PT-16燃油调节器综合性能试验台设计与实现

顾菊芬，许卫洪，曹应明

(1.无锡商业职业技术学院物联网学院，江苏无锡214153；2.江苏联合职业技术学院无锡交通分院，江苏无锡214151)

1 引言

PT-16燃油调节器是某型航空发动机主燃油系统的核心部件，负责发动机起动、加速、减速等各种工作状态下稳定工作所需燃油的供给和调节，其精度、准度及响应时间直接影响发动机性能，进而影响飞机飞行的安全性和稳定性[1-3]。燃油调节器的性能，必须在出厂前通过台架试车检验。国内原有试验台采用手动方式调节燃油流量、压力，手动记录过程数据，对试验人员要求高，且检测效率低、可靠性差。因此，为充分检验燃油调节器性能，适应新形势下对燃油调节器越来越高的技术要求，提高检测效率，本课题组参与设计、制造了一套PT-16燃油调节器综合性能试验台。该试验台要求能模拟发动机运行过程中燃油调节器的实际工作流程，并记录过程数据。

2 试验台设计要求

要求对PT-16燃油调节器最小压力活门开启压力、压差、转速、供油量、供油特性、漏油量及密封性能进行检查记录，为出厂验收提供依据。根据厂方技术协议书的要求和国家有关规定，本试验台：①满足燃油调节器的按“PT-16燃油调节器技术条件”进行生产验收试验的各项要求，并提供该调节器在飞行包线范围内发动机稳定工作状态时的相似边界条件；②高压燃油泵RZB-1和PT-16的转速、扭矩和动态响应特性，满足技术条件中规定的试验要求，满足发动机起动、加速、稳定工作、制动状态的性能要求；③监控系统实时监控试验全过程，能够自动进行报警显示、参数设置、数据归档及打印等功能，响应时间符合相关技术要求；④设备设计符合国家有关消防、技安、环保等的规定，方便设备检查、维护及检修。

3 燃油调节器试验台总体方案设计

PT-16燃油调节器综合性能试验台，由空气系统(包括正压空气系统和负压空气系统即真空系统两大部分)、燃油供给系统、机械传动系统、电气传动系统、动力配电系统、SCADA系统以及操纵台本体等组成，其总体方案框图如图1所示。整个设计过程一直遵循先进、安全、经济、适用的原则，根据试验车间布局将试验装置布置在三个房间内，分别为电气间、燃油间和操作间。为确保试验安全，将电气间与燃油间隔离，燃油间还设计有相应的防爆设施。除试验器电气间、燃油间内的部件外，其他系统及部件都安装在操作间的操作台内部或面板上。

3.1 试验台燃油供给系统设计

燃油供给系统按试验件的技术要求，向燃油调节器提供一定压力、温度和足够流量的洁净燃油，满足燃油调节器全部工作范围对燃油流量、压力及燃油温度的需求[3-4]。燃油供给系统工作流程为：油箱中的燃油由低压泵(增压油泵)抽吸增压后，向主燃油泵(高压泵)RZB-1提供燃油流量不小于10 000 L/h、压力0.4～0.9 MPa的低压燃油。RZB-1输出的高压油流向PT-16试验件的进口，经PT-16计量后的燃油经过主油路当量喷嘴、副油路当量喷嘴后流回油箱。为确保燃油压力符合试验要求，在调节器燃油进口前增加了手动微调旋钮，在特殊情况下可以对压力进行人工干预。系统原理框图如图2所示。

低压泵与RZB-1之间设置有三级浮子流量计以及换热器、粗油滤、细油滤等。浮子流量计分段对燃油流量进行计量，同时在主、副油路上设置涡轮流量计(与浮子流量计串接)，分别对主油路、副油路的流量进行计量。系统中还装有压力表和热电偶等传感器，用于SCADA系统对试验台进行测量、监控和管理。

3.2 试验台电气系统设计

试验台电气系统包括动力配电系统和电气传动系统两大部分。动力配电系统向试验设备提供不同电压(三相交流380 V，单相交流220 V，36 V，115 V/400 Hz等)不同容量的电源，包括动力配电箱、变频电源、UPS电源、仪表电源、照明电源、安全灯电源等。动力配电箱采用标准配电箱，进线电压三相交流380 V，总功率150 kW，提供电压、电流显示。单相交流220 V由三相交流380 V线电压提供，供给仪表电源、照明电源、安全灯电源。变频电源采用军用系列单相变频电源，两路输出，分别满足0～36 V/400 Hz、115 V/400 Hz的电源，输出容量为500 VA，400 Hz固定频率，可变范围为350～450 Hz。

电气传动系统选用西门子6SE70VC矢量控制变频器、1PH7系列主轴电动机、S7-300PLC、制动单元和OP操作面板等组成，系统框图如图3所示。两台交流变频电动机由各自的变频器驱动，分别通过传动装置转接后驱动RZB-1和PT-16的转速调节器运转。电动机的转速可通过手动调节两个独立的旋钮来实现转速分别给定和调整，也可手动调节另外一个旋钮实现同时给定和调整两台电动机的转速，并使这两台电动机随时保持恒定的速比关系协同工作。这种恒定速比关系可以预先设置成以RZB-1的转速为基准，使之与PT-16的转速比始终保持1:1.434，反之亦然；系统还可选择通过OP操作面板进行人机对话，以数字方式给定电动机转速，并自动、精确地调整到给定值。

西门子6SE70VC矢量控制变频器驱动电动机的设计，省去了齿轮箱及与之配套的润滑系统，通过对变频器参数设定既可以自由地分别进行转速调整，也可以保持一定的转速关系，且转速比误差不超过1%；此外，电气传动系统与RZB-1分开放置，将高压燃油泵安装在操纵台外的独立隔声间里，达到与操作台隔振、隔声的要求。

3.3 试验台SCADA系统设计

遵循安全、高效的设计原则，SCADA系统采用双层网络结构，结构框图如图4所示。系统选用西门子315-2 PN/DP型PLC作为核心控制器，CPU通过PROFIBUS现场总线与RZB-1电动机变频器、PT-16电动机变频器、操作台远程IO站ET200以及辅助系统远程IO站ET200M远程从站实现网络通讯，对试验全过程压力、压差、转速、供油量、漏油量等数据进行采集，并控制各类泵、电机、阀门等试验设备实现控制要求。试验台中控室配备两台工业控制计算机作为操作员站(其中一台兼工程师站)，装有WINCC监控软件的操作员站通过工业以太网与PLC进行通讯，实现试验过程的实时监控，完成界面操作、参数设置、数据归档、报警显示和报表打印等功能[2，5-8]。为提高系统安全性，所有重要部件(如PLC、操作员站)均配置UPS不间断电源。

3.4 其他系统设计

其他系统设计主要包括机械传动、正压空气和负压空气等系统的设计。机械传动系统由PT-16传动单元体和RZB-1传动单元体组成，选用西门子1PH7系列主轴电动机通过机械传动装置直接驱动RZB-1和PT-16试验件。电动机的调速范围和控制精度覆盖PT-16技术条件中规定的试验转速要求，完全满足试验台的技术要求。正压空气系统主要由空气压缩机、除尘和除油过滤器、空气减压阀、空气调压阀、针阀等组成。系统选用英格索兰C29MX3无油离心压缩机向试验件提供标准状态下流量不小于2.14 m3/min、出口压力不小于3.447 MPa的洁净空气，将增压后的空气送入储气罐，储气罐中的高压气体经过滤、减压或调压后送入PT-16的P3口、再调口和P2口。负压空气系统由真空泵、油气水分离器、空气调压阀、针阀等组成，主要负责对试验件特定接口抽真空。负压空气系统将空气分二路抽出，一路直接经并联的截止阀和针形调压阀将P2口内的空气抽出，另一路将漏气口的空气经油水分离器抽出同时用浮子流量计计量空气流量。

4 试验台性能验证

根据PT-16技术规范要求，燃油调节器的性能试验主要包括以下内容：油门开关位于0°位置时通电检查油门开关前后压力变化，出口处应无燃油渗出；最小压力活门开启压力的调整；定压差的调整；最大供油量的调整；状态供油量的调整；起动供油特性的获取；检查液压执行机构共有特性的非重复性；漏油量检查；密封性检查等。

在PT-16燃油调节器综合性能试验台上对PT-16进行的性能试验表明，该试验台能够高效地对PT-16进行密封试验和性能试验，试验过程电气系统运转良好，监控系统能够监控试验全过程，自动进行报警显示、参数设置、数据归档及打印等功能。图5示出了SCADA系统采集的燃油调节器在起动、加速、高速运行、减速、怠速运转全过程的燃油流量变换曲线。

5 结束语

该燃油调节器综合性能试验台采用了先进、成熟的成附件产品，实现了发动机运行过程中燃油调节器工作流程的仿真。能完成燃油系统高压密封性检查、正/负压空气系统密封性检查、海平面不修整状态下调整点检查、冷却油流量检查、地面慢车供油量检查、起动供油量检查、高空慢车流量检查、单点加速/减速流量测定等所有设计要求的试验内容。试验台SCADA系统实现了压力、压差、温度、供油量和漏油量等各种过程参数的自动采集和记录，极大地提高了试验效率并降低了劳动强度。试验台投入使用一年来，已完成多台PT-16燃油调节器的性能检测任务，能方便、准确地检测出调节器的各项性能参数，为其出厂验收提供了强有力依据。

[1]孙建国.现代航空动力装置控制[M].北京：航空工业出版社，2001.

[2]樊思齐，徐芸华.航空推进系统控制[M].西安：西北工业大学出版社，1995.

[3]航空发动机设计手册总编委员会.航空发动机设计手册：第15册——控制及燃油系统[M].北京：航空工业出版社，2001.

[4]航空发动机设计手册总编委员会.航空发动机设计手册：第12册——传动及润滑系统[M].北京：航空工业出版社，2001.

[5]曹应明，黄巧亮，顾菊芬.PTO轴耐久性试验台监控系统的设计与实现[J].自动化仪表，2015，36(12)：28—30.

[6]廖常初.S7-300/400 PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社，2005：396 —400.

[7]力 宁，彭最花，贺 玲，等.航空发动机高温高速密封试验台研制[J].润滑与密封，2014，39(6)：121—124.

[8]李若明.PROFIBUS通信技术在精细化工生产控制中的应用[J].自动化仪表，2013，34(5)：89—91.

[9]石 华，王瑞辉.基于S7-300PLC和Wincc的移载车控制系统[J].制造业自动化，2014，36(1)：74—77.

[10]张春红.交直流轮对电机跑合试验台控制系统设计[J].电气自动化，2014，36(5)：97—99.

[11]曲晓华.液压阀试验台控制系统的研制[J].机械工程与自动化，2014，(1)：168—172.