试车台燃油供应系统关键技术研究及应用

摘

要：试车台是航空发动机型号研制阶段最重要的试验设备之一，其燃油供应系统负责给发动机供应清洁、连续和压力可控的燃油，在发动机试验研究过程中扮演关键角色。现对试车台燃油供应系统的燃油流量测量、压力调节、清洁度控制等关键技术进行了分析和研究，介绍了各种关键技术在典型试车台燃油供应系统设计中的工程应用。关键词：试车台燃油供应系统；流量测量；压力调节；清洁度控制

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引言

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航空发动机具有高技术、高投入和高风险的特点，其研制工作是从设计、制造、试验、修改再到制造、试验的全过程，为了保证发动机及其系统能可靠工作，要求研制阶段发动机整机试验达上万小时。试车台可供航空发动机在地面、模拟高空等条件下进行整机试验，是发动机型号研制阶段最重要的试验设备之一，其主要由进气塔、整流室、引射筒和排气塔等试验设备以及进气系统、安装系统、燃油供应系统、启动供气系统等工艺系统组成，其中燃油供应系统负责给发动机供应清洁、连续、压力可控的燃油，是试车台中最关键的工艺系统。

燃油供应系统在给发动机供应燃油的同时，还具有燃油计量、过滤、除水、放气等功能，系统运行过程中的常见故障包括流量振荡、压力波动、燃油污染、管路气塞等，其关键技术包括燃油流量测量、压力调节、清洁度控制等。

本文对燃油供应系统的关键技术进行了分析和研究，以一种典型的试车台燃油供应系统设计为例，探讨了各种关键技术在试车台燃油供应系统设计中的工程应用。

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燃油流量测量

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在航空发动机整机试验过程中，燃油流量是评定发动机性能的重要指标，一般在发动机燃油控制系统和试车台燃油供应系统中同时进行燃油流量测量，以进行对比分析。由于整机试验时燃油流量测量存在测量范围大、动态响应要求快、测量精度要求高等特点，目前普遍采用涡轮流量计和科里奥利质量流量计进行燃油流量测量。

1.1

涡轮流量计

涡轮流量计具有体积小、精度高、量程宽等特点，其测量原理为置于流体中的叶轮旋转角速度与流体流速成正比，通过测得叶轮的旋转角速度可得到流体的流速，从而得到流体的流量值。在发动机试验时，影响涡轮流量计测量精度的因素有安装状态、燃油温度变化、计算误差、输出信号受外界干扰等。

为了消除畸变和旋流，通常在涡轮流量计的进出口各安装一段与流量计等内径的平直管道，一般要求进口直管长度为10倍管径以上、出口直管长度为5倍管径以上。涡轮流量计测量得到的是燃油的体积流量，因燃油密度随温度变化，需配套安装燃油密度计，以实时测量燃油密度，通过计算获得燃油质量流量。由于涡轮流量计的现场使用状态和实验室校准状态不完全一致，存在一定的系统误差，为了消除这种系统误差，通常采取的办法是进行涡轮流量计现场校准，即用称重法计量一定时间内燃油供应系统放出的质量流量和对应时间内涡轮流量计测量得到的质量流量，多次重复测量后可得到使用状态下涡轮流量计的校验系数。

由于传统的单转子涡轮流量计对来流流态较为敏感，因此近年来双转子涡轮流量计得到了广泛应用。双转子涡轮流量计采用螺旋形转子叶片，可以有效地将流体动能转换为对转子叶片的冲击能量，由于两个转子的转动方向相反，可以形成流动耦合，使得旋流对两个转子的作用效果相反，从而具有比单转子涡轮流量计响应更快、重复性更好、精度更高、量程更宽广等优点。

1.2

科里奥利质量流量计

科里奥利质量流量计是一种可以直接测量燃油质量流量的仪表，通过测量流体在振动管道中流动产生的科里奥利力与质量流量成正比的工作原理实现。影响科里奥利质量流量计测量精度的因素主要有测量范围、压力损失、安装状态、零点漂移等。发动机试验结果表明，稳态时科里奥利质量流量计的稳定性高于涡轮流量计，但过渡态时其反应明显滞后，因此一般在发动机稳态时使用科里奥利质量流量计的测量结果作为发动机燃油消耗量的评定指标，而发动机的启动、加减速等过渡态监控则采用涡轮流量计的测量结果。

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燃油压力调节

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试验过程中，当发动机状态变化导致所需燃油流量快速变化时，燃油泵入口压力会出现大幅度波动，因此有必要在试车台燃油供应系统中增加供油压力调节功能。常见的压力调节方法有气动式调压、增压泵调压和调节阀调压等。

气动式调压的工作原理是通过在系统调压油箱内燃油上部填充所需压力的压缩空气，燃油经压缩空气增压后输送到发动机燃油泵入口，改变压缩空气的压力就可以改变燃油泵入口压力。气动式调压的技术难点在于调压油箱液位与压缩空气压力的复合控制，调压油箱上需设置液位传感器监控燃油液位，通过控制调压油箱供油阀门开度，保证液位在要求的范围内；同时，调压油箱上还需设置压缩空气调压装置，通过调压装置的调节，保证燃油压力为设定压力。

增压泵调压的工作原理是通过在系统供油管道中设置增压泵，在设置目标供油压力后，系统将供油管路当前压力测量值与目标压力值进行比较，计算出需要的模拟量电流并输出，变频器接收并自动将模拟量电流信号转换成增压泵电机输出频率，通过改变增压泵转速从而改变系统供油压力，直至供油压力达到目标压力。

调节阀调压的工作原理是通过在系统供油管道中设置压力调节阀，在设置目标供油压力后，系统采集供油管路燃油压力并与目标供油压力进行比较，如果系统供油压力波动值超出给定的幅度，PID调节器迅速给出调整压力调节阀开度的执行指令，使供油压力恢复到设定压力范围。调节阀调压的技术难点在于PID控制参数的整定，需要通过现场调试以设置合适的PID控制参数，使得系统供油压力和流量满足发动机状态变化的要求。

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燃油清洁度控制

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燃油控制系统是发动机的核心组成部分，具有结构复杂、精密配合件数量多等特点，对使用的燃油清洁度要求较高，一般需达到《航空工作液固体污染度分级》（GJB420B—2006）的7级标准。燃油污染是发动机燃油控制系统发生故障的主要原因，污染颗粒随燃油进入燃油调节器，会造成零件加速磨损、节流元件堵塞、活门卡死等故障；燃油中的游离水会引发氧化腐蚀，还会与燃油中的添加剂等成分发生化学反应产生胶状物质，造成油滤堵塞和活门卡滞；空气溶入燃油中还会造成气蚀、气塞等问题。因此，有必要在试车台燃油供应系统的设计和使用维护过程中进行燃油清洁度控制。

燃油供应系统设计过程中采取的清洁度控制措施如下：（1）在系统前部设置一道高过滤精度的油滤组件，对油库来油进行过滤和除水；（2）在燃油供油管道上设置燃油取样口，便于使用时进行燃油取样检查；（3）在燃油进入发动机燃油泵前的管道上再设置一道滤网，再次对燃油进行过滤；

（4）系统管道连接完后，首先用压缩空气对管道进行吹扫，清除加工和组装过程中产生的污染物，再用清洁的燃油对整个系统管路进行冲洗，直至系统出口取样的燃油清洁度满足要求。

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典型的试车台燃油供应系统设计

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图1所示为一个典型的试车台燃油供应系统，该系统采用先进的模块化设计，主要分为应急供油模块、燃油计量模块、发动机侧仪表组件三大部分，整个系统在制造工厂完成预调试验收后，以撬装体形式运抵试车台，台架现场用不锈钢管道连接各个撬装体后即可进行系统的整体吹扫、打压、冲洗和调试验收工作。（1）燃油流量测量方面。该系统在燃油计量模块上串联安装了两个双转子涡轮流量计，流量计前、后直管段分别满足10倍、5倍管径的安装要求，同时在流量计下游并联安装了一个科里奥利质量流量计以实时测量燃油密度，发动机消耗的燃油质量流量由两个涡轮流量计测得的体积流量平均后乘以燃油密度得到。（2）燃油压力调节方面。该系统在燃油计量模块上并联安装了两个气动式压力调节阀，在设备控制界面设置发动机燃油泵入口压力后，压力调节阀接收PID控制器给出的开度指令后进行工作，实时对系统供油压力和流量进行调节。

（3）燃油清洁度控制方面。该系统在各个模块完成连接后，用清洁的燃油进行冲洗并取样检查。另外，系统在气动式压力调节阀前并联安装了3个过滤精度为5μm的吸收式油滤，在油滤后设计了燃油取样口，同时在发动机侧仪表组件上安装了一道100目的网孔过滤器，以实现在系统运行过程中对燃油进行过滤和除水等功能。

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结语

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在某典型试车台燃油供应系统中应用燃油流量测量