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(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)流場重點(diǎn)實驗室， 西安 710072)

1 引言

在近年來高溫升發(fā)動機(jī)和低排放發(fā)動機(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)計技術(shù)受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，取得了突破性的進(jìn)展，然而與之匹配的測試工藝技術(shù)研究相對較少。隨著近年來部隊實戰(zhàn)化訓(xùn)練強(qiáng)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(shè)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皞鋺?zhàn)能力及放量建設(shè)”，現(xiàn)有試驗測試技術(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(diǎn)，設(shè)計研發(fā)了一套專用于某型航空發(fā)動機(jī)的燃油總管組件試驗平臺，實現(xiàn)了對多噴嘴類組件進(jìn)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(shè)提供必要支撐。

2 方案設(shè)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(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(biāo)滿足設(shè)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(jié)構(gòu)示意圖

表1 發(fā)動機(jī)狀態(tài)參數(shù)

產(chǎn)品試驗前還要求進(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(diào)節(jié)系統(tǒng)、分布式重力傳感器稱重單元、氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)、智能化測控軟件等非標(biāo)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(chǎn)品流量特性的可靠測量，并對噴出的燃油進(jìn)行收集回收，再經(jīng)過過濾裝置后循環(huán)使用。從試驗操作便捷性的角度考慮，本平臺設(shè)置2個工位，以便分別進(jìn)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(jīng)過信號調(diào)理或配電器后轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號通過端子板傳遞給A/D板卡，測量信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)化后再經(jīng)過軟件計算、計算機(jī)顯示、存儲等工作后轉(zhuǎn)化為測試結(jié)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(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(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、液位傳感器等。整個系統(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?？蓪崿F(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，要求試驗平臺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，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，保證降低因長時間運(yùn)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(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。

通過測控系統(tǒng)實現(xiàn)電機(jī)、泵、閥、加熱器的控制調(diào)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(jìn)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(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;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(dān)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(dǎo)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(yīng)。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(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量對應(yīng)噴前壓力，保證各工況下噴嘴壓降的準(zhǔn)確測量，可根據(jù)試驗內(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(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工位

帶噴嘴的燃油總管組件試驗工位主要承擔(dān)燃油總管密封性試驗及流量調(diào)試試驗。主要包括供介防爆電磁閥、噴嘴流量分布測量機(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(shè)計重點(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(jìn)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(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，可認(rèn)定噴嘴出口壓力為當(dāng)?shù)卮髿鈮骸?/p>

13個膠管出口均布固定在作動機(jī)構(gòu)上，考慮防爆要求選擇氣動推桿，通過導(dǎo)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(zhì)托盤上，通過13個分布式重力傳感器單元進(jìn)行稱重。

通過計時器對氣動執(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)而換算出時間段內(nèi)各噴嘴的流量，試驗結(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 測控系統(tǒng)

測控系統(tǒng)功能是完成試驗參數(shù)的測量和進(jìn)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(chǎn)品入口壓力、燃油溫度、燃油流量和收集的燃油質(zhì)量以及時間的精確測量。需要控制的設(shè)備有油泵、水泵、抽風(fēng)機(jī)的起動/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)成一體化測量控制系統(tǒng)，通過以太網(wǎng)和采集控制計算機(jī)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(jī)、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(diào)試與試驗

試驗平臺調(diào)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(yùn)行狀態(tài)良好，能夠在設(shè)計流量、壓力范圍內(nèi)進(jìn)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(chǎn)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(jìn)行驗證，以確定其是否達(dá)到最初設(shè)計要求。

圖8為試驗平臺結(jié)構(gòu)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(dá)到目標(biāo)值，平穩(wěn)一段時間后，遠(yuǎn)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(fù)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(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 試驗平臺結(jié)構(gòu)(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(nèi)，啟動燃油泵，并通過控制系統(tǒng)自動調(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。試驗結(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，試驗過程中噴出的燃油經(jīng)試驗箱內(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(jié)果示意圖

表2 不同噴注壓力下試驗件的質(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

下面對帶噴嘴的燃油總管組件試驗平臺進(jìn)行不確定度預(yù)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(zhì)量和時間。

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(fù)性

預(yù)估試驗重復(fù)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(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

5 結(jié)論

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

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、氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)、智能化測控軟件等非標(biāo)系統(tǒng)組成，具有較高的先進(jìn)性、可靠性和安全性；

2) 能夠在對多噴嘴類組件進(jìn)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(diǎn)；

3) 經(jīng)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(jī)研制體系中燃油總管組件測試技術(shù)與試驗裝備水平，有助于發(fā)動機(jī)研制生產(chǎn)單位加快優(yōu)化工藝流程、完善質(zhì)量體系，實現(xiàn)降本增效、提升產(chǎn)品交付能力。