某通用式燃油泵性能檢測試驗臺設計

楊圣華，徐 凱，周 玲，王雯雯

（航空工業洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

設計的通用試驗臺（以下簡稱試驗臺）一方面能夠根據不同的檢測需求，在其技術指標范圍內，建立起各類燃油泵工作時的仿真環境，包括工作高度、溫度、液位、流量等工作條件；另一方面能夠在已建立起來的工作條件下，完成對各類燃油泵的性能參數測試、計算和驗證，以檢查性能結果是否符合預期，并發現可能存在的產品問題。

1 方案設計

1.1 確定技術指標

考慮到一定的通用性，設計該試驗臺的技術指標為：

1）實現對被測燃油泵輸出流量在1000～56000L/h 范圍內自動調節功能。

2）可提供0～15.5km 高度氣壓的工作環境模擬條件。

3）實現對工作介質航空煤油10min 從30℃加熱至100℃的加溫控制能力。

4）能夠模擬被測燃油泵入口液位高度-400～600mm 范圍內自動控制功能。

5）能夠對被測燃油泵工作時的參數，包括工作時飛行高度、輸出流量、入口液位、工作介質溫度進行計算機采集、存儲和處理,并完成電氣控制、監視和告警等功能。

1.2 建設方案

1.2.1 系統原理設計

按照上述設計要求，研制的通用試驗臺原理圖見圖1，圖中所注符號說明見表1。

表1 圖1 中符號或序號含義

圖1 燃油離心泵性能檢測綜合試驗臺系統原理圖

試驗臺的組成主要包括：主、副油箱，流量模擬管路系統，高度模擬系統，溫度模擬系統，液位高度控制系統，測控、電氣及監控系統。

試驗臺中主油箱“1” 提供被測燃油泵的安裝平臺，設計有通用安裝接口；副油箱“2”作為主油箱的航空煤油（以下簡稱燃油）轉存油箱，實現在對液位高度進行自動控制時的燃油轉換輸送和主油箱空閑、維修、清洗階段的燃油轉存油箱。

流量模擬管路系統通過設置并聯的三段管路:油路Ⅰ，油路Ⅱ,油路Ⅲ分段實現被測燃油泵輸出流量在1000～56000L/h 范圍內的模擬調節。此類調節是依據輸入的流量值與現場測量值的差值并依據PID 控制原理通過控制電動調節閥SF1～SF3 的閥芯開度實現調節該油路通過的燃油流量。

高度模擬系統包括：水環式真空泵“4”作為真空抽氣源，兩個電動調節閥“SF4”、“SF5”作為真空度數值的調節機構，真空穩壓罐“3”為現場油箱進行氣路穩壓。以上各部分均在測控系統“21”的控制下實現對主油箱內真空度的控制，從而在0～15.5km 高度范圍內，實現被測燃油泵工作時所處環境高度的模擬。

燃油溫度模擬系統包括：熱交換泵“5”、交換器“17”（加熱用）、交換器“18”（冷卻用）、電加熱器“12”、循環式冷卻設備“13”，熱油泵“14”、冷水泵“15”、實現對燃油的加熱和冷卻，以滿足對試驗介質溫度的模擬要求。

液位高度控制系統主要包括：抽油泵“6”、液位控制調節電動調節閥“SF6”、“SF7”、液位控制轉輸引射泵“19”、“20”，能夠實現對主油箱內的液位高度控制、燃油主副油箱轉輸、燃油過濾、余油收集功能。

測控系統完成對現場數據的采集和對現場模擬量控制；電氣及監控系統完成對現場開關量的控制以及對現場設備的工作進行監控和處理。

1.2.2 系統原理說明

試驗前，確保副油箱“2”內燃油的儲存量，進行現場各部位檢查后，啟動測控系統和電氣及監控系統“21”，對現場采集的各信號參數進行零點檢查。將被測燃油泵安裝在主油箱上后，在測控系統計算機軟件界面上輸入需要加入的主油箱液位值和加油速度，打開液位控制電磁閥“DF8”，“DF9”，啟動抽油泵“6”，并在測控系統的操作下調節液位控制電動調節閥“SF6”，“SF7” 的開度，將副油箱內燃油轉輸至主油箱（此時“SF7”開度增大，同時“SF6”開度減小，并由開度的變化增量控制油面上升速度）。當達到指定的被測燃油泵工作時的液位高度（相對燃油泵入口）時自動控制調節保持該液位值（控制邏輯為：主油箱液位低于控制液位時，“SF7”開度增大，同時“SF6”開度減??；主油箱液位高于控制液位時，“SF6”開度增大，同時“SF7”開度減?。?。液位高度穩定后，給被測燃油泵上電，按照需要測試的流量，結合流量計的測量覆蓋范圍（見下文）選擇打開流量模擬管路的油路Ⅲ或油路Ⅱ或油路Ⅰ上對應電磁閥 “DF1”、“DF2”、“DF3”，由測控系統控制各電動調節閥SF1 或SF2 或SF3 以調節燃油泵出口流量，待流量值穩定后，計算機通過“P10”采集燃油泵進口壓力，通過“P1”采集燃油泵出口壓力，通過“Q1”或“Q2”或“Q3”采集燃油泵出口流量，通過“H1”采集所需的燃油泵工作液位，通過“T1”采集所需的燃油介質溫度，并將數據自動保存。

模擬被測燃油泵工作的環境高度時，啟動真空泵“4”，將真空穩壓罐“3”內壓力抽至最大真空度值，然后在測控系統計算機軟件界面上輸入需要的主油箱氣壓值，打開抽氣閥F3、F4，并在控制軟件的指令下調節真空路電動調節閥“SF4”用于抽氣、“SF5”開度用于進氣，逐步將主油箱氣壓值調節至所需真空度。

模擬被測燃油泵工作的燃油溫度時，如需升溫，打開電加熱器“12”，將導熱油加熱至約200℃后，啟動熱油泵“14”，打開熱交換電磁閥“DF4”，導熱油和試驗介質通過熱交換器“17”進行熱交換，促使航空煤油溫度升高，并由測控系統計算機監控主油箱溫度和熱油溫度，當溫度達到設定溫度時，自動關閉“14”并打開熱交換旁路電磁閥“DF6”（用于減少熱慣性的影響）,完成介質加熱。如需降溫，啟動冷卻設備“13”，將冷卻水強制冷卻至約14～18℃后，啟動冷水泵“15”，打開熱交換電磁閥“DF5”，使冷卻水和試驗介質通過熱交換器“18”進行熱交換，促使介質溫度降低，并由測控系統計算機監控主油箱溫度，當溫度達到設定溫度時，自動關閉“15”并打開熱交換旁路電磁閥“DF7”（同樣用于減少熱慣性的影響）,完成介質降溫。

對燃油介質進行溫控過程中，為維持主油箱內燃油介質溫度，由計算機自動控制，選擇交替進行以上熱循環和冷循環過程，以維持溫度控制。

測試工作結束，關閉各動力源，打開抽油泵“6”，將主油箱“1”內燃油抽至副油箱“2”內存儲，待主油箱卸壓后，拆卸被測燃油泵，恢復到工作前狀態。

2 主要參數設計及核算

2.1 主、副油箱及其附件

主油箱“1”為304 不銹鋼材質，結構形式為圓桶形，容積500L，內底部設有網孔式隔板，將吸油、回油隔離成不同區域，油箱設有安裝被測燃油泵、抽真空、清洗、加油、回油等管路接口，設計耐壓-95～+100kPa（表壓），耐溫100℃。被測燃油泵的相對安裝位置設計成距油箱底部400mm。副油箱“2”無用于安裝被測燃油泵接口，其他與主油箱相似。主、副油箱按GB150壓力容器制造和試驗。

為測量被測燃油泵、燃油的工作參數并監控安全，油箱上設計安裝以下附件：

1）溫度傳感器：測量油箱內燃油的實時溫度；

2）液位傳感器：測量燃油液位；

3）壓力傳感器：測量油箱內壓力、燃油泵進出口壓力。

2.2 流量模擬管路系統

2.2.1 系統組成

流量模擬管路系統由若干管路、過濾器、電磁閥、電動調節閥、手動截至閥、壓力傳感器及流量傳感器等組成。

2.2.2 主要參數設計

1）工作介質：RP-3 航空煤油；

2）油路Ⅰ：DN65 無縫鋼管；油路Ⅱ：DN40 無縫鋼管；油路Ⅲ：DN20 無縫鋼管，以上油路均按l=2.64m長度；

3）傳感器Q3：選用某公司LWGY-65A 流量計，其測量范圍為：10000～60000L/h，測量精度可達±0.5%F.S（下同）；

4）傳感器Q2：選用某公司LWG-32A 流量計，測量范圍：2500～16000L/h；

5）傳感器Q1：選用某公司LWGY-15A 流量計，測量范圍：600～4000L/h；

6）油箱壓力傳感器P2：測量范圍-100～500kPa，精度±0.5%F.S；

7）燃油泵進口和出口傳感器P10、P1：測量范圍均為-100～500kPa，測量精度均為±0.5%F.S；

8）伺服調節閥SF3：選用某公司ZDLP-16P-B DN65 調節閥，輸入輸出4～20mA 信號；

9）伺服調節閥SF2：選用某公司ZDLP-16P-B DN40 調節閥，輸入輸出4～20mA 信號；

10）伺服調節閥SF1：選用某公司ZDLP-16P-B DN20 調節閥，輸入輸出4～20mA 信號。

2.2.3 主要技術參數核算

按油路Ⅰ的管路即長度l=2.64mm，DN65 無縫鋼管，最大技術指標要求的通流量56000L/h 來核算該油路的水頭損失[1]。

首先判斷流動狀態以便確定沿程阻力系數λ。

雷諾數Re：

其中，d:管路通徑（mm），此處按65mm；

v：運動粘度（m2/s），按20℃時航空煤油運動粘度8×10-6m2/s；

q：管路流量（m3/h），按最大流量。

局部阻力損失計算按檢測試驗臺研制圖紙，其中：90 度彎管（阻力系數ζ=0.158）共2 件，電磁閥、調節閥（按90%開度，阻力系數ζ=4.0）共2 件。計算得局部阻力的當量管長為：

所以管路總阻力長度L：

由以上結果，計算得到管路和閥門的水頭損失ΣΔPf：

高度差引起的阻力損失此處不計，流量計阻力損失按LWGY-65A 的型號樣本可得最大為25 kPa，即2.5m，故整個水頭損失:hf=10.6+2.5=13.1m。

綜上所述，估算出油路Ⅰ通流量56000L/h 的設備管路最大水力損失13.1m，即131kPa。

同理，按上述計算方法，可估得油路Ⅱ和Ⅲ中管路（分別對應流量16000L/h 和4000L/h）的最大水力損失值，此處不贅述。

通過對以上試驗臺各管路流阻損失（水力特性）的計算分析，結合具體的某個待測燃油泵出廠設計性能曲線，可預先判斷該通用試驗臺對該待測燃油泵進行性能檢測的范圍。

2.3 高度模擬系統

采用水環式真空泵作為抽氣源，選用某型真空泵2BE1 101，其極限抽真空度參數為：-97 kPa，抽吸量2.1m3/min。

高度模擬過程中，在測控系統的控制下電動調節閥“SF4”調節抽氣，“SF5”調節補氣，兩者采用差動式PID 調節方式，使主、副油箱達到所需的高度值。

2.4 溫度模擬系統

分為加熱回路和冷卻回路。以下在不考慮通過油箱、管路等散熱的條件下，對加熱回路上的熱交換器參數進行初步計算，冷卻回路的計算過程與之相同。另對電加熱器參數進行相關初步計算。

1）加熱回路中熱交換器“17”參數估算

按主油箱“1”內可容納的燃油重量380kg（對應500L 容積滿油狀態），副油箱“2”內燃油重量120kg（備用燃油重量），總共500 kg 燃油計，從初始溫度30℃加熱至100℃，其需要吸收的熱量：

其中，Q燃油:燃油吸收的熱量（J）；

C燃油: 燃油的比熱容（J/kg·℃），燃油為2140J/kg·℃；

m：燃油重量（kg）,500kg；

Δt：完成升溫前后溫度差（℃）。

換算為千卡（kcal）熱量單位為：

燃油升溫速度按10min 設計指標要求，其吸收亦即交換的熱量功率需要17893×6=107358kcal/h，即換熱功率P換熱的瓦特（W）數為：

另，此處熱交換泵“5”和熱油泵“14”均選用某公司的KGR65-50 型油泵。該泵流量46m3/h，揚程28.7m，功率7.5 kW。并且使用的熱介質為長城牌LQC-350 型導熱油，該導熱油密度ρ熱介質=880kg/m3，導熱油比熱容為C熱介質=2880J/kg℃=2.88kJ/kg℃。在開始進行熱交換前，預先通過電加熱器將這些導熱油加熱至200℃。

根據熱負荷公式[2]：

其中，P換熱：換熱功率（W)；

qv1:導熱油流量（m3/h），此處46m3/h；

qv2:燃油流量（m3/h），此處46m3/h；

C熱介質：熱介質比熱容（kJ/kg·℃）；

ρ燃油：775kg/m3；

ρ熱介質：880kg/m3；

T1：換熱器進口導熱油溫度(℃)，此處按預先將導熱油加熱至200℃；

T2：換熱器出口導熱油溫度(℃)；

t1：換熱器進口燃油溫度(℃)，此處按設計要求中的最低加熱溫度30℃；

t2：換熱器出口燃油溫度(℃)

同理，亦可得換熱器出口燃油介質溫度：

由以上計算可得平均溫差：

由以上計算，可按換熱面積公式得出熱交換器散熱器面積F 為

u:污垢系數，按1.18；K:總傳熱系數（W/m℃）,按200。

選擇某型板式熱交換器BR 0.15，其規格為散熱面積5m2。

2）電加熱器“12”參數估算

電加熱器給導熱油加熱，重量按300 kg，使其從常溫20℃加熱至200℃。導熱油需要吸收的熱量Q熱介質：

其中，Q熱介質:導熱油吸收的熱量（J）；

C熱介質:導熱油比熱容（J/kg·℃），此處為2.88kJ/kg℃；

m熱介質：導熱油重量（kg）,300kg；

Δt熱介質：完成升溫前后溫度差，（℃）。

即43.2kW·h。選用2 根40 kW 不銹鋼鎧裝加熱器對導熱油進行加熱，32.4min 可加熱完畢，考慮到熱損耗，預計可在1h 內完成對導熱油由常溫加熱至工作溫度200℃。

2.5 液位高度控制系統

設計的液位高度控制系統集成了對主油箱內液位高度控制，主、副油箱內燃油轉輸，余油收集三部分功能。

其中抽油泵“6”按照輸油流量3600～36000L/h 的要求，選擇,某公司CYZ 自吸輸油泵80CYZ-A-32，其輸出流量最大至50000L/h，揚程32m，功率7.5kW。

2.6 測控系統、電氣及監控系統

2.6.1 控制系統

控制系統用于地面工作模擬試驗參數的控制，實現對加油、輸油、液位、溫度、高度等參數的跟蹤控制，同時對試驗現場參數及工作狀況的采集、分析判斷并實現故障報警和處理，以確保試驗系統的安全。

設計以基于PC 總線技術，數字式控制模塊為基礎來組建，主要由工控計算機、模擬量輸入輸出卡、開關量輸入輸出卡、光隔離輸入卡、繼電器輸出卡、執行機構和電源等組成，系統總體結構框圖見圖2。

圖2 控制系統總體結構圖

2.6.2 數據采集系統

試驗臺數據采集系統主要進行實時采集，完整地記錄試驗過程中的全部數據，并進行數據分析及數據處理。采集參數：壓力、流量、液位、溫度等。數據采集系統由計算機、A/D 板卡、信號調理電路、測量傳感器以及軟件等組成。系統組成原理框圖如圖3 所示。

圖3 數據采集系統組成原理框圖

2.6.3 電氣及監控系統

采集和監控各個關鍵點的參數及狀態，實現故障報警和處理，確保綜合試驗臺設備的運轉安全和工作過程中試驗油箱內的壓力、溫度在安全范圍內。其主要功能為：

1）實時對油箱超壓、超溫、液位超高等關鍵點信號實時顯示、記錄并對其超差報警并處理；

2）通過某些現場機構（例如：電磁閥、油濾）具有工作狀況觸點、堵塞引起的壓差信號，可判斷現場執行機構的工作狀況。

3 安全及質量保證措施綜述

為保證試驗現場工作及設備運行安全，試驗臺設置現場應急裝置。一旦報警信號發出，現場執行多重保護動作，包括：電磁閥關閉，動力源停機，斷電自動停機等。

為滿足試驗設備的使用精度需求，嚴格按相應的設計精度采購各類儀器儀表、板卡和傳感器，并完成系統級信號采集精度的標定。

4 結語

在已經完成的多個被測燃油泵的性能檢測試驗中，該試驗臺的運用結果表明，在其設計指標范圍內，能夠滿足各燃油泵性能檢測的需要。