PT-16燃油調節器綜合性能試驗臺設計與實現

顧菊芬，許衛洪，曹應明

(1.無錫商業職業技術學院物聯網學院，江蘇無錫214153；2.江蘇聯合職業技術學院無錫交通分院，江蘇無錫214151)

1 引言

PT-16燃油調節器是某型航空發動機主燃油系統的核心部件，負責發動機起動、加速、減速等各種工作狀態下穩定工作所需燃油的供給和調節，其精度、準度及響應時間直接影響發動機性能，進而影響飛機飛行的安全性和穩定性[1-3]。燃油調節器的性能，必須在出廠前通過臺架試車檢驗。國內原有試驗臺采用手動方式調節燃油流量、壓力，手動記錄過程數據，對試驗人員要求高，且檢測效率低、可靠性差。因此，為充分檢驗燃油調節器性能，適應新形勢下對燃油調節器越來越高的技術要求，提高檢測效率，本課題組參與設計、制造了一套PT-16燃油調節器綜合性能試驗臺。該試驗臺要求能模擬發動機運行過程中燃油調節器的實際工作流程，并記錄過程數據。

2 試驗臺設計要求

要求對PT-16燃油調節器最小壓力活門開啟壓力、壓差、轉速、供油量、供油特性、漏油量及密封性能進行檢查記錄，為出廠驗收提供依據。根據廠方技術協議書的要求和國家有關規定，本試驗臺：①滿足燃油調節器的按“PT-16燃油調節器技術條件”進行生產驗收試驗的各項要求，并提供該調節器在飛行包線范圍內發動機穩定工作狀態時的相似邊界條件；②高壓燃油泵RZB-1和PT-16的轉速、扭矩和動態響應特性，滿足技術條件中規定的試驗要求，滿足發動機起動、加速、穩定工作、制動狀態的性能要求；③監控系統實時監控試驗全過程，能夠自動進行報警顯示、參數設置、數據歸檔及打印等功能，響應時間符合相關技術要求；④設備設計符合國家有關消防、技安、環保等的規定，方便設備檢查、維護及檢修。

3 燃油調節器試驗臺總體方案設計

PT-16燃油調節器綜合性能試驗臺，由空氣系統(包括正壓空氣系統和負壓空氣系統即真空系統兩大部分)、燃油供給系統、機械傳動系統、電氣傳動系統、動力配電系統、SCADA系統以及操縱臺本體等組成，其總體方案框圖如圖1所示。整個設計過程一直遵循先進、安全、經濟、適用的原則，根據試驗車間布局將試驗裝置布置在三個房間內，分別為電氣間、燃油間和操作間。為確保試驗安全，將電氣間與燃油間隔離，燃油間還設計有相應的防爆設施。除試驗器電氣間、燃油間內的部件外，其他系統及部件都安裝在操作間的操作臺內部或面板上。

3.1 試驗臺燃油供給系統設計

燃油供給系統按試驗件的技術要求，向燃油調節器提供一定壓力、溫度和足夠流量的潔凈燃油，滿足燃油調節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試驗件的進口，經PT-16計量后的燃油經過主油路當量噴嘴、副油路當量噴嘴后流回油箱。為確保燃油壓力符合試驗要求，在調節器燃油進口前增加了手動微調旋鈕，在特殊情況下可以對壓力進行人工干預。系統原理框圖如圖2所示。

低壓泵與RZB-1之間設置有三級浮子流量計以及換熱器、粗油濾、細油濾等。浮子流量計分段對燃油流量進行計量，同時在主、副油路上設置渦輪流量計(與浮子流量計串接)，分別對主油路、副油路的流量進行計量。系統中還裝有壓力表和熱電偶等傳感器，用于SCADA系統對試驗臺進行測量、監控和管理。

3.2 試驗臺電氣系統設計

試驗臺電氣系統包括動力配電系統和電氣傳動系統兩大部分。動力配電系統向試驗設備提供不同電壓(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。動力配電箱采用標準配電箱，進線電壓三相交流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。

電氣傳動系統選用西門子6SE70VC矢量控制變頻器、1PH7系列主軸電動機、S7-300PLC、制動單元和OP操作面板等組成，系統框圖如圖3所示。兩臺交流變頻電動機由各自的變頻器驅動，分別通過傳動裝置轉接后驅動RZB-1和PT-16的轉速調節器運轉。電動機的轉速可通過手動調節兩個獨立的旋鈕來實現轉速分別給定和調整，也可手動調節另外一個旋鈕實現同時給定和調整兩臺電動機的轉速，并使這兩臺電動機隨時保持恒定的速比關系協同工作。這種恒定速比關系可以預先設置成以RZB-1的轉速為基準，使之與PT-16的轉速比始終保持1:1.434，反之亦然；系統還可選擇通過OP操作面板進行人機對話，以數字方式給定電動機轉速，并自動、精確地調整到給定值。

西門子6SE70VC矢量控制變頻器驅動電動機的設計，省去了齒輪箱及與之配套的潤滑系統，通過對變頻器參數設定既可以自由地分別進行轉速調整，也可以保持一定的轉速關系，且轉速比誤差不超過1%；此外，電氣傳動系統與RZB-1分開放置，將高壓燃油泵安裝在操縱臺外的獨立隔聲間里，達到與操作臺隔振、隔聲的要求。

3.3 試驗臺SCADA系統設計

遵循安全、高效的設計原則，SCADA系統采用雙層網絡結構，結構框圖如圖4所示。系統選用西門子315-2 PN/DP型PLC作為核心控制器，CPU通過PROFIBUS現場總線與RZB-1電動機變頻器、PT-16電動機變頻器、操作臺遠程IO站ET200以及輔助系統遠程IO站ET200M遠程從站實現網絡通訊，對試驗全過程壓力、壓差、轉速、供油量、漏油量等數據進行采集，并控制各類泵、電機、閥門等試驗設備實現控制要求。試驗臺中控室配備兩臺工業控制計算機作為操作員站(其中一臺兼工程師站)，裝有WINCC監控軟件的操作員站通過工業以太網與PLC進行通訊，實現試驗過程的實時監控，完成界面操作、參數設置、數據歸檔、報警顯示和報表打印等功能[2，5-8]。為提高系統安全性，所有重要部件(如PLC、操作員站)均配置UPS不間斷電源。

3.4 其他系統設計

其他系統設計主要包括機械傳動、正壓空氣和負壓空氣等系統的設計。機械傳動系統由PT-16傳動單元體和RZB-1傳動單元體組成，選用西門子1PH7系列主軸電動機通過機械傳動裝置直接驅動RZB-1和PT-16試驗件。電動機的調速范圍和控制精度覆蓋PT-16技術條件中規定的試驗轉速要求，完全滿足試驗臺的技術要求。正壓空氣系統主要由空氣壓縮機、除塵和除油過濾器、空氣減壓閥、空氣調壓閥、針閥等組成。系統選用英格索蘭C29MX3無油離心壓縮機向試驗件提供標準狀態下流量不小于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過濾、減壓或調壓后送入PT-16的P3口、再調口和P2口。負壓空氣系統由真空泵、油氣水分離器、空氣調壓閥、針閥等組成，主要負責對試驗件特定接口抽真空。負壓空氣系統將空氣分二路抽出，一路直接經并聯的截止閥和針形調壓閥將P2口內的空氣抽出，另一路將漏氣口的空氣經油水分離器抽出同時用浮子流量計計量空氣流量。

4 試驗臺性能驗證

根據PT-16技術規范要求，燃油調節器的性能試驗主要包括以下內容：油門開關位于0°位置時通電檢查油門開關前后壓力變化，出口處應無燃油滲出；最小壓力活門開啟壓力的調整；定壓差的調整；最大供油量的調整；狀態供油量的調整；起動供油特性的獲取；檢查液壓執行機構共有特性的非重復性；漏油量檢查；密封性檢查等。

在PT-16燃油調節器綜合性能試驗臺上對PT-16進行的性能試驗表明，該試驗臺能夠高效地對PT-16進行密封試驗和性能試驗，試驗過程電氣系統運轉良好，監控系統能夠監控試驗全過程，自動進行報警顯示、參數設置、數據歸檔及打印等功能。圖5示出了SCADA系統采集的燃油調節器在起動、加速、高速運行、減速、怠速運轉全過程的燃油流量變換曲線。

5 結束語

該燃油調節器綜合性能試驗臺采用了先進、成熟的成附件產品，實現了發動機運行過程中燃油調節器工作流程的仿真。能完成燃油系統高壓密封性檢查、正/負壓空氣系統密封性檢查、海平面不修整狀態下調整點檢查、冷卻油流量檢查、地面慢車供油量檢查、起動供油量檢查、高空慢車流量檢查、單點加速/減速流量測定等所有設計要求的試驗內容。試驗臺SCADA系統實現了壓力、壓差、溫度、供油量和漏油量等各種過程參數的自動采集和記錄，極大地提高了試驗效率并降低了勞動強度。試驗臺投入使用一年來，已完成多臺PT-16燃油調節器的性能檢測任務，能方便、準確地檢測出調節器的各項性能參數，為其出廠驗收提供了強有力依據。

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