某渦槳發(fā)動機試驗臺引氣系統(tǒng)改進設(shè)計

鄧楚慧　鄒植偉　田震

摘 要：針對某渦槳發(fā)動機試驗臺引氣系統(tǒng)存在的問題，從其結(jié)構(gòu)和原理入手，通過管路阻力損失計算、電動調(diào)節(jié)閥選型和引氣流量分析，提出了改進思路和方案。試驗表明，改進思路和方案有效，為以后發(fā)動機試驗臺引氣系統(tǒng)設(shè)計提供了有益的參考。

關(guān)鍵詞：渦槳發(fā)動機；引氣系統(tǒng)；改進設(shè)計

中圖分類號：V263.3 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）09-0053-02

某渦槳發(fā)動機有A、B和C三處飛機用引氣流路，要求見表1所示，根據(jù)航空渦輪螺槳和渦輪軸發(fā)動機通用規(guī)范（GJB242）中“4.4.1飛機系統(tǒng)引氣”的要求進行驗證試驗時，出現(xiàn)了以下問題致使試驗無法正常進行：1）A引氣流路在發(fā)動機最大巡航狀態(tài)引氣流量測不到；2）B和C引氣流路在發(fā)動機最大巡航狀態(tài)引氣小流量調(diào)不到。

經(jīng)初步分析，上述問題不是由發(fā)動機引起，而是由試驗臺引氣系統(tǒng)引起，試驗臺引氣系統(tǒng)需要進行改進。

1 試驗臺引氣流路的結(jié)構(gòu)組成

某渦槳發(fā)動機試驗臺引氣系統(tǒng)（如圖1所示）由引氣接口、卡箍組件、測溫組件、測壓組件、金屬軟管、流量計、電動調(diào)節(jié)閥及直管段等組成。引氣流量的大小通過電動調(diào)節(jié)閥閥門的開度進行調(diào)節(jié)，流量通過流量計測量，引氣的總壓和總溫通過測溫、測壓組件測量。當進行發(fā)動機引氣試驗時，只要將試驗臺引氣接口與發(fā)動機的引氣口用卡箍組件連接即可。試驗臺A、B和C引氣流路情況見表2所示。

2 試驗臺引氣系統(tǒng)的問題分析

根據(jù)渦槳發(fā)動機試驗臺引氣系統(tǒng)的問題及其結(jié)構(gòu)，A引氣流路在發(fā)動機最大巡航狀態(tài)引氣流量測不到的主要因素有：（1）引氣流路阻力損失較大；（2）電動閥門選型不合理，引起節(jié)流。B和C引氣流路在發(fā)動機最大巡航狀態(tài)引氣小流量調(diào)不到的主要因素：孔板流量計選擇不合理。

2.1 A引氣流路管道阻力損失計算

管道阻力損失包括沿程阻力損失、局部阻力損失、靜壓阻力損失和加速度阻力損失。針對空氣，靜壓阻力損失和加速度阻力損失可以忽略。因此管路阻力損失計算公式如下[1]：

查管道附件局部阻力系數(shù)表[1]得k=121.808。查摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)Re和管壁特性的關(guān)系圖得f=0.0286。由（2）式得A引氣沿程阻力損失ΔPf=1099Pa。由（3）式得A引氣局部阻力損失ΔPk=25995Pa。因此，A引氣流路阻力損失ΔP=31158Pa。從A引氣流路管路的阻力損失計算可以得知：A引氣流路的管路的阻力損失較大是引起A引氣流路在發(fā)動機最大巡航狀態(tài)引氣流量測不到的原因之一。因此A引氣流路需改進來減少流路流阻。

2.2 電動調(diào)節(jié)閥的選型分析

電動調(diào)節(jié)閥在引氣流路中起調(diào)節(jié)引氣流量的作用，其通徑的大小對調(diào)節(jié)流量的精度和流路壓力損失有較大影響。因此電動調(diào)節(jié)閥的選型很重要。

2.2.1 閥門流量系數(shù)確定

調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)Kv是調(diào)節(jié)閥的重要參數(shù)，它反映調(diào)節(jié)閥通過流體的能力。根據(jù)調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)Kv的計算，就可以確定選擇調(diào)節(jié)閥的通徑。調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)Kv計算公式如下：

2.2.2 根據(jù)流量系數(shù)確定調(diào)節(jié)閥門通徑

試驗臺流量調(diào)節(jié)一般選取閥門流量特性為線性或等百分比特性的閥門，考慮計算出的流量系數(shù)有一定誤差，按閥門開度60%左右的流量系數(shù)，選取閥門類型和閥門通徑。根據(jù)A引氣流路的流量系數(shù)和閥門精度等考慮，A引氣流路電動閥通徑在（65～100）mm比較合理，而改進前的閥門通徑50mm偏小，容易引起節(jié)流，導(dǎo)致引氣不暢，即引氣流量測不到。根據(jù)計算的流量系數(shù)確定調(diào)節(jié)閥通徑進行了電動閥改進，A引氣流路電動閥通徑改為DN100。

2.2.3 其他要求

根據(jù)介質(zhì)的溫度和壓力、執(zhí)行機構(gòu)要求等工況確定調(diào)節(jié)閥門耐溫耐壓等級、執(zhí)行機構(gòu)精度等。

2.3 引氣流量計分析

2.3.1 引氣流量計特點分析

引氣流量測量一般可以采用孔板流量計、文氏管流量計、噴嘴、渦街流量計、熱式流量計、質(zhì)量流量計等。目前試驗臺引氣測量用的較多是孔板流量計和渦街流量計。孔板流量計屬于節(jié)流式差壓流量計，它適用的流速范圍較大，一般小于音速均可，一般耐溫范圍-50℃～550℃較廣，最大量程與最小量程比在3～4倍精度較高，但壓力損失大。渦街流量計其特點是壓力損失小，管道內(nèi)無可動部件，讀數(shù)重復(fù)性好，可靠性高，線形測量范圍寬，幾乎不受流體狀態(tài)變化的影響，但是流體流動狀態(tài)的不穩(wěn)定性和管路的機械振動會導(dǎo)致信噪比下降，影響測量，并且它耐高溫一般不超過300℃。

2.3.2 引氣流量計的選型

引氣流量計的選型主要是根據(jù)測試要求和流量計特點確定。測試要求主要包括管道內(nèi)徑，流體類型，介質(zhì)最大流量、常用流量、最小流量，介質(zhì)工況溫度、工況壓力和最大壓力損失要求，節(jié)流件前、后直管段要求?；谝陨戏矫妫Y(jié)合A引氣屬于低壓壓氣出口引氣，選擇渦街流量計較好；B和C引氣流路鑒于引氣溫度較高等因素，選擇孔板流量計較好。針對B和C引氣流路的問題，復(fù)查其引氣流量計，引氣流量計類型和其前后直管段符合要求，但B引氣流路孔板流量計量程為（15～60）kg/min，超出其量程流量計測量精度不高，可信度差，導(dǎo)致B引氣流路在發(fā)動機最大巡航狀態(tài)引氣流量（9.3±0.2）kg/min小流量調(diào)不到。同理C引氣流路孔板流量計量程為（20～90）kg/min，導(dǎo)致C引氣流路在發(fā)動機最大巡航狀態(tài)引氣流量（9.3±0.2）kg/min、（17.6±0.2）kg/min小流量調(diào)不到。因此B和C引氣流路的孔板流量計需改進。

3 試驗臺引氣系統(tǒng)改進設(shè)計

通過引氣流路阻力損失計算、電動閥的選型分析和引氣流量計分析，提出了試驗臺引氣系統(tǒng)主要改進思路：A引氣流路：（1）將引氣流路軸線基本與發(fā)動機引氣口同水平高度，并且盡量減少金屬軟管長度、管道變徑、彎頭等流阻損失大的因素；（2）選擇合適的電動調(diào)節(jié)閥；B和C引氣流路：合理選擇流量計的量程等。改進后的引氣流路情況，如表3所示。

4 試驗驗證

試驗臺引氣系統(tǒng)經(jīng)過改進設(shè)計后進行了引氣試驗驗證，試驗結(jié)果如表4所示。

通過引氣試驗驗證可知：引氣系統(tǒng)的設(shè)計改進思路和方案得當，試驗臺A、B和C引氣流路引氣流量滿足某渦槳發(fā)動機的引氣要求。

5 結(jié)語

針對某渦槳發(fā)動機試驗臺A、B和C三個引氣流路的問題，本文首先介紹了試驗臺引氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，從管道阻力損失計算、電動調(diào)節(jié)閥的選型、引氣流量計方面分析了問題的原因，并改進引氣系統(tǒng)，最后通過引氣試驗驗證，證明改進思路和方案有效，為以后發(fā)動機試驗臺引氣系統(tǒng)設(shè)計提供了思路和方法。

參考文獻

[1]徐灝.機械設(shè)計手冊，第一卷[M].機械工業(yè)出版社，1991.