(jī)引氣負(fù)載系統(tǒng)設(shè)計(jì)

段小維，范曉明

(中國飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710089)

針對(duì)某飛行臺(tái)某型被試發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)研發(fā)了一套被試發(fā)動(dòng)機(jī)引氣負(fù)載控制及測(cè)量系統(tǒng)，介紹了該發(fā)動(dòng)機(jī)引氣負(fù)載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、控制方式及功能特點(diǎn)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各狀態(tài)設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的引氣及控制監(jiān)控，高低壓級(jí)引氣自動(dòng)切換，引氣量手動(dòng)自動(dòng)可調(diào)，其技術(shù)狀態(tài)與裝配原型機(jī)狀態(tài)具有很好的一致性。

飛行臺(tái)；引氣負(fù)載；溫度控制；壓力控制；流量控制

1 概 述

被試發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行臺(tái)試驗(yàn)是將被試發(fā)動(dòng)機(jī)安裝于成熟載機(jī)平臺(tái)，從而在真實(shí)高空飛行條件下完成對(duì)被試發(fā)動(dòng)機(jī)功能及性能的暴露、考核和評(píng)估的試驗(yàn)方法，一般用于新型發(fā)動(dòng)機(jī)的研制試飛及取證試飛階段。在該階段試驗(yàn)過程中，對(duì)于新型發(fā)動(dòng)機(jī)的引氣提供能力、引氣狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性及引氣對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)各狀態(tài)性能影響的考核與評(píng)估是其中必不可少的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

本文針對(duì)國內(nèi)某飛行臺(tái)某型被試發(fā)動(dòng)機(jī)，在分析其技術(shù)狀態(tài)指標(biāo)、被試發(fā)動(dòng)機(jī)及試驗(yàn)吊艙結(jié)構(gòu)、試驗(yàn)內(nèi)容和要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)完成了一套發(fā)動(dòng)機(jī)引氣負(fù)載系統(tǒng)。該系統(tǒng)獨(dú)立于載機(jī)平臺(tái)之上，可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)各狀態(tài)設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的引氣及控制監(jiān)控，高低壓級(jí)引氣自動(dòng)切換，引氣量手動(dòng)自動(dòng)可調(diào)，其技術(shù)狀態(tài)與裝配原型機(jī)狀態(tài)具有很好的一致性，整個(gè)試驗(yàn)過程安全、準(zhǔn)確、有效。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該發(fā)動(dòng)機(jī)引氣負(fù)載系統(tǒng)用于某型發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行臺(tái)試驗(yàn)過程中。該發(fā)動(dòng)機(jī)本體引氣系統(tǒng)采用高低壓級(jí)兩級(jí)供氣，引氣流經(jīng)預(yù)冷器由外涵引氣預(yù)冷，經(jīng)調(diào)壓、調(diào)溫后提供給飛機(jī)空調(diào)等用氣系統(tǒng)。為了模擬該用氣過程，根據(jù)該發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、技術(shù)特點(diǎn)及試驗(yàn)要求，進(jìn)一步結(jié)合該飛行臺(tái)被試發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)吊艙的結(jié)構(gòu)及技術(shù)狀態(tài)，設(shè)計(jì)研發(fā)了如圖1所示的被試發(fā)動(dòng)機(jī)引氣負(fù)載系統(tǒng)。

該引氣負(fù)載系統(tǒng)由引氣管線和測(cè)控系統(tǒng)組成。

圖1 引氣負(fù)載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

引氣管路由被試發(fā)動(dòng)機(jī)低壓級(jí)引氣和高壓級(jí)引氣兩條管線組成，引氣經(jīng)壓力調(diào)節(jié)切斷活門(PRSOV)完成壓力調(diào)整，通過預(yù)冷器(PCE)經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)外涵引氣進(jìn)行冷卻調(diào)溫后流經(jīng)流量測(cè)量裝置，進(jìn)一步通過對(duì)引氣控制活門開度的調(diào)整實(shí)現(xiàn)對(duì)于引氣流量的控制，最終流經(jīng)限流裝置和消音裝置排出被試吊艙之外。限流裝置用于防止引氣量過大對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成損害，消音裝置用于減少試驗(yàn)過程中引氣排出的噪聲及振動(dòng)。

整個(gè)系統(tǒng)引氣控制參數(shù)由圖2所示的溫度、壓力、流量測(cè)量裝置獲得。

1.壓差傳感器 2.總靜壓測(cè)頭 3.壓力傳感器 4.溫度傳感器圖2 引氣壓力、溫度、流量測(cè)量裝置

系統(tǒng)引氣流量Wa(kg/h)為：

式中，dP為總靜壓壓差，kPa；P為引氣壓力，kPa；T為引氣溫度，℃；A為測(cè)量裝置通徑的測(cè)量面積，m2；θ為溫度校準(zhǔn)系數(shù)，由流量測(cè)量裝置通過校準(zhǔn)試驗(yàn)后給出。

2.2 引氣控制設(shè)計(jì)

2.2.1 高低壓級(jí)引氣管線及引氣自動(dòng)切換控制

如圖1所示，低壓引氣管路由中壓?jiǎn)蜗蜷y(IPCV)和低壓引氣總管等組成，高壓引氣管路由高壓閥(HPV)和高壓引氣總管等組成。其中，IPCV安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)低壓引氣口的下游，僅允許低壓引氣氣流通過，以防止高壓引氣倒流至低壓引氣口對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)形成沖擊破壞。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)低壓引氣壓力滿足系統(tǒng)引氣需要時(shí)，控制器控制高壓閥(HPV)關(guān)閉，來自高壓級(jí)的壓縮空氣驅(qū)使IPCV打開，系統(tǒng)從發(fā)動(dòng)機(jī)高壓級(jí)引氣。而當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)引氣壓力不足時(shí)，控制器控制高壓閥(HPV)打開，高壓氣流驅(qū)使IPCV關(guān)閉，系統(tǒng)自動(dòng)切換至高壓級(jí)引氣。

2.2.2 引氣溫度、壓力控制

系統(tǒng)引氣溫度的控制由預(yù)冷器來實(shí)現(xiàn)。高壓高溫引氣通過預(yù)冷器與發(fā)動(dòng)機(jī)外涵引出的冷空氣進(jìn)行熱交換。當(dāng)實(shí)際引出氣體溫度超出所需設(shè)定范圍時(shí)，控制器輸出相應(yīng)0～10V模擬驅(qū)動(dòng)信號(hào)以增大或減小外涵冷卻引氣活門閥芯開度，從而適當(dāng)增大或減少冷卻氣體流量，實(shí)現(xiàn)對(duì)于引氣溫度的調(diào)節(jié)。

系統(tǒng)引氣壓力由壓力調(diào)節(jié)切斷活門(PRSOV)控制。根據(jù)試驗(yàn)所需引出氣體壓力需求，當(dāng)實(shí)際引氣壓力超出所需設(shè)定范圍時(shí)，控制器輸出0～10V相應(yīng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，增大或調(diào)小壓力調(diào)節(jié)切斷活門(PRSOV)的蝶形閥芯開度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)引氣壓力調(diào)節(jié)。該活門可完全關(guān)閉切斷發(fā)動(dòng)機(jī)引氣。

2.2.3 引氣流量控制

系統(tǒng)引出氣體的流量控制是該發(fā)動(dòng)機(jī)引氣負(fù)載系統(tǒng)最為核心的控制需求。由于被試發(fā)動(dòng)機(jī)吊艙內(nèi)空間狹小，引氣流量需求范圍較大，經(jīng)考慮安裝位置與應(yīng)用要求，最終選擇QYT-46氣動(dòng)伺服防喘閥為核心控件。該氣動(dòng)活門控件由先導(dǎo)閥組件、力矩馬達(dá)、安全閥組件、節(jié)流孔、反饋腔和外連接口組成?？刂茐毫?jīng)先導(dǎo)閥組件、力矩馬達(dá)等壓力調(diào)節(jié)組件調(diào)整后直接進(jìn)入伺服腔，進(jìn)而通過伺服腔內(nèi)與伺服膜片連接的反饋彈簧控制連桿組件來控制蝶閥開度，實(shí)現(xiàn)對(duì)于流量的控制。

該氣動(dòng)伺服防喘閥為電流控制方式，控制電流0～100mA輸入，隨著控制電流的增加，活門從全開狀態(tài)向全關(guān)狀態(tài)運(yùn)動(dòng)?？刂齐娏餍∮?0mA時(shí)，蝶閥處于打開狀態(tài)?？刂齐娏鞔笥?5mA時(shí)，蝶閥處于全關(guān)狀態(tài)。該控件在控制電流突然減小等原因?qū)е孪葘?dǎo)閥出口壓力突然超調(diào)的情況下，可由速開組件控制腔壓力快速卸壓，快速打開蝶閥，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)泄壓，保證安全。

根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)操作流程及需求，在本系統(tǒng)中，對(duì)于引氣流量的控制采取自動(dòng)與手動(dòng)可調(diào)兩種控制模式。該系統(tǒng)控制引氣流量范圍滿足被試發(fā)動(dòng)機(jī)最大引氣需求，并在整個(gè)范圍內(nèi)可無級(jí)調(diào)節(jié)，試驗(yàn)者可根據(jù)情況及控制精度需求自行選擇控制。

(1)手動(dòng)控制模式

手動(dòng)控制模式通過調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)式電位計(jì)電阻值作為設(shè)定值，控制器根據(jù)電位計(jì)輸出電阻的大小輸出給氣動(dòng)伺服控制活門0～10V電壓，控制氣動(dòng)伺服控制活門的輸入電流大小，調(diào)節(jié)活門的大小，從而控制引氣流量?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制流程圖如圖3所示。

(2)自動(dòng)控制模式

根據(jù)試驗(yàn)要求及實(shí)際使用過程中的控制精度需求，該系統(tǒng)對(duì)于引氣流量的控制采用成熟的PID控制方式， 由用戶經(jīng)測(cè)控軟件人機(jī)交互界面給定輸入值，測(cè)控系統(tǒng)通過流量測(cè)量裝置參數(shù)計(jì)算獲取流量計(jì)數(shù)值，與設(shè)定值進(jìn)行比較并進(jìn)行相應(yīng)的PID運(yùn)算后，輸出控制電流，控制氣動(dòng)伺服防喘閥蝶閥開度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)于流量的控制。該控制模式具有技術(shù)成熟、簡(jiǎn)單、可靠性高、控制精度高等特點(diǎn)，控制原理圖如圖4所示。

圖3 手動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制流程圖

圖4 自動(dòng)控制原理圖

2.3 測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能設(shè)計(jì)

該引氣負(fù)載系統(tǒng)以溫度、壓力、流量為被控量，對(duì)引出被試發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓高溫氣體進(jìn)行調(diào)壓、降溫及流量控制，從而獲得所需溫度、壓力范圍內(nèi)的一定流量的壓縮空氣?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)與配置如圖5所示，由控制器、參數(shù)設(shè)置、采集裝置、被控元件及測(cè)控軟件組成?？刂破鬟x用Schneider電氣公司的Modicon M340控制器為核心控制元件，由CPU機(jī)架、電源模塊、處理單元、離散量輸入模塊輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊、顯示器等組成。

圖5 引氣負(fù)載測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及配置圖

根據(jù)某型發(fā)動(dòng)機(jī)引氣系統(tǒng)特點(diǎn)及其飛行臺(tái)它機(jī)試飛階段的試驗(yàn)要求，以UNITY PROLARGE為開發(fā)平臺(tái)完成系統(tǒng)測(cè)控軟件編制調(diào)試，該系統(tǒng)具備以下功能：

(1)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)被試發(fā)動(dòng)機(jī)各種狀態(tài)下的引氣模擬，引氣流量范圍滿足被試發(fā)動(dòng)機(jī)最大引氣需求，引氣溫度、壓力在規(guī)定范圍內(nèi)可調(diào)。

(2)對(duì)于引氣流量，可根據(jù)實(shí)際情況及需要進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)節(jié)控制。

(3)系統(tǒng)具備引氣關(guān)斷及過壓自動(dòng)保護(hù)泄壓功能。

(4)可實(shí)現(xiàn)對(duì)于引氣壓力、溫度、流量等引氣參數(shù)的采集、實(shí)時(shí)監(jiān)控及記錄、回放。

3 引氣負(fù)載系統(tǒng)加載試驗(yàn)

在被試發(fā)動(dòng)機(jī)飛行臺(tái)地面試驗(yàn)過程中，在被試發(fā)動(dòng)機(jī)0.4額定、0.9額定以及0.95額定狀態(tài)下，分別進(jìn)行了穩(wěn)定狀態(tài)下的引氣加載試驗(yàn)，引氣參數(shù)為150℃、400kPa、45%額定引氣量、55%額定引氣量及170℃、400kPa、80%額定引氣量，試驗(yàn)曲線見圖6，整個(gè)試驗(yàn)過程中引氣負(fù)載系統(tǒng)工作參數(shù)正常，滿足試驗(yàn)要求，被試發(fā)動(dòng)機(jī)工作正常。

圖6 地面引氣加載試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在某高度穩(wěn)態(tài)平飛過程中，被試發(fā)動(dòng)機(jī)分別在不同狀態(tài)下進(jìn)行25%額定引氣量及40%額定引氣量的引氣加載試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，被試發(fā)動(dòng)機(jī)工作正常，引氣負(fù)載系統(tǒng)工作參數(shù)正常(試驗(yàn)曲線見圖7)。

圖7 飛行引氣加載試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

本文針對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行臺(tái)試驗(yàn)內(nèi)容及要求，結(jié)合飛行臺(tái)及被試發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)及吊艙系統(tǒng)，設(shè)計(jì)研發(fā)了一套被試發(fā)動(dòng)機(jī)引氣負(fù)載系統(tǒng)。該系統(tǒng)獨(dú)立于載機(jī)平臺(tái)之上，可實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各狀態(tài)設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的引氣及控制監(jiān)控，引氣溫度、壓力一定范圍內(nèi)可調(diào)，最大引氣量滿足被試發(fā)動(dòng)機(jī)最大引氣需求，引氣量手動(dòng)、自動(dòng)可調(diào)，并且完成了發(fā)動(dòng)機(jī)多個(gè)狀態(tài)下地面及空中不同引氣量下的引氣試驗(yàn)。從試驗(yàn)結(jié)果看，該系統(tǒng)在被試發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過程中，可以按試驗(yàn)要求模擬被試發(fā)動(dòng)機(jī)引氣過程，完成對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)引氣能力及引氣狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)性能的考核，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)及功能要求。

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Design of Engine Bleed System for Tested Engine on Flight Test Bed

Duan Xiaowei, Fan Xiaoming

(Chinese Flight Test Establishment, Xi′an 710089, Shaanxi, China)

The design of the engine bleed system for tested engine is described by analyzing the test requirements of the tested engine on the flight test bed. The structure, the control method and the functional characteristics are given in the paper. The system can control and monitor the air-entraining parameters in the range of design value in different conditions of the tested engine. The system can realize the automatic switch of high and low engine bleed system. According to the needs, users can choose manual or auto control mode to adjust the flow of the bleed air. The result shows that the system has good consistency with the technical condition of prototype aircraft.

flight test bed; engine bleed; temperature control; pressure control; flow control

2016-09-26

段小維(1985-)，女，碩士，工程師，主要研究方向：航空發(fā)動(dòng)機(jī)飛行試驗(yàn)電氣控制技術(shù)。

V23

B

10.3969/j.issn.1674-3407.2016.04.016