武 越，王 凱，劉 洋,3，倪 錚，王向朋

(1.陜西空天動力研究院有限公司, 西安 710003； 2.西安遠航真空釬焊技術有限公司， 西安 710200；3.西北工業(yè)大學 燃燒、熱結構與內流場重點實驗室， 西安 710072)

1 引言

在近年來高溫升發(fā)動機和低排放發(fā)動機的研制背景下，燃油總管與其噴嘴性能的基礎理論和設計技術受到了國內外學者的廣泛關注，取得了突破性的進展，然而與之匹配的測試工藝技術研究相對較少。隨著近年來部隊實戰(zhàn)化訓練強度和頻率不斷提升，我國武器裝備列裝已由過去的“研制定型及小批量建設”轉變?yōu)椤皞鋺?zhàn)能力及放量建設”，現(xiàn)有試驗測試技術與裝備已無法滿足新品試制與批產交付需求激增的現(xiàn)狀。 針對傳統(tǒng)試驗裝置自動化程度低、測量精度差、試驗效率低、操作人員要求高等缺點，設計研發(fā)了一套專用于某型航空發(fā)動機的燃油總管組件試驗平臺，實現(xiàn)了對多噴嘴類組件進行分布式的高效、高精度測量，為我國新時代軍工裝備體系建設提供必要支撐。

2 方案設計

2.1 總體要求及平臺組成

圖1為燃油總管組件(被試件)的結構示意圖，在工作過程中，通過相互獨立的主、副兩路向環(huán)形布置的13個離心式噴嘴供油，出廠交付前需要分別完成雙油路噴嘴部件特性試驗和帶噴嘴的燃油總管組件流量試驗，確保其流阻、噴嘴霧化、流量分布特性等指標滿足設計要求，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構示意圖

表1 發(fā)動機狀態(tài)參數(shù)

產品試驗前還要求進行密封性檢查，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；進行帶噴嘴的燃油總管組件試驗時，需要13個噴嘴同時工作，獲得各噴嘴流量的分布情況。

考慮到長期使用成本，該試驗平臺采用泵壓式供油，通過對高壓燃油輸送/調節(jié)系統(tǒng)、分布式重力傳感器稱重單元、氣動執(zhí)行機構、智能化測控軟件等非標系統(tǒng)的開發(fā)與集成，實現(xiàn)對帶噴嘴的燃油總管組件產品流量特性的可靠測量，并對噴出的燃油進行收集回收，再經過過濾裝置后循環(huán)使用。從試驗操作便捷性的角度考慮，本平臺設置2個工位，以便分別進行單噴嘴霧化特性試驗和燃油總管組件流量(流阻)試驗/流量分布試驗，見圖2所示。

圖2 試驗平臺原理示意圖

現(xiàn)場傳感器的輸出信號經過信號調理或配電器后轉換為標準電壓信號通過端子板傳遞給A/D板卡，測量信號經過模數(shù)轉化后再經過軟件計算、計算機顯示、存儲等工作后轉化為測試結果。同步開發(fā)了專用的測控軟件，具備數(shù)據(jù)測量(壓力、質量)、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系統(tǒng)提供穩(wěn)定的、滿足壓力/流量指標要求的高壓燃油。如圖3所示，供油系統(tǒng)主要包含油箱、油泵、防爆變頻電機、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、液位傳感器等。整個系統(tǒng)集成于一體，下方設置底輪及鎖緊裝置。

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

油濾用于過濾煤油中的雜質，通過風冷卻方式強制降溫，保證降低因長時間運行引起的燃油溫升。油箱上安裝有液位計、壓力傳感器和溫度傳感器，可監(jiān)視內部燃油狀態(tài)。系統(tǒng)壓力通過比例溢流閥粗調與比例減壓閥精調相配合，最終實現(xiàn)±0.02 MPa壓力調節(jié)精度。

燃油系統(tǒng)建壓準備過程：設備上電，啟動防爆變頻電機，齒輪泵工作；燃油從油箱被吸出后，經吸油濾、油泵、壓油濾、單向閥、比例減壓閥輸出；當系統(tǒng)壓力穩(wěn)定后，高壓燃油即可向試驗工位輸出。

關閉過程：關閉電機，齒輪泵停止工作。

通過測控系統(tǒng)實現(xiàn)電機、泵、閥、加熱器的控制調節(jié)，并對液位傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、油濾報警信號等進行監(jiān)測和采集。

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;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;19放油閥;20-回油濾

2.3 雙油路噴嘴部件試驗工位

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

圖4 雙油路噴嘴部件試驗工位原理圖

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

K1、K2分別供應噴嘴部件主/副路供油，在噴嘴入口分別安裝高精度壓力傳感器測量對應噴前壓力，保證各工況下噴嘴壓降的準確測量，可根據(jù)試驗內容可遠程操作，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箱頂部。

在試驗箱2個側面安裝觀察窗，內側底部設置304不銹鋼材質制作的燃油收集裝置，將試驗噴出的燃油順利導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工位

帶噴嘴的燃油總管組件試驗工位主要承擔燃油總管密封性試驗及流量調試試驗。主要包括供介防爆電磁閥、噴嘴流量分布測量機構及回油管路，圖5為帶噴嘴的燃油總管組件試驗工位原理圖。

圖5 帶噴嘴的燃油總管組件試驗工位原理圖

燃油總管組件噴嘴流量分布測量是本系統(tǒng)的設計重點，由于被試噴嘴結構特殊、尺寸較小、單路流量較低，用高精度質量流量計直接測量成本較高，用普通流量計或孔板測量誤差較大，因此實時流量測量的方案并不適用，本方案采用m.t法進行燃油總管組件各噴嘴流量測量，即通過置于收集容器下方的重力傳感器測量一段時間Δ內容器質量的變化Δ，得到流經該噴嘴的質量流量=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，由于膠管內徑遠大于噴嘴直徑，因此產生的流阻可忽略不計，可認定噴嘴出口壓力為當?shù)卮髿鈮骸?/p>

13個膠管出口均布固定在作動機構上，考慮防爆要求選擇氣動推桿，通過導軌實現(xiàn)前后位移，動作時間不大于0.01 ms，并安裝阻尼裝置緩沖作動力。稱重容器放置在輕質托盤上，通過13個分布式重力傳感器單元進行稱重。

通過計時器對氣動執(zhí)行機構進行控制，燃油從膠管流出進入收集稱重杯，一定時間后再恢復初始狀態(tài)，記錄重力傳感器示數(shù)，進而換算出時間段內各噴嘴的流量，試驗結束后通過稱重容器底部和泄油槽底部的泄出管路進行煤油回收，由防爆電磁閥控制泄出回收路的開閉。

2.5 測控系統(tǒng)

測控系統(tǒng)功能是完成試驗參數(shù)的測量和進行試驗過程的控制。本試驗平臺測試的參數(shù)包括燃油泵出口壓力、產品入口壓力、燃油溫度、燃油流量和收集的燃油質量以及時間的精確測量。需要控制的設備有油泵、水泵、抽風機的起動/停止，供應閥門的打開與關閉，收集容器卸出閥門的打開與關閉，執(zhí)行機構的換入/換出控制等。

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

圖6 測控系統(tǒng)原理圖

圖7 測控軟件操作界面

3 調試與試驗

試驗平臺調試包括對分系統(tǒng)器件的單元測試和全系統(tǒng)綜合測試，旨在確定閥門、氣動推桿等器件運行狀態(tài)良好，能夠在設計流量、壓力范圍內進行試驗，且試驗數(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品作為考臺件，選擇供油壓差2.5 MPa、主副路同時供油的典型工況，對系統(tǒng)功能進行驗證，以確定其是否達到最初設計要求。

圖8為試驗平臺結構圖和實物照片，試驗前，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到目標值，平穩(wěn)一段時間后，遠程控制氣動推桿將膠管出口平移至稱重杯上方，并開始計時，試驗約3 min后，恢復初始狀態(tài),并同時停止計時，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，計時器所記錄時間記為Δ，從而計算得出試驗時間內各噴嘴的流量。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行煤油回收。

圖8 試驗平臺結構(上)與實物圖(下)

試驗過程中，由專用工裝將噴嘴部件或燃油總管組件可靠安裝于試驗箱內，啟動燃油泵，并通過控制系統(tǒng)自動調節(jié)泵后壓力至所設定參數(shù)，泵站運行穩(wěn)定后，啟動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，打開相應電磁閥進行雙油路噴嘴部件試驗。試驗結束后，依次關閉燃油泵及相關閥門，停止數(shù)據(jù)采集，試驗過程中噴出的燃油經試驗箱內底部燃油回收裝置收集至泵站油箱。

通過后續(xù)調試，燃油泵供應壓力范圍為達到0.04～12 MPa，壓力精度滿足±0.02 MPa的設計指標，系統(tǒng)供油流量范圍為0～15 L/min，覆蓋了大多數(shù)型號主燃燒室燃油總管的流量試驗工況范圍。

圖9 多噴嘴流量分布特性試驗結果示意圖

表2 不同噴注壓力下試驗件的質量流量

圖10 流量的平方與噴注壓力的關系曲線

4 系統(tǒng)不確定度分析

下面對帶噴嘴的燃油總管組件試驗平臺進行不確定度預評估。由于噴嘴流量=ΔΔ。因此，影響流量測量不確定度的分量主要有質量和時間。

1)質量引入的不確定度

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

2) 時間引入的不確定度

本方案中所選計時器分辨力1 ms，均勻分布，試驗最短時間取3 min，則時間測量引入的不確定度為：

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

3) 重復性

預估試驗重復性為0.3%。

所以，帶噴嘴的燃油總管組件試驗平臺所得流量合成標準不確定度為：

5 結論

設計研發(fā)了一套具有以下特點的專用于某型發(fā)動機的燃油總管組件的泵壓式、多功能、高精度流量特性試驗平臺：

1) 由高壓燃油輸送/調節(jié)系統(tǒng)、分布式重力傳感器稱重單元、氣動執(zhí)行機構、智能化測控軟件等非標系統(tǒng)組成，具有較高的先進性、可靠性和安全性；

2) 能夠在對多噴嘴類組件進行分布式測量的同時，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；

3) 經系統(tǒng)不確定度分析，該平臺對流量測量的合成不確定度為0.4%，具有較高的精度。

4) 該試驗平臺投入使用后，將有效提升發(fā)動機研制體系中燃油總管組件測試技術與試驗裝備水平，有助于發(fā)動機研制生產單位加快優(yōu)化工藝流程、完善質量體系，實現(xiàn)降本增效、提升產品交付能力。