某渦槳發動機試驗臺引氣系統改進設計

鄧楚慧　鄒植偉　田震

摘 要：針對某渦槳發動機試驗臺引氣系統存在的問題，從其結構和原理入手，通過管路阻力損失計算、電動調節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，為以后發動機試驗臺引氣系統設計提供了有益的參考。

關鍵詞：渦槳發動機；引氣系統；改進設計

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，根據航空渦輪螺槳和渦輪軸發動機通用規范（GJB242）中“4.4.1飛機系統引氣”的要求進行驗證試驗時，出現了以下問題致使試驗無法正常進行：1）A引氣流路在發動機最大巡航狀態引氣流量測不到；2）B和C引氣流路在發動機最大巡航狀態引氣小流量調不到。

經初步分析，上述問題不是由發動機引起，而是由試驗臺引氣系統引起，試驗臺引氣系統需要進行改進。

1 試驗臺引氣流路的結構組成

某渦槳發動機試驗臺引氣系統（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、電動調節閥及直管段等組成。引氣流量的大小通過電動調節閥閥門的開度進行調節，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。當進行發動機引氣試驗時，只要將試驗臺引氣接口與發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 試驗臺引氣系統的問題分析

根據渦槳發動機試驗臺引氣系統的問題及其結構，A引氣流路在發動機最大巡航狀態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，引起節流。B和C引氣流路在發動機最大巡航狀態引氣小流量調不到的主要因素：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表[1]得k=121.808。查摩擦系數與雷諾數Re和管壁特性的關系圖得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引氣流路在發動機最大巡航狀態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 電動調節閥的選型分析

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

2.2.1 閥門流量系數確定

調節閥的流量系數Kv是調節閥的重要參數，它反映調節閥通過流體的能力。根據調節閥的流量系數Kv的計算，就可以確定選擇調節閥的通徑。調節閥的流量系數Kv計算公式如下：

2.2.2 根據流量系數確定調節閥門通徑

試驗臺流量調節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有一定誤差，按閥門開度60%左右的流量系數，選取閥門類型和閥門通徑。根據A引氣流路的流量系數和閥門精度等考慮，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，容易引起節流，導致引氣不暢，即引氣流量測不到。根據計算的流量系數確定調節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

根據介質的溫度和壓力、執行機構要求等工況確定調節閥門耐溫耐壓等級、執行機構精度等。

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，管道內無可動部件，讀數重復性好，可靠性高，線形測量范圍寬，幾乎不受流體狀態變化的影響，但是流體流動狀態的不穩定性和管路的機械振動會導致信噪比下降，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測試要求和流量計特點確定。測試要求主要包括管道內徑，流體類型，介質最大流量、常用流量、最小流量，介質工況溫度、工況壓力和最大壓力損失要求，節流件前、后直管段要求。基于以上方面，結合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，導致B引氣流路在發動機最大巡航狀態引氣流量（9.3±0.2）kg/min小流量調不到。同理C引氣流路孔板流量計量程為（20～90）kg/min，導致C引氣流路在發動機最大巡航狀態引氣流量（9.3±0.2）kg/min、（17.6±0.2）kg/min小流量調不到。因此B和C引氣流路的孔板流量計需改進。

3 試驗臺引氣系統改進設計

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主要改進思路：A引氣流路：（1）將引氣流路軸線基本與發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）選擇合適的電動調節閥；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

試驗臺引氣系統經過改進設計后進行了引氣試驗驗證，試驗結果如表4所示。

通過引氣試驗驗證可知：引氣系統的設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動機的引氣要求。

5 結語

針對某渦槳發動機試驗臺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的結構，從管道阻力損失計算、電動調節閥的選型、引氣流量計方面分析了問題的原因，并改進引氣系統，最后通過引氣試驗驗證，證明改進思路和方案有效，為以后發動機試驗臺引氣系統設計提供了思路和方法。

參考文獻

[1]徐灝.機械設計手冊，第一卷[M].機械工業出版社，1991.