隨著新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能方案的明確及FADEC技術(shù)的不斷發(fā)展，控制任務(wù)和控制參數(shù)逐漸復(fù)雜化，研制中燃油及控制系統(tǒng)地面試驗(yàn)內(nèi)容必然不斷增多，關(guān)鍵參數(shù)測試的性能要求也不斷提高[1]。發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)性能的提升，取決于控制理論、方法等軟件條件和傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制器等硬件性能不斷革新以滿足技術(shù)匹配。燃油系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的核心，它直接關(guān)系控制系統(tǒng)乃至整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能優(yōu)劣，影響飛機(jī)的飛行安全與穩(wěn)定 [2]。燃油量作為***核心的技術(shù)參數(shù)，直接決定著發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和性能，加之與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、推力(或軸功率)、溫升等重要參數(shù)依賴關(guān)系強(qiáng)，測算方法簡單、精度高，常作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的控制量，對發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)或控制[3]。圖1.1所示為典型航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制回路，該系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速為被控對象，供油量(即燃油量)則為系統(tǒng)的控制量，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速通過供油量調(diào)節(jié)。因制造實(shí)驗(yàn)成本巨大，研發(fā)過程中控制系統(tǒng)需歷經(jīng)諸如硬件在回路(如傳感器、燃油泵或控制器等)、半物理實(shí)驗(yàn)(燃油系統(tǒng)及調(diào)節(jié)器)、臺(tái)架試車等多項(xiàng)地面實(shí)驗(yàn)，以在機(jī)載實(shí)驗(yàn)前摸清控制元件或系統(tǒng)特性，驗(yàn)證設(shè)計(jì)效果、***大程度減小實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)，以上實(shí)驗(yàn)都需建立在對燃油量準(zhǔn)確檢測的基礎(chǔ)之上[4]；當(dāng)前，航空發(fā)動(dòng)機(jī)正由傳統(tǒng)機(jī)械液壓控制逐步發(fā)展為數(shù)字電子控制，以滿足多變量、高精度、高可靠性和可維護(hù)性等要求。發(fā)動(dòng)機(jī)控制方式轉(zhuǎn)變帶來了被測量和控制量的變化，傳統(tǒng)液壓機(jī)械式控制常以位置閉環(huán)間接控制燃油量，而數(shù)控系統(tǒng)如基于電動(dòng)燃油泵的航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制將直接以燃油量作為反饋量實(shí)現(xiàn)流量閉環(huán)，進(jìn)一步簡化系統(tǒng)并提升供油品質(zhì)，但都必須對燃油量進(jìn)行實(shí)時(shí)測量；軍用飛機(jī)寬包線、大機(jī)動(dòng)飛行的特點(diǎn)在控制器設(shè)計(jì)時(shí)也常依賴燃油量作為重要輸入或觀測量，由此其動(dòng)態(tài)性能很大程度上受限于燃油量監(jiān)測的動(dòng)態(tài)性能，因此對燃油量非穩(wěn)態(tài)測量提出了具體要求。以上表明，燃油量的測量特別是非穩(wěn)態(tài)測量在今后高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中有著決定性的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值，必須設(shè)計(jì)與選擇高性能流量檢測元件實(shí)時(shí)獲取發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的高精度供油量信號(hào)。燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)及其執(zhí)行機(jī)構(gòu)成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中至關(guān)重要的組成部分，實(shí)驗(yàn)室開展硬件在環(huán)(HIL)試驗(yàn)、燃油泵試驗(yàn)或燃油調(diào)節(jié)器，發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架或半物理試驗(yàn)等都需建立在對燃油流量準(zhǔn)確計(jì)量的基礎(chǔ)之上。
流量，是指單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)封閉管道或明渠有效截面的流體量[5]。以體積表示時(shí)稱為體積流量，以質(zhì)量表示時(shí)稱為質(zhì)量流量[6]。流量不同于體積、質(zhì)量或長度等物理量，其具有自身特點(diǎn)：流量是不存在實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)出量，只能在特定條件下由基本量合成。流量實(shí)際上是一個(gè)動(dòng) 態(tài)概念，只有當(dāng)流體運(yùn)動(dòng)起來時(shí)，流量才具有實(shí)際意義。因而，要準(zhǔn)確并實(shí)時(shí)測量具有動(dòng)態(tài)特性的流量是很困難的。有關(guān)流量的測量可以追溯到古代水利工程和城市供水系統(tǒng)：古羅馬凱撒時(shí)代已采用孔板測量居民飲用水量；古埃及用堰法測量尼羅河流量；我國古代的都江堰水利工程應(yīng)用寶瓶口水位觀測水量的大小[7]?，F(xiàn)代工業(yè)過程中，流量也是重要的監(jiān)測參數(shù)，在能源計(jì)量、環(huán)境保護(hù)工程、交通運(yùn)輸、生物技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。
圖 1. 1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型主燃油控制回路
測量流量的儀器叫做流量計(jì)，流量計(jì)分類方法很多——按測量介質(zhì)的不同，可分為氣體流量計(jì)和液體流量計(jì)；按照測量原理的不同，可分為渦街流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、超聲波流量計(jì)、孔板流量計(jì)等[8]。其中，渦輪流量計(jì)以其測量精度高、重復(fù)性好等特點(diǎn)在諸多場合均被選作流量的測量儀器。然而，由于軸承磨損，渦輪轉(zhuǎn)子葉片受到油液腐蝕，流體介質(zhì)變化甚至周圍環(huán)境的變化等原因，長期使用的渦輪流量計(jì)會(huì)產(chǎn)生性能退化，其儀表系數(shù)勢必發(fā)生變化，使測量的性很難得到保證。很長一段時(shí)間以來，在渦輪流量計(jì)使用中，存在著靜態(tài)校準(zhǔn)，動(dòng)態(tài)使用的問題[9]，即只對渦輪流量計(jì)進(jìn)行靜態(tài)校準(zhǔn)，卻使用其測量非穩(wěn)態(tài)流量。隨著航空業(yè)的發(fā)展，
在航空發(fā)動(dòng)機(jī)等動(dòng)力裝置的研制和使用過程中常遇到非穩(wěn)態(tài)燃油流量問題[10]，非穩(wěn)態(tài)燃油流量是指在穩(wěn)態(tài)流量的基礎(chǔ)上疊加有周期的、隨機(jī)的甚至階躍形式的擾動(dòng)，這對渦輪流量計(jì)的動(dòng)態(tài)性能提出了更高的要求。然而，目前對于渦輪流量計(jì)的動(dòng)態(tài)特性認(rèn)識(shí)不足，非穩(wěn)態(tài)燃油流量的準(zhǔn)確測量還存在一定誤差。通過前期調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外用于流量計(jì)校準(zhǔn)的裝置不多，對于校準(zhǔn)方面的研究也較少，尤其動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)的實(shí)際應(yīng)用方法屈指可數(shù)。本文將以渦輪流量計(jì)為例，探究流量計(jì)的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)方法。
可以看出，對渦輪流量計(jì)的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)展開理論分析及試驗(yàn)研究具有實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)也對航空發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)中其他流量監(jiān)測設(shè)備的檢定具有一定的參考價(jià)值。
渦輪流量計(jì)：
渦輪流量計(jì)是一種速度式儀表，由渦輪轉(zhuǎn)子、前置放大器、軸承以及顯示儀表等組成[11]。渦輪流量計(jì)工作時(shí)，流體沖擊渦輪葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率與流量大小成正比——葉片轉(zhuǎn)動(dòng)越快，則流量越大。圖 1.2 給出了渦輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)原理。前后管路利用連接件 1 緊固在一起；外殼 2 起到保護(hù)與支撐的作用，并和前穩(wěn)流器 3 和后穩(wěn)流器 8 組成整流裝置，對流進(jìn)流出流量計(jì)的流體介質(zhì)起到導(dǎo)向作用，減少介質(zhì)對于葉片的沖擊，因而對外殼內(nèi)表面的粗糙度有一定要求；葉輪 5 固定于止推片 4 之上；渦輪葉片在安裝時(shí)與流量計(jì)軸線之間有一定的安裝角，流體介質(zhì)沖擊渦輪葉片時(shí)能夠產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力矩；旋轉(zhuǎn)傳感器 6 將渦輪葉片的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，如某渦輪流量計(jì)轉(zhuǎn)子擁有 n 個(gè)葉片，那么轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一周，將通過旋轉(zhuǎn)傳感器產(chǎn)生 n 次電脈沖；脈沖信號(hào)經(jīng)前置放大器方法處理后，進(jìn)入顯示儀表或者上位機(jī)中進(jìn)行計(jì)數(shù)和顯示。瞬時(shí)流量和累計(jì)流量值分別可根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)的電脈沖數(shù)和累積脈沖數(shù)獲得。當(dāng)渦輪流量計(jì)處于穩(wěn)態(tài)流中時(shí)，存在著如下的穩(wěn)定關(guān)系 nqK式中，q是流量計(jì)顯示流量，L/min；n是流量計(jì)渦輪葉片個(gè)數(shù)；?是流量計(jì)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率；K是流量計(jì)儀表系數(shù)，1/L。
圖 1. 2 渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)原理
渦輪流量計(jì)轉(zhuǎn)子輕，慣性小，因而適合于動(dòng)態(tài)測量，并且測量精度高，線性范圍寬、重復(fù)性好[12]。渦輪流量計(jì)在工作時(shí)，作用在渦輪葉片上的力矩主要有：流體介質(zhì)對渦輪葉片的驅(qū)動(dòng)力矩T，支撐軸承與渦輪軸的摩擦阻力矩Trm，流動(dòng)阻力矩Trf以及電磁阻力矩Tre。根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律，可得以下渦輪流量計(jì)的運(yùn)動(dòng)方程[13]
(1.2) 式中，Jm是渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω是渦輪旋轉(zhuǎn)角速度；T是驅(qū)動(dòng)力矩；Trm是摩擦阻力矩；Trf是流動(dòng)阻力矩；Tre是電磁阻力矩，該值通常較小，可以忽略。
注意到，式1.1中有渦輪流量計(jì)的儀表系數(shù)K，這一概念由美國人D.J. Higson[14]在上世紀(jì)六十年代次提出，他用水作為介質(zhì)驗(yàn)證了渦輪流量計(jì)的瞬態(tài)特性。當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速變化時(shí)，用陰極射線示波器顯示其特性，發(fā)現(xiàn)渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與時(shí)間以指數(shù)方式接近一個(gè)常值。流量計(jì)的松弛時(shí)間tR和流量q的乘積是一個(gè)定值，即tRq=K，K是一常數(shù)，由渦輪流量計(jì)本身的性質(zhì)決定。從而次定量地提出了儀表系數(shù)這一概念，為之后的渦輪流量計(jì)研究打下了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。渦輪流量計(jì)儀表系數(shù)的物理意義是，單位體積的流體介質(zhì)流過時(shí)流量計(jì)輸出的脈沖數(shù)，量綱為脈沖數(shù)每升。誠然，如前文所述，渦輪流量計(jì)有著諸多優(yōu)點(diǎn)，但是它的缺點(diǎn)同樣不可忽視：測量兩相流或者粘度較大的流體是存在較大的誤差；對測量流體介質(zhì)的清潔度要求較高，不清潔的流體可能造成渦輪葉片被卡的后果；同時(shí)，渦輪流量計(jì)是一種直接接觸式儀表，因而不適用于腐蝕性流體的流量測量，這也是造成渦輪流量計(jì)性能退化的因素之一。
