某涡桨发动机试验台引气系统改进设计

邓楚慧　邹植伟　田震

摘 要：针对某涡桨发动机试验台引气系统存在的问题，从其结构和原理入手，通过管路阻力损失计算、电动调节阀选型和引气流量分析，提出了改进思路和方案。试验表明，改进思路和方案有效，为以后发动机试验台引气系统设计提供了有益的参考。

关键词：涡桨发动机；引气系统；改进设计

中图分类号：V263.3 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）09-0053-02

某涡桨发动机有A、B和C三处飞机用引气流路，要求见表1所示，根据航空涡轮螺桨和涡轮轴发动机通用规范（GJB242）中“4.4.1飞机系统引气”的要求进行验证试验时，出现了以下问题致使试验无法正常进行：1）A引气流路在发动机最大巡航状态引气流量测不到；2）B和C引气流路在发动机最大巡航状态引气小流量调不到。

经初步分析，上述问题不是由发动机引起，而是由试验台引气系统引起，试验台引气系统需要进行改进。

1 试验台引气流路的结构组成

某涡桨发动机试验台引气系统（如图1所示）由引气接口、卡箍组件、测温组件、测压组件、金属软管、流量计、电动调节阀及直管段等组成。引气流量的大小通过电动调节阀阀门的开度进行调节，流量通过流量计测量，引气的总压和总温通过测温、测压组件测量。当进行发动机引气试验时，只要将试验台引气接口与发动机的引气口用卡箍组件连接即可。试验台A、B和C引气流路情况见表2所示。

2 试验台引气系统的问题分析

根据涡桨发动机试验台引气系统的问题及其结构，A引气流路在发动机最大巡航状态引气流量测不到的主要因素有：（1）引气流路阻力损失较大；（2）电动阀门选型不合理，引起节流。B和C引气流路在发动机最大巡航状态引气小流量调不到的主要因素：孔板流量计选择不合理。

2.1 A引气流路管道阻力损失计算

管道阻力损失包括沿程阻力损失、局部阻力损失、静压阻力损失和加速度阻力损失。针对空气，静压阻力损失和加速度阻力损失可以忽略。因此管路阻力损失计算公式如下[1]：

查管道附件局部阻力系数表[1]得k=121.808。查摩擦系数与雷诺数Re和管壁特性的关系图得f=0.0286。由（2）式得A引气沿程阻力损失ΔPf=1099Pa。由（3）式得A引气局部阻力损失ΔPk=25995Pa。因此，A引气流路阻力损失ΔP=31158Pa。从A引气流路管路的阻力损失计算可以得知：A引气流路的管路的阻力损失较大是引起A引气流路在发动机最大巡航状态引气流量测不到的原因之一。因此A引气流路需改进来减少流路流阻。

2.2 电动调节阀的选型分析

电动调节阀在引气流路中起调节引气流量的作用，其通径的大小对调节流量的精度和流路压力损失有较大影响。因此电动调节阀的选型很重要。

2.2.1 阀门流量系数确定

调节阀的流量系数Kv是调节阀的重要参数，它反映调节阀通过流体的能力。根据调节阀的流量系数Kv的计算，就可以确定选择调节阀的通径。调节阀的流量系数Kv计算公式如下：

2.2.2 根据流量系数确定调节阀门通径

试验台流量调节一般选取阀门流量特性为线性或等百分比特性的阀门，考虑计算出的流量系数有一定误差，按阀门开度60%左右的流量系数，选取阀门类型和阀门通径。根据A引气流路的流量系数和阀门精度等考虑，A引气流路电动阀通径在（65～100）mm比较合理，而改进前的阀门通径50mm偏小，容易引起节流，导致引气不畅，即引气流量测不到。根据计算的流量系数确定调节阀通径进行了电动阀改进，A引气流路电动阀通径改为DN100。

2.2.3 其他要求

根据介质的温度和压力、执行机构要求等工况确定调节阀门耐温耐压等级、执行机构精度等。

2.3 引气流量计分析

2.3.1 引气流量计特点分析

引气流量测量一般可以采用孔板流量计、文氏管流量计、喷嘴、涡街流量计、热式流量计、质量流量计等。目前试验台引气测量用的较多是孔板流量计和涡街流量计。孔板流量计属于节流式差压流量计，它适用的流速范围较大，一般小于音速均可，一般耐温范围-50℃～550℃较广，最大量程与最小量程比在3～4倍精度较高，但压力损失大。涡街流量计其特点是压力损失小，管道内无可动部件，读数重复性好，可靠性高，线形测量范围宽，几乎不受流体状态变化的影响，但是流体流动状态的不稳定性和管路的机械振动会导致信噪比下降，影响测量，并且它耐高温一般不超过300℃。

2.3.2 引气流量计的选型

引气流量计的选型主要是根据测试要求和流量计特点确定。测试要求主要包括管道内径，流体类型，介质最大流量、常用流量、最小流量，介质工况温度、工况压力和最大压力损失要求，节流件前、后直管段要求。基于以上方面，结合A引气属于低压压气出口引气，选择涡街流量计较好；B和C引气流路鉴于引气温度较高等因素，选择孔板流量计较好。针对B和C引气流路的问题，复查其引气流量计，引气流量计类型和其前后直管段符合要求，但B引气流路孔板流量计量程为（15～60）kg/min，超出其量程流量计测量精度不高，可信度差，导致B引气流路在发动机最大巡航状态引气流量（9.3±0.2）kg/min小流量调不到。同理C引气流路孔板流量计量程为（20～90）kg/min，导致C引气流路在发动机最大巡航状态引气流量（9.3±0.2）kg/min、（17.6±0.2）kg/min小流量调不到。因此B和C引气流路的孔板流量计需改进。

3 试验台引气系统改进设计

通過引气流路阻力损失计算、电动阀的选型分析和引气流量计分析，提出了试验台引气系统主要改进思路：A引气流路：（1）将引气流路轴线基本与发动机引气口同水平高度，并且尽量减少金属软管长度、管道变径、弯头等流阻损失大的因素；（2）选择合适的电动调节阀；B和C引气流路：合理选择流量计的量程等。改进后的引气流路情况，如表3所示。

4 试验验证

试验台引气系统经过改进设计后进行了引气试验验证，试验结果如表4所示。

通过引气试验验证可知：引气系统的设计改进思路和方案得当，试验台A、B和C引气流路引气流量满足某涡桨发动机的引气要求。

5 结语

针对某涡桨发动机试验台A、B和C三个引气流路的问题，本文首先介绍了试验台引气系统的结构，从管道阻力损失计算、电动调节阀的选型、引气流量计方面分析了问题的原因，并改进引气系统，最后通过引气试验验证，证明改进思路和方案有效，为以后发动机试验台引气系统设计提供了思路和方法。

参考文献

[1]徐灏.机械设计手册，第一卷[M].机械工业出版社，1991.