PT-16燃油調(diào)節(jié)器綜合性能試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

顧菊芬，許衛(wèi)洪，曹應(yīng)明

(1.無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)學(xué)院，江蘇無錫214153；2.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院無錫交通分院，江蘇無錫214151)

1 引言

PT-16燃油調(diào)節(jié)器是某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)主燃油系統(tǒng)的核心部件，負(fù)責(zé)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、加速、減速等各種工作狀態(tài)下穩(wěn)定工作所需燃油的供給和調(diào)節(jié)，其精度、準(zhǔn)度及響應(yīng)時(shí)間直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能，進(jìn)而影響飛機(jī)飛行的安全性和穩(wěn)定性[1-3]。燃油調(diào)節(jié)器的性能，必須在出廠前通過臺架試車檢驗(yàn)。國內(nèi)原有試驗(yàn)臺采用手動(dòng)方式調(diào)節(jié)燃油流量、壓力，手動(dòng)記錄過程數(shù)據(jù)，對試驗(yàn)人員要求高，且檢測效率低、可靠性差。因此，為充分檢驗(yàn)燃油調(diào)節(jié)器性能，適應(yīng)新形勢下對燃油調(diào)節(jié)器越來越高的技術(shù)要求，提高檢測效率，本課題組參與設(shè)計(jì)、制造了一套PT-16燃油調(diào)節(jié)器綜合性能試驗(yàn)臺。該試驗(yàn)臺要求能模擬發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中燃油調(diào)節(jié)器的實(shí)際工作流程，并記錄過程數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)要求

要求對PT-16燃油調(diào)節(jié)器最小壓力活門開啟壓力、壓差、轉(zhuǎn)速、供油量、供油特性、漏油量及密封性能進(jìn)行檢查記錄，為出廠驗(yàn)收提供依據(jù)。根據(jù)廠方技術(shù)協(xié)議書的要求和國家有關(guān)規(guī)定，本試驗(yàn)臺：①滿足燃油調(diào)節(jié)器的按“PT-16燃油調(diào)節(jié)器技術(shù)條件”進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)收試驗(yàn)的各項(xiàng)要求，并提供該調(diào)節(jié)器在飛行包線范圍內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)的相似邊界條件；②高壓燃油泵RZB-1和PT-16的轉(zhuǎn)速、扭矩和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，滿足技術(shù)條件中規(guī)定的試驗(yàn)要求，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、加速、穩(wěn)定工作、制動(dòng)狀態(tài)的性能要求；③監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控試驗(yàn)全過程，能夠自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警顯示、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)歸檔及打印等功能，響應(yīng)時(shí)間符合相關(guān)技術(shù)要求；④設(shè)備設(shè)計(jì)符合國家有關(guān)消防、技安、環(huán)保等的規(guī)定，方便設(shè)備檢查、維護(hù)及檢修。

3 燃油調(diào)節(jié)器試驗(yàn)臺總體方案設(shè)計(jì)

PT-16燃油調(diào)節(jié)器綜合性能試驗(yàn)臺，由空氣系統(tǒng)(包括正壓空氣系統(tǒng)和負(fù)壓空氣系統(tǒng)即真空系統(tǒng)兩大部分)、燃油供給系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、電氣傳動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)力配電系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)以及操縱臺本體等組成，其總體方案框圖如圖1所示。整個(gè)設(shè)計(jì)過程一直遵循先進(jìn)、安全、經(jīng)濟(jì)、適用的原則，根據(jù)試驗(yàn)車間布局將試驗(yàn)裝置布置在三個(gè)房間內(nèi)，分別為電氣間、燃油間和操作間。為確保試驗(yàn)安全，將電氣間與燃油間隔離，燃油間還設(shè)計(jì)有相應(yīng)的防爆設(shè)施。除試驗(yàn)器電氣間、燃油間內(nèi)的部件外，其他系統(tǒng)及部件都安裝在操作間的操作臺內(nèi)部或面板上。

3.1 試驗(yàn)臺燃油供給系統(tǒng)設(shè)計(jì)

燃油供給系統(tǒng)按試驗(yàn)件的技術(shù)要求，向燃油調(diào)節(jié)器提供一定壓力、溫度和足夠流量的潔凈燃油，滿足燃油調(diào)節(jié)器全部工作范圍對燃油流量、壓力及燃油溫度的需求[3-4]。燃油供給系統(tǒng)工作流程為：油箱中的燃油由低壓泵(增壓油泵)抽吸增壓后，向主燃油泵(高壓泵)RZB-1提供燃油流量不小于10 000 L/h、壓力0.4～0.9 MPa的低壓燃油。RZB-1輸出的高壓油流向PT-16試驗(yàn)件的進(jìn)口，經(jīng)PT-16計(jì)量后的燃油經(jīng)過主油路當(dāng)量噴嘴、副油路當(dāng)量噴嘴后流回油箱。為確保燃油壓力符合試驗(yàn)要求，在調(diào)節(jié)器燃油進(jìn)口前增加了手動(dòng)微調(diào)旋鈕，在特殊情況下可以對壓力進(jìn)行人工干預(yù)。系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

低壓泵與RZB-1之間設(shè)置有三級浮子流量計(jì)以及換熱器、粗油濾、細(xì)油濾等。浮子流量計(jì)分段對燃油流量進(jìn)行計(jì)量，同時(shí)在主、副油路上設(shè)置渦輪流量計(jì)(與浮子流量計(jì)串接)，分別對主油路、副油路的流量進(jìn)行計(jì)量。系統(tǒng)中還裝有壓力表和熱電偶等傳感器，用于SCADA系統(tǒng)對試驗(yàn)臺進(jìn)行測量、監(jiān)控和管理。

3.2 試驗(yàn)臺電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺電氣系統(tǒng)包括動(dòng)力配電系統(tǒng)和電氣傳動(dòng)系統(tǒng)兩大部分。動(dòng)力配電系統(tǒng)向試驗(yàn)設(shè)備提供不同電壓(三相交流380 V，單相交流220 V，36 V，115 V/400 Hz等)不同容量的電源，包括動(dòng)力配電箱、變頻電源、UPS電源、儀表電源、照明電源、安全燈電源等。動(dòng)力配電箱采用標(biāo)準(zhǔn)配電箱，進(jìn)線電壓三相交流380 V，總功率150 kW，提供電壓、電流顯示。單相交流220 V由三相交流380 V線電壓提供，供給儀表電源、照明電源、安全燈電源。變頻電源采用軍用系列單相變頻電源，兩路輸出，分別滿足0～36 V/400 Hz、115 V/400 Hz的電源，輸出容量為500 VA，400 Hz固定頻率，可變范圍為350～450 Hz。

電氣傳動(dòng)系統(tǒng)選用西門子6SE70VC矢量控制變頻器、1PH7系列主軸電動(dòng)機(jī)、S7-300PLC、制動(dòng)單元和OP操作面板等組成，系統(tǒng)框圖如圖3所示。兩臺交流變頻電動(dòng)機(jī)由各自的變頻器驅(qū)動(dòng)，分別通過傳動(dòng)裝置轉(zhuǎn)接后驅(qū)動(dòng)RZB-1和PT-16的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器運(yùn)轉(zhuǎn)。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可通過手動(dòng)調(diào)節(jié)兩個(gè)獨(dú)立的旋鈕來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速分別給定和調(diào)整，也可手動(dòng)調(diào)節(jié)另外一個(gè)旋鈕實(shí)現(xiàn)同時(shí)給定和調(diào)整兩臺電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，并使這兩臺電動(dòng)機(jī)隨時(shí)保持恒定的速比關(guān)系協(xié)同工作。這種恒定速比關(guān)系可以預(yù)先設(shè)置成以RZB-1的轉(zhuǎn)速為基準(zhǔn)，使之與PT-16的轉(zhuǎn)速比始終保持1:1.434，反之亦然；系統(tǒng)還可選擇通過OP操作面板進(jìn)行人機(jī)對話，以數(shù)字方式給定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，并自動(dòng)、精確地調(diào)整到給定值。

西門子6SE70VC矢量控制變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)，省去了齒輪箱及與之配套的潤滑系統(tǒng)，通過對變頻器參數(shù)設(shè)定既可以自由地分別進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)整，也可以保持一定的轉(zhuǎn)速關(guān)系，且轉(zhuǎn)速比誤差不超過1%；此外，電氣傳動(dòng)系統(tǒng)與RZB-1分開放置，將高壓燃油泵安裝在操縱臺外的獨(dú)立隔聲間里，達(dá)到與操作臺隔振、隔聲的要求。

3.3 試驗(yàn)臺SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)

遵循安全、高效的設(shè)計(jì)原則，SCADA系統(tǒng)采用雙層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。系統(tǒng)選用西門子315-2 PN/DP型PLC作為核心控制器，CPU通過PROFIBUS現(xiàn)場總線與RZB-1電動(dòng)機(jī)變頻器、PT-16電動(dòng)機(jī)變頻器、操作臺遠(yuǎn)程IO站ET200以及輔助系統(tǒng)遠(yuǎn)程IO站ET200M遠(yuǎn)程從站實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊，對試驗(yàn)全過程壓力、壓差、轉(zhuǎn)速、供油量、漏油量等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并控制各類泵、電機(jī)、閥門等試驗(yàn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)控制要求。試驗(yàn)臺中控室配備兩臺工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為操作員站(其中一臺兼工程師站)，裝有WINCC監(jiān)控軟件的操作員站通過工業(yè)以太網(wǎng)與PLC進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，完成界面操作、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)歸檔、報(bào)警顯示和報(bào)表打印等功能[2，5-8]。為提高系統(tǒng)安全性，所有重要部件(如PLC、操作員站)均配置UPS不間斷電源。

3.4 其他系統(tǒng)設(shè)計(jì)

其他系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括機(jī)械傳動(dòng)、正壓空氣和負(fù)壓空氣等系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)由PT-16傳動(dòng)單元體和RZB-1傳動(dòng)單元體組成，選用西門子1PH7系列主軸電動(dòng)機(jī)通過機(jī)械傳動(dòng)裝置直接驅(qū)動(dòng)RZB-1和PT-16試驗(yàn)件。電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍和控制精度覆蓋PT-16技術(shù)條件中規(guī)定的試驗(yàn)轉(zhuǎn)速要求，完全滿足試驗(yàn)臺的技術(shù)要求。正壓空氣系統(tǒng)主要由空氣壓縮機(jī)、除塵和除油過濾器、空氣減壓閥、空氣調(diào)壓閥、針閥等組成。系統(tǒng)選用英格索蘭C29MX3無油離心壓縮機(jī)向試驗(yàn)件提供標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下流量不小于2.14 m3/min、出口壓力不小于3.447 MPa的潔凈空氣，將增壓后的空氣送入儲氣罐，儲氣罐中的高壓氣體經(jīng)過濾、減壓或調(diào)壓后送入PT-16的P3口、再調(diào)口和P2口。負(fù)壓空氣系統(tǒng)由真空泵、油氣水分離器、空氣調(diào)壓閥、針閥等組成，主要負(fù)責(zé)對試驗(yàn)件特定接口抽真空。負(fù)壓空氣系統(tǒng)將空氣分二路抽出，一路直接經(jīng)并聯(lián)的截止閥和針形調(diào)壓閥將P2口內(nèi)的空氣抽出，另一路將漏氣口的空氣經(jīng)油水分離器抽出同時(shí)用浮子流量計(jì)計(jì)量空氣流量。

4 試驗(yàn)臺性能驗(yàn)證

根據(jù)PT-16技術(shù)規(guī)范要求，燃油調(diào)節(jié)器的性能試驗(yàn)主要包括以下內(nèi)容：油門開關(guān)位于0°位置時(shí)通電檢查油門開關(guān)前后壓力變化，出口處應(yīng)無燃油滲出；最小壓力活門開啟壓力的調(diào)整；定壓差的調(diào)整；最大供油量的調(diào)整；狀態(tài)供油量的調(diào)整；起動(dòng)供油特性的獲取；檢查液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)共有特性的非重復(fù)性；漏油量檢查；密封性檢查等。

在PT-16燃油調(diào)節(jié)器綜合性能試驗(yàn)臺上對PT-16進(jìn)行的性能試驗(yàn)表明，該試驗(yàn)臺能夠高效地對PT-16進(jìn)行密封試驗(yàn)和性能試驗(yàn)，試驗(yàn)過程電氣系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)良好，監(jiān)控系統(tǒng)能夠監(jiān)控試驗(yàn)全過程，自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警顯示、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)歸檔及打印等功能。圖5示出了SCADA系統(tǒng)采集的燃油調(diào)節(jié)器在起動(dòng)、加速、高速運(yùn)行、減速、怠速運(yùn)轉(zhuǎn)全過程的燃油流量變換曲線。

5 結(jié)束語

該燃油調(diào)節(jié)器綜合性能試驗(yàn)臺采用了先進(jìn)、成熟的成附件產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中燃油調(diào)節(jié)器工作流程的仿真。能完成燃油系統(tǒng)高壓密封性檢查、正/負(fù)壓空氣系統(tǒng)密封性檢查、海平面不修整狀態(tài)下調(diào)整點(diǎn)檢查、冷卻油流量檢查、地面慢車供油量檢查、起動(dòng)供油量檢查、高空慢車流量檢查、單點(diǎn)加速/減速流量測定等所有設(shè)計(jì)要求的試驗(yàn)內(nèi)容。試驗(yàn)臺SCADA系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了壓力、壓差、溫度、供油量和漏油量等各種過程參數(shù)的自動(dòng)采集和記錄，極大地提高了試驗(yàn)效率并降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。試驗(yàn)臺投入使用一年來，已完成多臺PT-16燃油調(diào)節(jié)器的性能檢測任務(wù)，能方便、準(zhǔn)確地檢測出調(diào)節(jié)器的各項(xiàng)性能參數(shù)，為其出廠驗(yàn)收提供了強(qiáng)有力依據(jù)。

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