移動式燃油供給設(shè)備的研制與應(yīng)用

劉 濤，馮少鵬，許艷芝

(中國飛行試驗(yàn)研究院 發(fā)動機(jī)所，陜西 西安 710089)

1 引 言

航空發(fā)動機(jī)燃油供給系統(tǒng)的主要作用是為航空發(fā)動機(jī)試車提供滿足一定壓力和流量要求的干凈燃油。在航空發(fā)動機(jī)地面臺架試驗(yàn)時(shí)，燃油供給系統(tǒng)為航空發(fā)動機(jī)地面試車臺的一個子系統(tǒng)，主要包括儲油罐、燃油泵、過濾器等，系統(tǒng)復(fù)雜且不可移動[1,2]。

發(fā)動機(jī)移動試車臺是進(jìn)行航空發(fā)動機(jī)主要性能評定、故障判定的重要設(shè)備，在外場配備移動試車臺并大力開展外場深度修理能力，是實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動機(jī)快速保障的基礎(chǔ)，對于提高發(fā)動機(jī)外場檢測手段、增強(qiáng)發(fā)動機(jī)可維護(hù)性，都具有非常重要的意義[3,4]。同時(shí)，當(dāng)進(jìn)行發(fā)動機(jī)高原啟動試驗(yàn)、高寒啟動試驗(yàn)、不同燃料對比試驗(yàn)等特種試驗(yàn)時(shí)[5-7]，為了滿足這些特種試驗(yàn)的一些特殊需求，就需要發(fā)動機(jī)移動試車臺或移動式燃油供給系統(tǒng)。移動式燃油供給系統(tǒng)既可以作為發(fā)動機(jī)移動試車臺的一部分，也可以單獨(dú)使用來滿足發(fā)動機(jī)特種試驗(yàn)的需求。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及結(jié)構(gòu)組成

2.1 設(shè)計(jì)原理及技術(shù)難點(diǎn)

移動式燃油供給系統(tǒng)工作原理：通過氣體加壓系統(tǒng)給儲油罐充入壓縮空氣，使一定壓力的燃油經(jīng)過供油閥門、油濾、質(zhì)量流量計(jì)、防火電磁閥、金屬軟管等向發(fā)動機(jī)和起動機(jī)提供燃油，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 移動式燃油供給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

移動式燃油供給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)是要將儲油罐、空壓機(jī)、儲氣罐、質(zhì)量流量計(jì)、過濾器等發(fā)動機(jī)工作所需要的各個燃油系統(tǒng)部件和管路集成到運(yùn)輸車上。要求在有限的空間進(jìn)行合理地布局，保證各系統(tǒng)安全有效地工作，系統(tǒng)中儲油罐和儲氣罐等壓力容器的材料和制造工藝要滿足相關(guān)技術(shù)要求，保證能夠可靠地提供滿足試驗(yàn)要求的燃油壓力和燃油流量。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及技術(shù)指標(biāo)

移動式燃油供給系統(tǒng)主要由儲油罐、供油系統(tǒng)、氣體加壓系統(tǒng)及車體結(jié)構(gòu)等組成，供給系統(tǒng)車架7m×2.1m×2.5m，燃油壓力(0.15～0.4)MPa，最大燃油流量約30000kg/h。車輪選用某飛機(jī)主輪，方便短距離移動，有4個地腳支撐和吊掛點(diǎn)，便于地面固定和吊裝運(yùn)輸。

2.2.1 儲油罐

儲油罐為全不銹鋼結(jié)構(gòu)，儲油罐的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。在儲油罐上方設(shè)計(jì)有人孔及蓋，以方便對油罐的清理和維護(hù)。在下方設(shè)計(jì)有放油口和開關(guān)，用于清理油罐中的余油。油罐側(cè)邊加有液位計(jì)，用于觀察油罐內(nèi)儲油量。儲油罐上設(shè)有兩個加油口，一個為常壓加油口，另一個為壓力加油口，用于在不同加油狀態(tài)下對儲油罐進(jìn)行加油。

儲油罐上部還設(shè)有兩個安全閥，用于保證油罐的壓力在工作中不超過最大工作壓力，同時(shí)也保證了儲油罐的安全工作。為便于維護(hù)和使用，在儲油罐上還裝有排氣閥及進(jìn)氣接口。

圖2 儲油罐總體結(jié)構(gòu)

2.2.2 供油系統(tǒng)

供油系統(tǒng)工作原理：通過供氣系統(tǒng)給儲油罐充入壓縮空氣，從而在油罐上部形成一定的壓強(qiáng)，將罐內(nèi)燃油經(jīng)過供油閥門、油濾、質(zhì)量流量計(jì)、防火電磁閥、金屬軟管及接頭向發(fā)動機(jī)和起動機(jī)提供燃油。

供油系統(tǒng)采用二級燃油過濾裝置，一級過濾精度為16μm，二級過濾精度為10μm，保證燃油精度滿足發(fā)動機(jī)試車要求。供油系統(tǒng)裝有一臺質(zhì)量流量計(jì)，用于測量系統(tǒng)供油和記錄發(fā)動機(jī)開車時(shí)的燃油消耗量及燃油密度。

供油系統(tǒng)裝有一個防火電磁閥，用于切斷燃油供應(yīng)和應(yīng)急防火關(guān)閉。為了保證安全，電磁閥由氣壓控制。供油系統(tǒng)經(jīng)過金屬軟管與發(fā)動機(jī)管路對接，前端有自封裝置。

2.2.3 氣體加壓系統(tǒng)

氣體加壓系統(tǒng)主要是向燃油罐提供壓力，使發(fā)動機(jī)能夠得到合適的燃油壓力，主要由儲氣罐、空氣壓縮機(jī)、氣濾、開關(guān)、減壓閥等組成，氣體加壓系統(tǒng)原理圖如圖3所示。系統(tǒng)最大供氣壓力0.8MPa，最大供氣量60m3/h，氣罐容積為1m3。供氣系統(tǒng)經(jīng)空氣壓縮機(jī)一級減壓，從氣罐輸出壓力調(diào)定后，打開供氣開關(guān)，系統(tǒng)氣壓通過減壓閥、氣水分離器(氣過濾器)向油罐充氣。減壓閥輸出壓力可調(diào)，試驗(yàn)時(shí)設(shè)定所需壓力，當(dāng)供油壓力降低時(shí)，減壓閥自動工作，為油罐補(bǔ)充壓縮空氣。

圖3 氣體加壓系統(tǒng)原理圖

3 系統(tǒng)調(diào)試及試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 系統(tǒng)調(diào)試

移動式燃油供給系統(tǒng)研制完成后，需進(jìn)行系統(tǒng)各附件的管路清潔，保證燃油質(zhì)量，同時(shí)開展系統(tǒng)氣密性和功能性檢查。

(1)管路清潔：對系統(tǒng)油罐和油管等附件進(jìn)行吹掃和清理；加注航空煤油，使用燃油泵對整個供油系統(tǒng)進(jìn)行循環(huán)過濾和清洗；將燃油排放，打開儲油罐上方人孔，進(jìn)入儲油罐內(nèi)清理底部；更換油濾濾芯，重新加注航空煤油，再次進(jìn)行循環(huán)過濾；化驗(yàn)燃油是否滿足發(fā)動機(jī)燃油的清潔度要求。

(2)氣密性檢查：開啟空壓機(jī)，對儲氣罐和空壓機(jī)進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，檢查氣路系統(tǒng)(儲氣罐、氣濾、空壓機(jī)閥、減壓閥、安全閥及管接頭)工作是否正常，是否有漏氣現(xiàn)象；將壓縮空氣經(jīng)過儲氣罐和減壓閥充入儲油罐，對儲油罐進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，檢查各燃油部件和連接處(儲油罐、油濾、截止閥、應(yīng)急閥、旋轉(zhuǎn)接頭、自封接頭、轉(zhuǎn)盤軟管、安全閥)是否漏油。

(3)功能性檢查：增大儲氣罐和儲油罐壓力，檢查當(dāng)氣體壓力超過安全閥工作壓力時(shí)，安全閥是否能夠正常工作；檢查當(dāng)油罐壓力降低時(shí)，減壓閥是否能夠自動向油罐補(bǔ)充氣體，以滿足壓力需求；檢查電磁閥、供油閥門和質(zhì)量流量計(jì)是否工作正常。

系統(tǒng)調(diào)試完成后，將供油管路和發(fā)動機(jī)的進(jìn)油口管路相連接，給儲油罐充入一定壓力的氣體，穩(wěn)定后經(jīng)測試，發(fā)動機(jī)進(jìn)口供油壓力符合發(fā)動機(jī)試車要求。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

移動式燃油系統(tǒng)調(diào)試完成后，進(jìn)行某型發(fā)動機(jī)地面臺架試驗(yàn)驗(yàn)證，分別進(jìn)行了發(fā)動機(jī)啟動試驗(yàn)、各狀態(tài)穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)和加減速試驗(yàn)。

圖4為發(fā)動機(jī)啟動時(shí)供油壓力和燃油流量變化。在啟動過程中，隨著供油流量和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的增加，供油壓力從0.26MPa緩慢減小，啟動成功后穩(wěn)定在0.22MPa。由于啟動過程中需要的燃油量很小，超出了質(zhì)量流量計(jì)的量程范圍，當(dāng)啟動成功，發(fā)動機(jī)處于慢車狀態(tài)時(shí)，質(zhì)量流量計(jì)才能夠檢測到燃油流量，故燃油流量在慢車時(shí)發(fā)生跳躍現(xiàn)象。同理，高低壓轉(zhuǎn)速在低轉(zhuǎn)速(5%)時(shí)發(fā)生跳躍也是超出了轉(zhuǎn)速傳感器測量范圍。

圖4 啟動時(shí)的供油壓力和燃油流量

圖5為發(fā)動機(jī)在大狀態(tài)(中間和加力狀態(tài))時(shí)供油壓力和流量的變化。在發(fā)動機(jī)中間和小加力狀態(tài)時(shí)，供油壓力較為穩(wěn)定，變化范圍±0.005 MPa(±2.5%)，燃油流量變化范圍±100 kg/h(±2%)。當(dāng)發(fā)動機(jī)處于加力狀態(tài)時(shí)，燃油流量增加到約21000 kg/h，波動范圍±1%，供油壓力持續(xù)降低，從0.175 MPa逐漸降低，最后穩(wěn)定在0.155 MPa。當(dāng)推動油門桿角度，發(fā)動機(jī)供油量增加時(shí)，供油壓力有突降現(xiàn)象，這是由于供油流量在短時(shí)間突然變大，此時(shí)儲油罐壓力低于設(shè)定壓力，減壓閥自動打開給儲油罐補(bǔ)充壓縮空氣，供油流量穩(wěn)定后，供油壓力恢復(fù)正常。

圖5 大狀態(tài)時(shí)的供油壓力和燃油流量

試驗(yàn)過程中，當(dāng)儲油罐壓力低于設(shè)定壓力時(shí)，減壓閥自動打開給儲油罐補(bǔ)充壓縮空氣。當(dāng)儲氣罐空氣壓力低于設(shè)定壓力時(shí)，空氣壓縮機(jī)自動給儲氣罐補(bǔ)充壓縮空氣。試驗(yàn)時(shí)，儲油罐液位、儲油罐壓力的變化平穩(wěn)，尤其當(dāng)發(fā)動機(jī)加力狀態(tài)燃油消耗量巨大時(shí)，系統(tǒng)供油壓力、供油流量和供氣系統(tǒng)供氣量能夠滿足發(fā)動機(jī)試驗(yàn)需求，發(fā)動機(jī)工作正常。

4 結(jié) 論

(1)通過分析發(fā)動機(jī)燃油供給系統(tǒng)，研制了一種移動式燃油供給設(shè)備，該設(shè)備設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)布局緊湊。

(2)通過系統(tǒng)附件和管路清洗、系統(tǒng)氣密性檢查和功能驗(yàn)證等調(diào)試措施，系統(tǒng)燃油清潔度滿足要求，各功能工作正常，移動便捷。

(3)通過發(fā)動機(jī)地面臺架試驗(yàn)驗(yàn)證，該設(shè)備能夠滿足發(fā)動機(jī)在加力狀態(tài)下的燃油供給需求，工作穩(wěn)定可靠，表明該設(shè)備能夠滿足發(fā)動機(jī)所有狀態(tài)下的燃油供給需求。

(4)移動式燃油供給設(shè)備可為發(fā)動機(jī)外場試車、排故檢查和特種試驗(yàn)提供燃油供給保障。