CN115144039A - 一种确定航空发动机内部燃油回油流量的方法 - Google Patents

一种确定航空发动机内部燃油回油流量的方法 Download PDF

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梁义强
刘国朝
周建军
尚守堂
于霄
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汤天宁
任勇翔
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Abstract

本申请提供了一种确定航空发动机内部燃油回油流量的方法，包括：确定离心泵的多个转速状态点；根据离心泵的最小燃油流量值、最大燃油流量值及区间内选取的若干流量值形成一流量集合；在最小燃油流量值和最大燃油流量值范围内调节离心泵后的阀门开度，获得所述离心泵的入口燃油压力、出口燃油压力及燃油流量；重复上述步骤，得到多个转速状态点下的压差和燃油流量的特性曲线组；在离心泵回油口正常开启的发动机运行过程中，测量离心泵的进口燃油压力、出口燃油压力及运行转速而得到运行时的进出口压差和离心泵流量；根据发动机运行时的离心泵燃油流量及通往燃烧室的燃油流量得到发动机燃油系统内部回油流量。

Description

一种确定航空发动机内部燃油回油流量的方法
技术领域
本申请属于燃气涡轮发动机技术领域，特别涉及一种确定航空发动机内部燃油回油流量的方法。
背景技术
作为燃气涡轮发动机的重要冷源之一，燃油经常用于冷却高温部件或高温气体，因此在发动机冷却方案设计的过程中，需要掌握可用于冷却的燃油温度和流量，进而需要掌握燃油系统内部燃油的温度和流量分布。燃气涡轮发动机的燃油系统由泵、管、阀、调节器等结构组成，其主要功能一方面是向发动机燃烧室供给燃油，另一方面是向发动机的作动筒提供高压燃油，驱动发动机可执行机构进行动作。在发动机运行过程中，流向发动机燃烧室的燃油由调节系统控制其流量，最终进入燃烧室燃烧；而流向发动机作动筒的高压燃油，在完成驱动功能后，需返回发动机进口，继续在燃油系统内部循环。其中这部分在燃油系统内部循环的燃油，因受泵的做功，温度有一定的提升，进而提高了整个系统的燃油温度，降低了燃油的冷却品质，甚至有可能超过泵、调节器等元件的最高耐受温度，进而对发动机的运行安全造成影响。
为评估内部回油对发动机燃油系统温度水平的影响，需要得到典型状态下发动机燃油系统内部回油的温度和流量数据。通常情况下，回油温度的测试数据容易获得，而回油流量的数据难以测得。
燃油流量计对安装空间的要求较为苛刻，一方面燃油流量计体积较大，一方面燃油流量计需要安装在较长的直管段上，而发动机燃油管路空间排布十分紧凑，也很少有较长的直管段，因此在现有的发动机燃油管路排布基础上，难以直接安装流量计测量发动机燃油系统的回油流量。
因此，为获得典型状态下发动机燃油系统内部回油的回油流量，现有的技术中通过改变发动机的回油管路结构，将回油管路引至远离发动机的外部空间，再安装流量计测量回油流量。
但该技术方案改变了发动机的回油管路结构，管路的阻力特性发生变化，回油流量也随之改变，测试结果会存在较大的偏差；回油管路结构调整会对发动机燃油系统性能产生影响，同时也带来发动机运行安全性风险。此外，为安装流量计，燃油管路的改动较大，测试改装的周期通常会很长，测试工作的效率较低。
发明内容
本申请的目的是提供了一种确定航空发动机内部燃油回油流量的方法，以解决或减轻背景技术中的至少一个问题。
本申请的技术方案是：一种确定航空发动机内部燃油回油流量的方法，所述方法包括：
确定发动机运转过程中内部回油流经的离心泵的多个转速状态点；
确定所述离心泵的最小燃油流量值及最大燃油流量值，从最小燃油流量值及最大燃油流量值之间以预订间隔选取若干流量值，形成包含最小燃油流量值、最大燃油流量值及若干流量值的流量集合；
封堵所述离心泵的回油口，开展离心泵的压差-流量特性试验，在最小燃油流量值和最大燃油流量值范围内，调节离心泵后的阀门开度，获得所述离心泵的入口燃油压力、出口燃油压力及燃油流量；
使所述离心泵的转速调节至任一的转速状态点，得到该转速状态点下的离心泵出口燃油压力与入口燃油压力的压差和燃油流量的特性曲线；
重复上述步骤，得到多个转速状态点下的离心泵出口燃油压力与入口燃油压力的压差和燃油流量的特性曲线组；
在离心泵回油口正常开启的发动机运行过程中，测量所述离心泵的进口燃油压力、出口燃油压力及运行转速，根据发动机运行时的进口燃油压力、出口燃油压力得到运行时的进出口压差，根据运行转速及特性曲线组得到运行时的离心泵流量；
根据发动机运行时的离心泵燃油流量减去通往燃烧室的燃油流量即获得发动机燃油系统内部的回油流量。
进一步的，所述离心泵的最小燃油流量值及最大燃油流量值根据离心泵的使用说明书或通过试验得到。
进一步的，从最小燃油流量值及最大燃油流量值之间以预订间隔选取若干流量值，形成包含最小燃油流量值、最大燃油流量值及若干流量值的流量集合；调节离心泵阀门开度时，以所述流量集合中的流量值来控制离心泵流量。
进一步的，所述离心泵的入口燃油压力和出口燃油压力通过压力计测量得到。
进一步的，所述离心泵的燃油流量通过流量计测量得到。
进一步的，所述特性曲线中，横坐标为压差，纵坐标为燃油流量。
进一步的，当所述发动机的运行转速没有对应的压差与流量特性曲线时，通过插值特性曲线组获得运行转速对应的燃油流量。
本申请的方法相比于现有技术来说，可以快速准确地获取发动机燃油系统内部的回油流量信息，而无需安装流量计，避免了对发动机燃油系统管路进行改装，避免对发动机燃油系统性能产生影响，工作量大幅降低，同时解决了回油管路结构调整带来的发动机运行安全性问题，通过离心泵的转速、进出口压差计算燃油流量的方法简单可靠，能够满足工程设计需求。
附图说明
为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。
图1为典型发动机燃油系统流路示意图。
图2为本申请提供的确定发动机内部燃油回油量的方法流程图。
图3为本申请中的离心泵压差-流量特性试验示意图。
图4为本申请中的特定转速下离心泵进出口压差与燃油流量的关系曲线。
图5为本申请中的不同转速下离心泵进出口压差与燃油流量的关系曲线。
图6为本申请中的通过实测压差得到流量的示意图。
图7为本申请一实施例的通不同转速下离心泵进出口压差与燃油流量的关系曲线。
图8为本申请该实施例的通过实测压差得到流量的示意图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
如图1所示为典型发动机燃油系统流路示意图，来自油箱的燃油进入发动机后先与发动机内部的回油混合，之后进入离心泵完成第一步增压，再进入齿轮泵完成第二步增压，调节装置根据燃烧室的需求，计量进入燃烧室的燃油，剩余燃油通过作动装置等机构返回离心泵前。当发动机状态固定时，发动机燃油系统各支路的燃油流量固定，通往燃烧室的燃油流量W计量可由调节装置计量得到，而燃油系统内部的回油流量目前无法直接测得。
为了可以获取发动机典型工作状态下的内部回油流量，解决回油管路结构调整带来的发动机运行安全性问题及发动机回油管路改动可能导致的测量结果偏差问题，本申请提出了一种能够快速测量发动机燃油系统内部回油流量的方法，该方法通过选取发动机内部回油流经的燃油离心泵，并开展该燃油泵的流动试验，获得其转速下的压差-流量特性；同时测试该燃油泵在发动机工作状态下的转速和泵进出口压差，通过插值方法，获得回油流量，如图2所示。
具体的，本申请提供的方法包括如下步骤：
1)根据发动机运行过程中，离心泵的实际工作转速范围，确定一系列转速状态点，共形成N个转速值Rmin、R1、R2…Rmax。
2)根据离心泵的使用说明书，确定离心泵在不同转速下的最小燃油流量Wmin以及最大燃油流量Wmax，若说明书中未明确指出，可以结合试验摸索得到；从最小燃油流量Wmin至最大燃油流量Wmax中以一定的间隔取若干流量值，共形成M个流量值Wmin、W1、W2……Wmax。
3)如图3所示，将离心泵的回油口封堵，开展离心泵的压差-流量特性试验，在离心泵的入口安装压力计以测量入口燃油压力，在离心泵的出口安装压力计以测量出口燃油压力，燃油流量通过调节阀门开度进行控制，并用流量计计量燃油流量。调节时可参照M个流量值进行调节。
4)将离心泵转速调节至某一转速状态点，入口压力调至发动机正常工作的入口压力范围内，通过调节装置控制离心泵的输出燃油流量到达指定值，记录实际的入口压力Pin、出口压力Pout以及燃油流量W。
以上述过程测得的离心泵进出口压差为横坐标，以测得的离心泵燃油流量为纵坐标，绘制该转速状态点下离心泵流量随着进出口压差的变化曲线，如图4所示。
通常情况下，该曲线的表现形式为：随着进出口压差的增大，通过离心泵的燃油流量逐渐降低。
5)同理，将离心泵转速调节至下一转速状态点，重复步骤4和步骤5，可以得到N个转速状态点下的进出口压差-流量特性曲线，最终成为压差-流量特性曲线组，如图5所示。
6)在发动机运行过程中(即离心泵回油口正常开启)，测量离心泵进口燃油压力、出口燃油压力以及转速计算得到进出口压差，本申请中采用图像法对由步骤6得到的曲线组进行处理，即可得到通过离心泵的燃油流量W，如图6所示。
如果发动机状态没有对应的压差-流量特性曲线，则可以采用插值的方法获得燃油流量。
7)由步骤6得到的燃油流量W为流经离心泵的总燃油流量，该流量值减去通往燃烧室的燃油流量W计量(该数据在发动机运行过程中有记录)，即可获得发动机燃油系统内部回油流量。
一般地，在步骤5中得到的压差-流量特性曲线数量越多，通过步骤7得到的燃油流量就越准确，但是也会带来更多的工作量，因此，在工程实际中，需要综合权衡，根据工作周期及结果分析的准确度要求来给定曲线数量，即转速状态点的数量。
例如在本申请该实施例中，针对某发动机内部热回油流量的测试需求，首先根据发动机运行过程中离心泵的实际工作转速范围，确定转速包括5500r/min、6500r/min、7500r/min、8800r/min、10000r/min几个状态点，开展离心泵的部件试验，形成如图6所示的离心泵的压差-流量特性曲线组。
若发动机实际运行过程中，离心泵实测转速为7500r/min，实测进出口压差为2MPa，通往燃烧室的燃油流量为1.0L/s。采用图像法，可以获得转速为7500r/min，进出口压差为2Mpa时，通过离心泵的燃油流量，即1.6L/s。根据通往燃烧室的燃油流量1.0L/s及离心泵的燃油总流量，即可以获得燃油系统内部的回油流量为0.6L/s。
本申请的方法相比于现有技术来说，可以快速准确地获取发动机燃油系统内部的回油流量信息，而无需安装流量计，避免了对发动机燃油系统管路进行改装，避免对发动机燃油系统性能产生影响，工作量大幅降低，同时解决了回油管路结构调整带来的发动机运行安全性问题，通过离心泵的转速、进出口压差计算燃油流量的方法简单可靠，能够满足工程设计需求。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种确定航空发动机内部燃油回油流量的方法，其特征在于，所述方法包括：
确定发动机运转过程中内部回油流经的离心泵的多个转速状态点；
确定所述离心泵的最小燃油流量值及最大燃油流量值；
封堵所述离心泵的回油口，在最小燃油流量值和最大燃油流量值范围内，调节离心泵后的阀门开度，获得所述离心泵的入口燃油压力、出口燃油压力及燃油流量；
使所述离心泵的转速调节至任一的转速状态点，得到该转速状态点下的离心泵出口燃油压力与入口燃油压力的压差和燃油流量的特性曲线；
重复上述步骤，得到多个转速状态点下的离心泵出口燃油压力与入口燃油压力的压差和燃油流量的特性曲线组；
在离心泵回油口正常开启的发动机运行过程中，测量所述离心泵的进口燃油压力、出口燃油压力及运行转速，根据发动机运行时的进口燃油压力、出口燃油压力得到运行时的进出口压差，根据运行转速及特性曲线组得到运行时的离心泵流量；
根据发动机运行时的离心泵燃油流量减去通往燃烧室的燃油流量即获得发动机燃油系统内部的回油流量。
2.如权利要求1所述的确定航空发动机内部燃油回油流量的方法，其特征在于，所述离心泵的最小燃油流量值及最大燃油流量值根据离心泵的使用说明书或通过试验得到。
3.如权利要求1所述的确定航空发动机内部燃油回油流量的方法，其特征在于，从最小燃油流量值及最大燃油流量值之间以预订间隔选取若干流量值，形成包含最小燃油流量值、最大燃油流量值及若干流量值的流量集合；
调节离心泵阀门开度时，以所述流量集合中的流量值来控制离心泵流量。
4.如权利要求1所述的确定航空发动机内部燃油回油流量的方法，其特征在于，所述离心泵的入口燃油压力和出口燃油压力通过压力计测量得到。
5.如权利要求3所述的确定航空发动机内部燃油回油流量的方法，其特征在于，所述离心泵的燃油流量通过流量计测量得到。
6.如权利要求1所述的确定航空发动机内部燃油回油流量的方法，其特征在于，所述特性曲线中，横坐标为压差，纵坐标为燃油流量。
7.如权利要求1所述的确定航空发动机内部燃油回油流量的方法，其特征在于，当所述发动机的运行转速没有对应的压差与流量特性曲线时，通过插值特性曲线组获得运行转速对应的燃油流量。
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