渦輪流量傳感器油耗測量及流阻特性實驗分析

尹川 李曉琳 郭政波

摘要：發動機油耗測量采用渦輪流量傳感器切斷油管安裝測量，通過液體流動帶動葉輪旋轉的速度大小反映流體流速。由于某些部位的燃油管路直徑小，催動葉輪轉動會減小供油壓力，影響發動機供油速率，嚴重時會阻滯發動機油管造成飛行質量事故。該文首先引入計算雙轉子燃油流量的關鍵參數K因子，并結合上下游轉子頻率和流量之間的關系，得出渦輪流量傳感器油耗測量原理及其流阻特性計算方法;再以其研究結果為基礎，搭建流阻特性實驗測試平臺，合理設計不同流量給定值的實驗點，并分析燃油管道轉接點前后壓力值、實際管道壓差以及實際流量響應曲線，得到影響流阻系數各因素之間的作用規律，為加裝在小口徑燃油管路的流量傳感器選擇提供指導。

關鍵詞：發動機油耗;渦輪流量傳感器;流阻特性

中圖分類號：TH814 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）10-0078-06

收稿日期：2019-03-06;收到修改稿日期：2019-04-25

基金項目：十三五共用技術（41403020203）

作者簡介：尹川（1987-），男，陜西西安市人，工程師，碩士，主要從事飛行試驗機載測試技術。

0 引言

飛行器飛行試驗過程中，在考核發動機性能時需要對發動機油耗進行測量，對多臺發動機油耗測量就需要分多級支路油管測量，但這些管路的直徑大小往往不同。常用的測量方法為采用渦輪流量傳感器截斷油管安裝在切口橫截面，利用葉輪旋轉角速度與燃油成比例的關系，通過測量葉輪轉速來反映燃油流量的大小，可實現瞬時流量和累積流量的計量。

在實際加裝傳感器過程中，由于發動機某段燃油管路直徑小而選擇小口徑渦輪流量傳感器，但加裝渦輪傳感器會減小供油壓力，影響發動機供油速率，嚴重阻滯發動機油管造成飛行質量事故[1]。因此，對加裝在發動機燃油管路直徑較小部位渦輪流量傳感器的流阻特性實驗分析是發動機油耗鑒定必不可少的一步。

1 雙轉子渦輪流量傳感器工作原理

該燃料流量傳感器使用螺旋轉子葉片，這種葉片能夠更直接地使流體動能轉換成沖擊能量作用于轉子葉片，從而其更容易反映流量變化。同時，螺旋葉片的使用降低了燃油對軸承的影響，延長了軸承壽命[2]。

兩個轉子具有相反的旋轉方向，這是雙轉子燃油流量傳感器的主要特點，其工作示意圖如圖1。它的優點是能形成流體間的耦合，并且渦流對兩個轉子作用方向相反。上游的轉子在耦合效應影響下轉速會減小，使下游轉子轉速增加，但上下游轉子轉速的增減程度相同。也就是說，在存在渦流的情況下上下游轉子合成轉速是恒定的。

在實際工作中，燃油首先流經導流器，驅動上游轉子并形成近90°攻角從而驅動下游轉子，流體則可以最大能量驅動下游轉子造成沖擊，這樣使此類傳感器的測量范圍大大增加，明顯優于其他流量傳感器。利用采集器接收傳感器的轉子頻率信號傳輸到信號，使轉速反映為電信號輸出，最終實際燃油流量由測試校準曲線反解求得。以下介紹具體計算過程。

2 雙轉子流量傳感器油耗測量計算

首先引入計算雙轉子燃油流量的關鍵參數K因子。它直接反映了轉子頻率和流體體積流量之間的關系：

式中：FREG——轉子的頻率，Hz;

W_F——通過流量傳感器的燃油體積流量，L/h。

利用測試校準儀器對流量傳感器進行測量范圍內的校準，從而得到關于K因子和轉子頻率FREQ以及運動粘度系數VISC之間的關系曲線，其中運動粘度系數的單位centistoke簡寫為cts。

每個流量傳感器的K因子都不相同，這是因制造方式、供應商不同所致，那么每個雙轉子燃油流量傳感器都會在實驗室進行出廠校準并形成各自的K-FREQ/VISC曲線圖。

以美國Exactflow公司FFMA-12型雙轉子燃油流量傳感器為例，當運動粘性系數分別為0.87cts和1.62cts時，其上、下游轉子的K-FREQ/VISC曲線圖分別如圖2、圖3所示[3]。

圖4、圖5是根據不同粘度燃油的校準曲線分別合成的上下游轉子單獨的K因子關系曲線圖，該曲線結果針對不同粘度燃油的測量均可適用。但在使用過程中實際應用的校準曲線是上、下游轉子合成后的K-FREQ/VISC校準曲線，該曲線直接反映了傳感器的工作狀態，曲線結果如圖6所示。

計算燃油流量需要根據實際情況修正燃油運動粘度系數。充分考慮燃油溫度對燃油粘度的影響，以飛行中燃油溫度測量數據結果修正燃油運動粘度系數。按照公式（2），合成上、下游轉子的轉子頻率[4]：

下標COM為上、下游轉子校準曲線合成后的相關值，UPS代表上游轉子的相關值，DNS為下游轉子的相關值。

合成后的上下游轉子校準曲線（圖6）計算可得K因子，最終燃油體積流量可由公式（1）計算得出。

圖7為某飛行試驗中發動機性能品質科目的數據，以此驗證該計算方法的正確性。如圖8和圖9所示，對廠家提供的計算結果與某次飛行試驗中的數據計算結果進行對比。

經計算驗證，燃油溫度對燃油運動粘度系數的影響基本可以忽略，所以本文采用定運動粘性系數（1.08cts）。通過上述結果對比圖可知，計算結果與廠家提供的校準曲線趨勢基本相近，最大相對誤差在2.8%以內。在計算過程中，對燃油流量傳感器的K因子關系曲線進行多項式擬合，產生了系統誤差，但實際精度能夠滿足工程實踐及本次流阻特性實驗的需要。

但對于實際飛行試驗而言，發動機供油過程的安全性能是在試飛鑒定中必須考量的重要標準，所加裝的渦輪流量傳感器對供油壓力的影響還需作出充分的理論論證與實驗研究。

3 流阻特性測量原理

本次試驗是在確保燃油為紊流狀態下進行的，在雷諾數Re大于4×10⁴的情況下，平均流速V為

V=4Q/πd²（3）

式中：V——燃油管道內液體平均流速，m/s;

Q——燃油管道內流體流量，m³/s;

d——流量傳感器內徑，m。

根據上節的燃油流量計算方式，將直接測得的燃油體積流量W_F換算為燃油管道內流體流量Q，即Q=（3.6×10⁶）W_F，那么燃油管道內平均流速v即可得出。

流阻系數是流體壓力損失的一個無量綱系數，其反應了液體過閥門流通阻力或者能耗損失。這里流阻系數取決于油耗傳感器結構。流阻系數計算方法如下：

式中：ζ——流阻系數;

△P_v——管道壓力損失;

ρ——航空燃油密度，kg/m³;

g——重力加速度，m/s²;

△P_vt——被測傳感器與管道的壓力損失，kPa;

△P_t——管道的壓力損失，kPa。

由公式（3）和公式（4）可計算流阻系數為：

通過上式可知決定流阻系數ζ的是管道內燃油流量Q和壓差△P_v，ζ是函數f（Q，△P_v）的導出量，根據單位換算關系可得ζ也是函數f（W_F，△P_v）的導出量[5]。依據試驗原則測定最小流量與最大流量之間的均分流量等不少于5種流量下的壓力損失，且保證紊流狀態且雷諾數Re不小于4×10⁴。

4 雙轉子渦輪流量傳感器流阻特性實驗

本文裝機渦輪傳感器末端接口尺寸1/2 in（1in=2.54cm），內徑14mm，標準量程范圍0.25～2.5GPM、56.775～567.75L/h，擴展量程范圍0.1～3.0GPM、22.71～681.3L/h。采用燃油流量標準裝置提供標準燃油流量數據[6]，供油范圍100L/h～100000L/h，誤差0.05%。實驗標定臺如圖10所示。

在實物安裝示意圖（圖11）中，L₁指流量傳感器前管路總長，L₂指流量傳感器后管路總長，L指壓力傳感器（即轉接段位置）距離流量傳感器的長度），按照相關國標，L₁≥20×傳感器內徑，L=2×內徑，L₂≥5×內徑。通過兩個壓力傳感器測量壓差，具體流阻特性試驗測試方案如圖12所示[7]。

選取某發動機全包線內慢車以上最小燃油流量40kg/h，最大燃油流量為460kg/h（燃油密度按照0.8kg幾計算）。通過流量標定試驗臺給定以下流量測量壓差：56.7，120.7，136.7，152.7，168.7，184.7，200.7，216.7，232.7，248.7，280.7，350.0，450.0，500.0，567.7L/h。

不同時刻流量給定值即為實驗點，各實驗點的燃油流量響應值如圖13所示，燃油流量給定值變化范圍為49.5～581.2L/h。在施加不同流量給定后，實際燃油流量響應值呈現先上升后下降的趨勢，這說明渦輪流量傳感器的流阻特性受管道流量的影響嚴重，流量Q驟增時壓差△P_v響應滯后，使流阻系數突然減小后增大，進而造成以下曲線結果。

測量各實驗點不安裝渦輪流量傳感器前后壓力值的響應值以及測量安裝傳感器后壓力值，得到前轉接點壓力與后轉接點壓力的響應曲線如圖14和圖15所示，壓力損失對比如圖16所示。壓差的響應與流量響應相似，但滯后于實際流量響應曲線;而后轉接點壓力受流阻特性影響嚴重，因而波動范圍遠遠大于前轉接點壓力，呈現圖中結果。

從圖中可以看出燃油管道壓差變化隨每個實驗點管道流量給定值遞增，通過管道流量與壓差的關系（公式（6））可計算出渦輪流量傳感器的流阻系數，根據同實驗點的燃油流量響應值與壓力損失值，得到流阻系數變化曲線如圖17所示。

因施加給定流量輸入后，燃油流量與管道壓差響應時間與變化程度有所不同，而每個實驗點的流阻系數整體變化趨勢為先增大升后減小，也就是說，燃油經過流量傳感器的受阻程度先降低后上升。

根據每個實驗點穩定工作狀態燃油流量與管道壓差的數據結果，計算流阻系數ζ與管道壓差△P_v的關系曲線如圖18所示。

由圖可知，加裝在較小直徑燃油管道的小口徑流量傳感器流阻系數隨著管道前后壓差的增加呈現先升后降的趨勢，若流阻系數過小，則說明燃油經過流量傳感器時的壓力損失將過大[8]，會使發動機供油過程油管嚴重受阻從而造成飛行質量事故。可通過實驗結果判斷小口徑流量傳感器對發動機供油速率的影響程度，進而考核其在實際飛行測量油耗過程中飛機供油的安全性能。

5 結束語

本文通過研究雙轉子渦輪流量傳感器的工作原理，以及實時燃油流量和流阻系數計算方法，搭建流量標定試驗臺標定不同流量下小管徑渦輪流量傳感器連接前端與后段壓差值，最終以實測數據結果分析加裝在小口徑燃油管道的流量傳感器流阻特性，為解決航空發動機小口徑油管油量的安全測量提供了試驗基礎。

后續將針對加裝在不同口徑大小燃油管道的不同規格流量傳感器流阻特性深入研究，為選擇最匹配燃油流量實測環境條件的流量傳感器提供科學依據。

參考文獻

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[8]張明，陳立龍，王鐵棟.閥門流道結構對流體特性影響的分析與研究[J].閥門，2018（5）：24-27.

（編輯：徐柳）