CN101231215B - 航空发动机燃油系统高空性能试验装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航空发动机燃油系统高空性能试验装置及其试验方法，所述的试验装置包括设备柜、控制计算机及显示仪表、高空箱、燃油箱、输油管路、真空泵组和各种阀门。高空箱内部设置有试验燃油泵，燃油泵通过设备柜内的输油管路与燃油箱连接，燃油箱具有耐低温低压的结构，可以模拟航空发动机燃油系统的高空工作环境。通过一个能够模拟高空低气压、低温的油箱及模拟低气压的高空箱，利用管路和阀门来调节进油压力和回油压力，通过流量计、温度计和压力表读取试验参数值的一套试验方法。可以通过该方法进行航空活塞发动机电子燃油泵供油系统模拟高空试验。

Description

航空发动机燃油系统高空性能试验装置及其试验方法

技术领域

本发明属于航空发动机技术领域，涉及航空发动机燃油系统性能测试技术，具体地说是指一种应用于航空系统中活塞发动机燃油系统的高空性能试验装置及其试验方法。

背景技术

航空活塞发动机与地面车用内燃机工作原理相同，都是燃料在汽缸内燃烧后推动活塞做功，航空活塞发动机是按螺旋桨特性工作，其工作特性随着高度的变化而变化。

航空活塞发动机燃油系统是保证在各工况下给发动机提供具有一定压力的燃油，该系统由燃油泵、燃油箱、调压阀、进回油管路、单项阀等组成。随着飞行高度的增高，由于环境压力和温度的降低导致燃油系统工作效率的降低，泵内与环境的压力差增大给泵的密封性带来了考验。现有燃油油泵试验装置只能够模拟发动机在地面各工况时的油泵工作特性，而不能模拟由于进油压力和温度的降低导致供油系统特性的变化，航空活塞发动机主要是在高空使用，因此地面试验模拟获得燃油系统高空特性是保障发动机可靠工作的关键。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够模拟航空活塞发动机燃油系统高空工作环境的试验装置，并提供一种应用所述试验装置的试验方法，本发明的试验装置使航空活塞发动机燃油系统工作在低压环境中，并且使进油压力降低至高空环境压力，进油温度模拟到高空工作温度，达到在地面试验条件下能够模拟高空环境特性的目的。

本发明所述的试验装置：包括设备柜、控制计算机及显示仪表、燃油箱、高空箱、输油管路和各种阀门，控制计算机及显示仪表布置在设备柜面板上，用以显示压力表和温度表读数并由控制计算机采集和处理数据。燃油箱、输油管路和各种阀门布置在设备柜内，燃油箱立式焊接在设备柜的内部，并通过输油管路与燃油泵连接；真空泵组固定连接在设备柜底面上，通过抽真空调节阀对燃油箱和高空箱进行抽真空模拟燃油和燃油泵的低压工作环境。在高空箱内支架形式固定布置试验件燃油泵，燃油泵可以有一台、两台或者多台。高空箱与设备柜通过螺栓连接在设备柜面板上控制计算机及显示仪表的下方位置，高空箱为密封结构，用以模拟燃油泵的低压工作环境。燃油泵通过输油管路与燃油箱的出油口和回油口连接，输油管路和燃油箱体上设置有各种阀门，用以调节和模拟航空发动机燃油工作系统的高空环境。

所述的各种阀门包括调节阀、调节活门、单向阀、通气阀和抽真空调节阀、放油阀，其中调节阀、调节活门、单向阀设置在输油管路上，通气阀和抽真空阀设置在燃油箱的外壁上。

所述的输油管路上从燃油箱出油口到回油口之间依次设置了调节阀、粗油滤、泵前压力表、燃油泵、单向阀、泵后压力表、调压活门、溢流阀、细油滤和流量计。在所述燃油箱体上依次还设置有放油阀、出油口、回油口、温度表、燃油箱抽真空调节阀、燃油通气阀、压力表、加油口、液氮进口管路和出口管路、以及油量显示表。

上述各个装置在设备柜内的布置方式只要满足燃油泵通过输油管路与燃油箱的连接，可以根据设备柜内的空间进行合理的布置。

应用上述的试验装置，可以实现对发动机燃油泵系统的高空性能测试，具体的测试试验方法包括如下步骤：步骤一、试验准备，燃油箱加油及燃油泵与输油管路连接，并将高空箱与设备柜连接；步骤二、系统在常温常压下运行，检验系统工作情况；步骤三、进行高空环境模拟，对燃油箱及高空箱抽低气压，冷却器通入液氮给燃油箱内煤油和燃油降温；步骤四、调节管路阀门，读取测试数据。

本发明的优点在于：(1)能够模拟1万米以下高空的大气压力及燃油温度，可应用于航空活塞发动机电子燃油泵的性能测试；(2)高空箱与设备柜通过螺栓连接，简便可靠；(3)使用中间制冷介质煤油对燃油进行制冷，燃油温度可精确控制；(4)可同时实现对两台或多台燃油泵的性能测试。

附图说明

图1为本发明的航空活塞发动机燃油系统高空模拟试验装置结构图；

图2为本发明的航空活塞发动机燃油系统试验方法连接结构示意图；

图3为本发明中燃油箱结构示意图。

其中1-设备柜，2-控制计算机及显示仪表，3-输油管路，4-高空箱，5-真空泵组，6-加油口，7-压力表，8-燃油箱通气阀，9-燃油箱抽真空调节阀，10-流量计，11-细油滤，12-调压活门，13-压力表，14-单向阀，15-冷却油箱支架，16-燃油泵，17-燃油泵，18-压力表，19-单向阀，20-粗油滤，21-溢流阀，22-调节阀，23-温度表，24-放油阀，25-燃油箱，26-液氮出口管路，27-油量显示表，28-液氮进口管路，29-高空箱抽真空调节阀，30-压力表，31-冷却油箱通气阀，32-冷却油箱，33-出油口，34-回油口，35-冷却器，36-冷却器支架。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明涉及一种航空活塞发动机燃油系统高空性能试验装置及应用所述试验装置的试验方法。通过模拟航空发动机高空工作环境，设计一种对航空发动机的燃油系统进行性能测试的试验装置及其试验方法。

本发明所述的发动机燃油系统高空性能试验装置的结构如图1，所述的试验装置包括设备柜1、控制计算机及显示仪表2、燃油箱25、高空箱4、输油管路3、真空泵组5和各种阀门。其中设备柜1内布置燃油箱25、真空泵组5及输油管路3，设备柜1面板上布置控制计算机及显示仪表2，用以显示压力表和温度表读数并由控制计算机采集和处理数据。燃油箱25立式焊接在设备柜1的内部，并通过输油管路与燃油泵连接；真空泵组5固定连接在设备柜1底面上，通过燃油箱抽真空调节阀9、高空箱抽真空调节阀29对燃油箱25和高空箱4进行抽真空模拟燃油和燃油泵的低压工作环境。高空箱4与设备柜1通过螺栓连接在设备柜面板上控制计算机及显示仪表2的下方位置，在高空箱4内部用支架固定的方式布置试验件燃油泵16和燃油泵17，即可以同时进行两个燃油泵的高空性能试验，燃油泵16、17与高空箱4的固定方式可采用支架焊接的形式。如图2所示，燃油泵16和燃油泵17只通过输油管路与设备柜1的内部燃油箱25连接。高空箱4为密封结构，在高空箱4上设置高空箱抽真空调节阀29和压力表30，高空箱4可以模拟发动机燃油泵16、17高空工作的低气压。燃油箱25及输油管路3布置在设备柜1中，试验过程中的测试数据通过控制计算机及显示仪表2读取，整个测试系统的数据采集和后期数据处理由控制计算机进行。设备柜1、高空箱4、输油管路3、燃油箱25、真空机泵组5和各种阀门可根据具体试验间空间做相应的位置上的布置调整。所述的各种阀门包括调节阀22、调节活门12、单向阀14、19、通气阀8、31和抽真空调节阀9、29、放油阀24，其中调节阀22、调节活门12、单向阀14、19设置在输油管路3上，通气阀8、31和抽真空调节阀9、29设置在燃油箱25的外壁上。所述的输油管路3上从燃油箱25出油口33到回油口34之间依次设置了调节阀22、粗油滤20、泵前压力表18、燃油泵16、17、单向阀14、19、泵后压力表13、调压活门12、溢流阀21、细油滤11和流量计10。在所述燃油箱25体上依次还设置有放油阀24、出油口33、回油口34、温度表23、燃油箱抽真空调节阀9、燃油通气阀8、压力表7、加油口6、液氮进口管路28和出口管路26、以及油量显示表27。

图2是本发明发动机燃油系统高空性能试验方法连接结构图。燃油存放在燃油箱25中，燃油泵16和燃油泵17布置在高空箱4中，输油管路3的两端分别连接在燃油箱25的出油口33和回油口34。在燃油泵16和燃油泵17的驱动下，燃油可以通过输油管路3依次流过调节阀22，粗油滤20，燃油泵16和燃油泵17，单向阀14和单向阀19，调压活门12，细油滤11，流量计10，流回燃油箱25。在粗油滤20和两个燃油泵16、17之间的输油管路3上设置有压力表18，用以测量泵前压力；在两个单向阀14、19和调压活门12之间的输油管路3上设置有一个压力表13，用以测量泵后压力。当泵后与泵前压差大于0.15MPa(该值可以通过溢流阀21设定)时，燃油流经调压活门12后回流至溢流阀21，降低泵后燃油压力，可以防止燃油的泵后压力过高。在进行发动机高空模拟试验时，首先将抽真空调节阀9和29通过管路接入抽真空设备，抽真空设备为通用设备，可以是实验室气源或真空泵组5。液氮进口管路28接入液氮瓶，液氮瓶为市场上通用设备，液氮出口管路26应由管路通至室外。通过抽真空调节阀9和29可以调节燃油箱25和高空箱4内的真空度，模拟发动机燃油泵16、17和燃油的低压工作环境。输油管路3上的调节阀22和调压活门12采用气动薄膜调节阀对燃油压力、流量进行实时动态的调节。燃油箱25的通气阀8、燃油箱抽真空调节阀9和高空箱抽真空调节阀29采用气动薄膜调节阀，冷却油箱通气阀31采用液用电磁阀。

本发明中的燃油箱结构如图3所示，燃油箱25内部对燃油冷却使用液氮冷却煤油、煤油冷却燃油的逐级冷却方式。燃油箱25通过支架焊接固定在设备柜1内，燃油箱25的结构如图3所示。燃油箱25内部设有降温装置冷却油箱32，冷却油箱32内部设有冷却器35，燃油箱25和冷却油箱32之间充有燃油，燃油液面不超过燃油回油口34，冷却油箱32和冷却器35之间充有耐低温冷却介质煤油，煤油液面应超过冷却器35的高度，冷却器35内部与液氮相联通。为保证燃油温度稳定和防止燃油结冰，冷却油箱32中存有耐低温液体，本发明采用的耐低温液体为煤油。在冷却油箱32内布置冷却器35，冷却器35内部为冷却介质液氮，其中液氮出口管路26和进口管路28所用的管路材料应满足0.2MPa的强度要求，在与燃油箱25和冷却油箱32连接的中间段采用波纹管形式，这样可以在发生热胀冷缩的情况下仍能保证液氮进出口管路26、28与燃油箱25和冷却油箱32之间的良好密封；液氮出口管路26和进口管路28分别位于冷却器35的上下两端，这样有利于液氮冷却效果的充分发挥。冷却器35通过支架36焊接连接在冷却油箱32内壁上，液氮在冷却器35内部的循环可以起到降低冷却器35外部煤油介质的温度的作用。冷却油箱32通过支架15固定在燃油箱25内壁上，在冷却油箱32上还设置有一个冷却油箱通气阀31，在工作时通气阀31与外部大气相通，其作用是减小热胀冷缩对冷却器35和冷却油箱32的影响，调节冷却油箱32内部煤油上方的空气压力。为保证燃油降温效果，燃油出油口33和回油口34应180度对置安装在燃油箱25上下两端，这样有利于冷却油箱32冷却效果的充分发挥。在燃油箱25的上侧还分别设置有加油口6，压力表7，燃油通气阀8，燃油箱抽真空阀门9，在燃油箱25的下方设有一个放油阀24，当完成一次试验并长时间不使用燃油箱25时，应打开放油阀24，排空燃油箱25内的燃油。温度表23和油量显示表27连接在燃油箱25的侧壁上，用以测量燃油温度和燃油箱25的燃油量。

本发明中所述的设备柜1由不锈钢板焊接制成；燃油箱25和冷却油箱32是由不锈钢板制成，并能够满足0.2MPa压强的压力容器，其中燃油箱25采用双层薄钢板加保温材料焊接而成；输油管路3采用不锈钢管和不锈钢接头；高空箱4采用不锈钢板焊接而成。

应用本发明提供的航空发动机燃油系统高空性能试验装置可以通过如下的试验方法来实现，具体步骤为：

第一步，试验准备。

(a)燃油箱加油。打开燃油箱通气阀8，燃油由加油口6加入燃油箱25内，通过油量显示表27读取加油量，燃油液面高度低于燃油回油口34的高度。

(b)燃油泵16和燃油泵17与设备柜1内的输油管路3连接，输油管路3的两端分别连接燃油箱25的出油口33和回油口34。

(c)高空箱4与设备柜1通过12个螺栓连接。

第二步，系统在常温常压下运行，检验系统工作情况。

开启燃油泵16和燃油泵17使燃油系统循环工作。在燃油泵16和燃油泵17的驱动下，燃油从出油口33流出，通过调节阀22调节泵前压力，粗油滤20过滤掉燃油中的杂质，单向阀14和19防止燃油回流，压力表13连接在单向阀14、19和溢流阀21之间，测取泵后压力；压力表18连接在燃油泵16、17和粗油滤20之间，测取泵前压力。燃油通过燃油泵16和燃油泵17后通过调节活门12，细油滤11，流量计10，最后通过回油口34流回燃油箱25内部。其中调节活门12用于调节泵后压力，如果泵后的燃油压力值过高，则燃油通过调节活门12后回流至溢流阀21来降低燃油泵后压力，细油滤11用以过滤掉输油管路3中的杂质，流量计10测取泵后燃油流量。

第三步，进行高空环境模拟。

(A)，开启燃油箱抽真空调节阀9对燃油箱25内抽真空，真空度根据所要模拟的高度决定，如要模拟到标准大气1万米高空，则燃油箱内的压力值为0.264bar，由压力表7读取燃油箱25内的压力值。

(B)，开启高空箱抽真空调节阀29对高空箱4抽真空，真空度根据所要模拟的高度决定，如要模拟到标准大气1万米高空，则高空箱4内的压力值为0.264bar，由压力表30读取高空箱4内的压力值。

(C)，开启并调节液氮出口管路26和液氮进口管路28，使液氮流经冷却器35，降低煤油温度，进而起到对燃油箱25降温的作用。燃油温度根据所有模拟的高度决定，如要模拟到标准大气1万米高空，则燃油箱25内的燃油温度值为223K，由温度表23读取燃油箱25内燃油温度。

第四步，调节输油管路阀门，读取测试数据。

(i)调节调压活门12和调节阀22，读取泵后压力表13和泵前压力表18的压力值，在达到预定高度的泵后、泵前压差情况下，读取并记录流量计10读数。

(ii)重复步骤(i)，测得在1万米高度下不同泵后、泵前压差情况下的一系列流量计10的读数，储存在控制计算机内，由控制计算机对泵前、泵后压差和流量计10数值进行处理，从而得到燃油泵的高空特性。

本发明的特点是通过燃油箱25和试验台输油管路3的设计能够实现航空活塞发动机燃油系统高空模拟试验，避免了使用大型制冷设备来完成燃油泵高空性能测试试验。本发明可以方便地、低成本地完成航空活塞发动机燃油系统高空模拟试验。

Claims (6)

1.一种航空发动机燃油系统高空性能试验装置，其特征在于：所述的试验装置包括设备柜、控制计算机及显示仪表、燃油箱、高空箱、输油管路、真空泵组、调节阀、调压活门、单向阀、燃油箱通气阀、冷却油箱通气阀、燃油箱抽真空调节阀、高空箱抽真空调节阀、放油阀，控制计算机及显示仪表布置在设备柜面板上，燃油箱立式焊接在设备柜的内部，并通过输油管路与燃油泵连接，燃油箱体上设置放油阀、出油口、回油口、温度表、燃油箱抽真空调节阀、燃油箱通气阀、压力表、加油口、液氮进口管路和出口管路、以及油量显示表；真空泵组固定连接在设备柜底面上，通过燃油箱抽真空调节阀和高空箱抽真空调节阀分别对燃油箱和高空箱进行抽真空；高空箱内支架固定连接燃油泵，燃油泵通过输油管路与燃油箱连接，输油管路从燃油箱出油口到回油口之间依次设置了调节阀、粗油滤、泵前压力表、燃油泵、单向阀、泵后压力表、调压活门、溢流阀、细油滤和流量计。

2.根据权利要求1所述的航空发动机燃油系统高空性能试验装置，其特征在于：所述的燃油箱内部布置冷却油箱，冷却油箱内部设置冷却器，燃油箱和冷却油箱之间充有燃油，冷却油箱和冷却器之间充有耐低温介质，冷却器内部为流动的液氮，液氮进口管路和出口管路分别设置在冷却器的上下端；燃油出油口和回油口180度对置设置在燃油箱的上下端，并与输油管路相连；放油阀设置在燃油箱下侧，加油口、压力表、燃油箱通气阀、燃油箱抽真空调节阀设置在燃油箱上侧，温度表和油量显示表设置在燃油箱侧面。

3.根据权利要求2所述的航空发动机燃油系统高空性能试验装置，其特征在于：所述的耐低温介质为煤油。

4.根据权利要求2所述的航空发动机燃油系统高空性能试验装置，其特征在于：所述的液氮进口管路和出口管路在与燃油箱和冷却油箱连接的中间段采用波纹管形式。

5.根据权利要求2所述的航空发动机燃油系统高空性能试验装置，其特征在于：所述的设备柜由不锈钢板焊接制成；燃油箱和冷却油箱是由不锈钢板制成、并能够满足0.2MPa压强的压力容器，其中燃油箱采用双层薄钢板加保温材料焊接而成；输油管路采用不锈钢管和不锈钢接头；高空箱采用不锈钢板焊接而成。

6.一种应用权利要求1所述的航空发动机燃油系统高空性能试验装置的试验方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一、试验准备：给燃油箱加油，燃油泵与设备柜内的输油管路连接，输油管路的两端分别连接燃油箱的出油口和回油口；高空箱与设备柜通过螺栓连接；

步骤二、系统在常温常压下运行，检验系统工作情况：开启燃油泵使燃油系统循环工作，在燃油泵的驱动下，燃油从出油口流出，通过调节阀、粗油滤、燃油泵、单向阀、调压活门、细油滤、流量计，最后通过回油口流回燃油箱；

步骤三、进行高空环境模拟：首先开启燃油箱抽真空调节阀对燃油箱内抽真空，然后开启高空箱抽真空调节阀对高空箱抽真空，再开启并调节液氮出口管路和进口管路对燃油箱降温；

步骤四、调节管路阀门，读取测试数据：调节调压活门和调节阀，读取泵后压力表和泵前压力表的压力值，在达到预定高度后测得不同泵后、泵前压差情况下的一系列流量计的读数，由控制计算机对泵前、泵后压差和流量计数值进行采集和处理，从而得到燃油泵的高空特性。

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