摘要：根据用户的技术需求和航空发动机附件试验台的特性，设计完成了满足对航空发动机多种阀类附件进行试验的多功能试验台，并着重论述了试验台的油品供给系统及温度控制系统的参数选择，通过试验测试表明，理论分析结果与试验测试结果吻合良好，可为同类试验台的研究提供参考。

　　关键词：多功能阀类元件试验台;油品供给系统;温度控制系统;试验测试

　　[1]

　　一、引言

　　航空发动机系统是飞机的心脏，而发动机附件则是这颗心脏上重要的组成部分。航空发动机附件中含有许多步进电机控制滑阀，压力控制滑阀，喷嘴挡板阀和离心飞重控制滑阀等阀类元件，通过试验获得这些阀类元件的性能参数对于航空发动机的研究十分有益。

　　多功能阀类元件试验台是通过液压系统测试上述阀类元件的压力、流量、位移、温度、电流、转速等参数来确定元件性能的试验设备。其测量的这些参数可以为研究阀类原理提供依据，为新产品的研发提供帮助。同时阀类元件试验台也可用于新型阀类元件的性能测试，类似阀类产品的改进或改型的研究及对阀类元件的修复效果进行检测等等。

　　二、试验台的技术参数与结构原理图

　　根据用户的要求及航空发动机研究的实际需要，并参考国外同类试验台的设计经验提出了如下技术参数作为试验台的设计要求。

　　工作介质：航空煤油RP-3，4050滑油

　　燃油流量：0~2000L/h，控制精度：1%

　　滑油流量：0~2000L/h，控制精度：1%

　　燃油压力：0~25Mpa，控制精度：0.5%

　　滑油压力：0~30Mpa，控制精度：0.5%

　　过滤精度： 5μm

　　测量位移：0~20mm，控制精度0.005mm

　　挡板位移：0~2mm，控制精度0.005mm

　　电机转速：0~12000r/min，控制精度±5r/min

　　油品温度：20℃~130℃，控制精度±3℃

　　根据以上设计参数和试验台的功能要求，设计如下图1所示的工作原理图。

　　图1 多功能阀类试验台原

　　根据工作原理图分析，油品的供给系统及温度控制系统是试验台的两个重要部分。

　　试验台主要由燃油工作系统和滑油工作系统两部分组成，液压系统采用燃油和滑油两路独立供给，管路分离。油品在泵组的作用下，离开油箱后，在温度控制系统的作用下达到试验温度，然后在试验区通过被测元件后返回油箱。这是一个比较典型的液压系统，主要应确定油品供给系统的参数，再针对试验台的技术要求确定过滤及保护等辅助系统参数。

　　试验台的突出特点是需要对高温油品进行试验，加上由于系统中的液压油在回路中循环使用且油箱较小，同时其传动功率很大因而发热较严重。为保证满足试验台要求的技术条件，必须设计温度控制系统对油品温度进行控制调节。

　　温度控制系统的设计思路是当油品离开油箱以后，经过一路加热器加热和一路散热器冷却，然后流入气动三通合流阀，出口接温度传感器。由温度传感器测出油品温度，输出电信号至调节器，电信号与调节器上的设定值进行比较，然后输出电信号给气动执行元件(阀门定位器), 气动执行元件调节阀门的开度，从而调节冷热油品的混合比例，达到控制油品温度的目的。原理如图2所示：

　　图2温度控制系统

　　C为调节器 TT为温度传感器 EE为气动执行元件 SRQ为散热器 JRQ为加热器 SWB为气动三通合流阀

　　当完成试验后，油品特别是燃油需要冷却，试验台采用散热器进行冷却，外接水源，由气动球阀控制水路的开断。原理图如3所示：

　　图3燃油、滑油的冷却原理图

　　SRQ---散热器 QQF---气动球阀

　　温度控制系统计是试验台的关键部分，其参数的选取直接影响试验台的性能，如选取不当，不仅无法达到测试目的，甚至可能产生不必要的危险。

　　三、试验台设计参数的选择与确定

　　通过上述分析，试验台主要要解决油品供给系统及温度控制系统的参数选择。而要确定这些参数则必须对压力损失进行校核。

　　3.1 对压力系统的校核

　　在液压传动中，能量损失主要表现为压力损失 ，压力损失分为两部分：沿程压力损失和局部压力损失。

　　在试验台的试验时，燃油或滑油经过管道时，由于内外磨擦产生压力损失，导致压力降低。其某一管段的沿程压力损失为：

　　== 其中L为管道长度，d 为管道内径，Q为流量，为油的比重，为管道内的液流摩擦阻力系数。

　　由于试验时温度基本恒定，此时油的比重可作为定值，由于管路为圆型，通过计算证明其雷诺数为：<，其中为油品的运动粘度系数。流动为层流，则取，不同直径管道内的液流摩擦阻力系数可以根据流量平衡方程求出，然后通过数值迭代求解出其所有管段的沿程压力损失总和。

　　在产生局部压力损失的附件中，油滤和试验部件产生的压力损失最大，通过油滤和试验部件的压力损失，其余局部损失可以忽略。

　　则经过实际计算后，总压力损失仅为泵组增压的0.28%，损失微乎其微。

　　3.2对泵组设计参数的选取

　　通过压力校核以后发现这个试验台的油品通过管道和主要部件的压力损失有限，因此可以直接根据工况选择泵组。以燃油泵组的选取为例。

　　由于工况为燃油最大压力25Mpa、系统最大流量为2000L/h、温度20℃~130℃。 根据工况选择燃油泵的型号为齿轮泵QXV56-050R179-2，额定压力25Mpa、排量50ml/rev、额定转速1500 r/min、温度≥160℃、变频调速。

　　燃油泵电机的选择：

　　=36kw

　　注：为燃油泵电机计算功率，为燃油泵额定压力，为燃油泵排量， 为燃油泵转速，为燃油泵效率。

　　由于介质为航空煤油，考虑其易燃易爆，故选用电机型号为：YB200L2-2， 额定功率37kw、频率50Hz、电压380V、额定转速2950r/min、防爆、四极。

　　其滑油泵组的选取与燃油泵组的选取类似。

　　3.3温度控制系统设计参数的选取

　　由于燃油易燃易爆，直接加热较危险，因此对燃油加热采用油浴加热(电加热滑油至高温，然后与燃油热交换)，使燃油温度达到使用温度。此方案的缺点是效率低下，用时较长;优点为使用安全。而对滑油管路直接采用电加热方法;此方法效率高、时间短、容易控制并结构简单。以燃油温度控制系统为例，要将燃油在一小时之内加热到130℃，电热器的功率主要包括滑油箱散热功率(H1)，滑油自身温度升高需要的功率(H2)，燃油箱散热功率(H3 )，燃油自身温度升高需要的功率(H4)，同时还要考虑燃油泵组产生热量的功率(H5)。由于加热完成后立即进行试验，因此不考虑管路及附件的散热问题。

　　则需要的电加热功率为：

　　==26.4kw

　　为燃油比热;为滑油比热

　　燃油油品质量;滑油油品质量;

　　燃油油品温差滑油油品温差

　　­电加热的热效率燃油的吸热效率

　　燃油箱散热面积滑油箱散热面积

　　燃油箱散热系数燃油箱散热系数

　　因此需要大约26.4千瓦的加热器在一小时内就可以完成将燃油加热到130℃的要求。

　　当试验完成后，燃油需要立即冷却，而用于加热的滑油，由于安全性较好，可以自然冷却。燃油散热器的散热面积为：

　　3.54

　　为管路的散热功率。

　　、为进口和出口油温，

　　、为进口和出口水温，

　　散热器系统散热面积，

　　K旋板式散热器传热系数,350kcal/mh℃;

　　燃油质量，油品温差。

　　其外接水源的流量为：

　　6225L/h

　　C2为水的比热容

　　则燃油散热系统需要约3.54m2的旋板式散热器，其最大外界水源流量约为6225L/h。就可以满足降温的需要。

　　对滑油的温度控制直接采用电加热方法，此方法的校核与燃油系统类似。

　　四、功能测试

　　根据以上设计参数，选用合适元件，调试试验台，在调试过程中，经过测量，燃油由室温达到130℃共用了55分钟，冷却过程共用了45分钟。滑油由室温达到130℃共用了50分钟，冷却过程共用了55分钟，均达到了设计要求。

　　对某型已知压力控制滑阀元件在滑油温度为50℃，进口滑油压力保持在5Mpa条件进行测试。保持进口压力的情况下，选择合适的出口压力使阀芯位移如下移动，得到一组数据，对此数据与滑阀的原始数据对比绘制曲线如图4，图5所示：

　　图4控制压力-位移曲线

　　图5流量-位移曲线

　　通过以上的测试对比，阀类元件试验台基本满足了设计参数的要求，温度控制系统达到了设计要求，曲线的绘制相当准确和便捷，达到了预期设想的目的，满足了用户的需要。

　　五、结论

　　通过对试验台的工作原理图中的油品供给系统及温度控制系统的分析计算与试验测试表明，本文提供的的油品供给系统和温度控制系统可以满足试验台实际需要，其理论计算能够作为此试验台参数选择的依据。整个试验台的理论设计可行，可以为同类试验台的设计研究提供参考。

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