隨著新一代航空發(fā)動機性能方案的明確及FADEC技術(shù)的不斷發(fā)展,控制任務(wù)和控制參數(shù)逐漸復雜化,研制中燃油及控制系統(tǒng)地面試驗內(nèi)容必然不斷增多,關(guān)鍵參數(shù)測試的性能要求也不斷提高[1]。發(fā)動機控制系統(tǒng)性能的提升,取決于控制理論、方法等軟件條件和傳感器、執(zhí)行機構(gòu)、控制器等硬件性能不斷革新以滿足技術(shù)匹配。燃油系統(tǒng)是發(fā)動機控制系統(tǒng)的核心,它直接關(guān)系控制系統(tǒng)乃至整個發(fā)動機的性能優(yōu)劣,影響飛機的飛行安全與穩(wěn)定 [2]。燃油量作為***核心的技術(shù)參數(shù),直接決定著發(fā)動機的運行狀態(tài)和性能,加之與發(fā)動機轉(zhuǎn)速、推力(或軸功率)、溫升等重要參數(shù)依賴關(guān)系強,測算方法簡單、精度高,常作為航空發(fā)動機控制系統(tǒng)的控制量,對發(fā)動機狀態(tài)進行實時調(diào)節(jié)或控制[3]。圖1.1所示為典型航空發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制回路,該系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速為被控對象,供油量(即燃油量)則為系統(tǒng)的控制量,此時發(fā)動機轉(zhuǎn)速通過供油量調(diào)節(jié)。因制造實驗成本巨大,研發(fā)過程中控制系統(tǒng)需歷經(jīng)諸如硬件在回路(如傳感器、燃油泵或控制器等)、半物理實驗(燃油系統(tǒng)及調(diào)節(jié)器)、臺架試車等多項地面實驗,以在機載實驗前摸清控制元件或系統(tǒng)特性,驗證設(shè)計效果、***大程度減小實驗和應(yīng)用風險,以上實驗都需建立在對燃油量準確檢測的基礎(chǔ)之上[4];當前,航空發(fā)動機正由傳統(tǒng)機械液壓控制逐步發(fā)展為數(shù)字電子控制,以滿足多變量、高精度、高可靠性和可維護性等要求。發(fā)動機控制方式轉(zhuǎn)變帶來了被測量和控制量的變化,傳統(tǒng)液壓機械式控制常以位置閉環(huán)間接控制燃油量,而數(shù)控系統(tǒng)如基于電動燃油泵的航空發(fā)動機燃油控制將直接以燃油量作為反饋量實現(xiàn)流量閉環(huán),進一步簡化系統(tǒng)并提升供油品質(zhì),但都必須對燃油量進行實時測量;軍用飛機寬包線、大機動飛行的特點在控制器設(shè)計時也常依賴燃油量作為重要輸入或觀測量,由此其動態(tài)性能很大程度上受限于燃油量監(jiān)測的動態(tài)性能,因此對燃油量非穩(wěn)態(tài)測量提出了具體要求。以上表明,燃油量的測量特別是非穩(wěn)態(tài)測量在今后高性能航空發(fā)動機研制過程中有著決定性的理論意義和工程應(yīng)用價值,必須設(shè)計與選擇高性能流量檢測元件實時獲取發(fā)動機運行時的高精度供油量信號。燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)及其執(zhí)行機構(gòu)成為航空發(fā)動機控制系統(tǒng)中至關(guān)重要的組成部分,實驗室開展硬件在環(huán)(HIL)試驗、燃油泵試驗或燃油調(diào)節(jié)器,發(fā)動機臺架或半物理試驗等都需建立在對燃油流量準確計量的基礎(chǔ)之上。
流量,是指單位時間內(nèi)流經(jīng)封閉管道或明渠有效截面的流體量[5]。以體積表示時稱為體積流量,以質(zhì)量表示時稱為質(zhì)量流量[6]。流量不同于體積、質(zhì)量或長度等物理量,其具有自身特點:流量是不存在實物標準的導出量,只能在特定條件下由基本量合成。流量實際上是一個動 態(tài)概念,只有當流體運動起來時,流量才具有實際意義。因而,要準確并實時測量具有動態(tài)特性的流量是很困難的。有關(guān)流量的測量可以追溯到古代水利工程和城市供水系統(tǒng):古羅馬凱撒時代已采用孔板測量居民飲用水量;古埃及用堰法測量尼羅河流量;我國古代的都江堰水利工程應(yīng)用寶瓶口水位觀測水量的大小[7]?,F(xiàn)代工業(yè)過程中,流量也是重要的監(jiān)測參數(shù),在能源計量、環(huán)境保護工程、交通運輸、生物技術(shù)等多個領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。
圖 1. 1 航空發(fā)動機典型主燃油控制回路
測量流量的儀器叫做流量計,流量計分類方法很多——按測量介質(zhì)的不同,可分為氣體流量計和液體流量計;按照測量原理的不同,可分為渦街流量計、渦輪流量計、超聲波流量計、孔板流量計等[8]。其中,渦輪流量計以其測量精度高、重復性好等特點在諸多場合均被選作流量的測量儀器。然而,由于軸承磨損,渦輪轉(zhuǎn)子葉片受到油液腐蝕,流體介質(zhì)變化甚至周圍環(huán)境的變化等原因,長期使用的渦輪流量計會產(chǎn)生性能退化,其儀表系數(shù)勢必發(fā)生變化,使測量的性很難得到保證。很長一段時間以來,在渦輪流量計使用中,存在著靜態(tài)校準,動態(tài)使用的問題[9],即只對渦輪流量計進行靜態(tài)校準,卻使用其測量非穩(wěn)態(tài)流量。隨著航空業(yè)的發(fā)展,
在航空發(fā)動機等動力裝置的研制和使用過程中常遇到非穩(wěn)態(tài)燃油流量問題[10],非穩(wěn)態(tài)燃油流量是指在穩(wěn)態(tài)流量的基礎(chǔ)上疊加有周期的、隨機的甚至階躍形式的擾動,這對渦輪流量計的動態(tài)性能提出了更高的要求。然而,目前對于渦輪流量計的動態(tài)特性認識不足,非穩(wěn)態(tài)燃油流量的準確測量還存在一定誤差。通過前期調(diào)研發(fā)現(xiàn),國內(nèi)外用于流量計校準的裝置不多,對于校準方面的研究也較少,尤其動態(tài)校準的實際應(yīng)用方法屈指可數(shù)。本文將以渦輪流量計為例,探究流量計的動態(tài)校準方法。
可以看出,對渦輪流量計的動態(tài)校準展開理論分析及試驗研究具有實際工程應(yīng)用價值,同時也對航空發(fā)動機地面試驗中其他流量監(jiān)測設(shè)備的檢定具有一定的參考價值。
渦輪流量計:
渦輪流量計是一種速度式儀表,由渦輪轉(zhuǎn)子、前置放大器、軸承以及顯示儀表等組成[11]。渦輪流量計工作時,流體沖擊渦輪葉片轉(zhuǎn)動,葉片的轉(zhuǎn)動頻率與流量大小成正比——葉片轉(zhuǎn)動越快,則流量越大。圖 1.2 給出了渦輪流量計的結(jié)構(gòu)原理。前后管路利用連接件 1 緊固在一起;外殼 2 起到保護與支撐的作用,并和前穩(wěn)流器 3 和后穩(wěn)流器 8 組成整流裝置,對流進流出流量計的流體介質(zhì)起到導向作用,減少介質(zhì)對于葉片的沖擊,因而對外殼內(nèi)表面的粗糙度有一定要求;葉輪 5 固定于止推片 4 之上;渦輪葉片在安裝時與流量計軸線之間有一定的安裝角,流體介質(zhì)沖擊渦輪葉片時能夠產(chǎn)生驅(qū)動力矩;旋轉(zhuǎn)傳感器 6 將渦輪葉片的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為脈沖信號,如某渦輪流量計轉(zhuǎn)子擁有 n 個葉片,那么轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一周,將通過旋轉(zhuǎn)傳感器產(chǎn)生 n 次電脈沖;脈沖信號經(jīng)前置放大器方法處理后,進入顯示儀表或者上位機中進行計數(shù)和顯示。瞬時流量和累計流量值分別可根據(jù)單位時間內(nèi)的電脈沖數(shù)和累積脈沖數(shù)獲得。當渦輪流量計處于穩(wěn)態(tài)流中時,存在著如下的穩(wěn)定關(guān)系 nqK式中,q是流量計顯示流量,L/min;n是流量計渦輪葉片個數(shù);?是流量計渦輪轉(zhuǎn)動頻率;K是流量計儀表系數(shù),1/L。
圖 1. 2 渦輪流量計結(jié)構(gòu)原理
渦輪流量計轉(zhuǎn)子輕,慣性小,因而適合于動態(tài)測量,并且測量精度高,線性范圍寬、重復性好[12]。渦輪流量計在工作時,作用在渦輪葉片上的力矩主要有:流體介質(zhì)對渦輪葉片的驅(qū)動力矩T,支撐軸承與渦輪軸的摩擦阻力矩Trm,流動阻力矩Trf以及電磁阻力矩Tre。根據(jù)牛頓運動定律,可得以下渦輪流量計的運動方程[13] (1.2) 式中,Jm是渦輪轉(zhuǎn)動慣量;ω是渦輪旋轉(zhuǎn)角速度;T是驅(qū)動力矩;Trm是摩擦阻力矩;Trf是流動阻力矩;Tre是電磁阻力矩,該值通常較小,可以忽略。
注意到,式1.1中有渦輪流量計的儀表系數(shù)K,這一概念由美國人D.J. Higson[14]在上世紀六十年代次提出,他用水作為介質(zhì)驗證了渦輪流量計的瞬態(tài)特性。當渦輪轉(zhuǎn)速變化時,用陰極射線示波器顯示其特性,發(fā)現(xiàn)渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與時間以指數(shù)方式接近一個常值。流量計的松弛時間tR和流量q的乘積是一個定值,即tRq=K,K是一常數(shù),由渦輪流量計本身的性質(zhì)決定。從而次定量地提出了儀表系數(shù)這一概念,為之后的渦輪流量計研究打下了堅實的理論基礎(chǔ)。渦輪流量計儀表系數(shù)的物理意義是,單位體積的流體介質(zhì)流過時流量計輸出的脈沖數(shù),量綱為脈沖數(shù)每升。誠然,如前文所述,渦輪流量計有著諸多優(yōu)點,但是它的缺點同樣不可忽視:測量兩相流或者粘度較大的流體是存在較大的誤差;對測量流體介質(zhì)的清潔度要求較高,不清潔的流體可能造成渦輪葉片被卡的后果;同時,渦輪流量計是一種直接接觸式儀表,因而不適用于腐蝕性流體的流量測量,這也是造成渦輪流量計性能退化的因素之一。