隨著新一代航空發(fā)動機性能方案的明確及FADEC技術的不斷發(fā)展，控制任務和控制參數逐漸復雜化，研制中燃油及控制系統(tǒng)地面試驗內容必然不斷增多，關鍵參數測試的性能要求也不斷提高[1]。發(fā)動機控制系統(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)行機構、控制器等硬件性能不斷革新以滿足技術匹配。燃油系統(tǒng)是發(fā)動機控制系統(tǒng)的核心，它直接關系控制系統(tǒng)乃至整個發(fā)動機的性能優(yōu)劣，影響飛機的飛行安全與穩(wěn)定 [2]。燃油量作為***核心的技術參數，直接決定著發(fā)動機的運行狀態(tài)和性能，加之與發(fā)動機轉速、推力(或軸功率)、溫升等重要參數依賴關系強，測算方法簡單、精度高，常作為航空發(fā)動機控制系統(tǒng)的控制量，對發(fā)動機狀態(tài)進行實時調節(jié)或控制[3]。圖1.1所示為典型航空發(fā)動機轉速控制回路，該系統(tǒng)中轉速為被控對象，供油量(即燃油量)則為系統(tǒng)的控制量，此時發(fā)動機轉速通過供油量調節(jié)。因制造實驗成本巨大，研發(fā)過程中控制系統(tǒng)需歷經諸如硬件在回路(如傳感器、燃油泵或控制器等)、半物理實驗(燃油系統(tǒng)及調節(jié)器)、臺架試車等多項地面實驗，以在機載實驗前摸清控制元件或系統(tǒng)特性，驗證設計效果、***大程度減小實驗和應用風險，以上實驗都需建立在對燃油量準確檢測的基礎之上[4]；當前，航空發(fā)動機正由傳統(tǒng)機械液壓控制逐步發(fā)展為數字電子控制，以滿足多變量、高精度、高可靠性和可維護性等要求。發(fā)動機控制方式轉變帶來了被測量和控制量的變化，傳統(tǒng)液壓機械式控制常以位置閉環(huán)間接控制燃油量，而數控系統(tǒng)如基于電動燃油泵的航空發(fā)動機燃油控制將直接以燃油量作為反饋量實現流量閉環(huán)，進一步簡化系統(tǒng)并提升供油品質，但都必須對燃油量進行實時測量；軍用飛機寬包線、大機動飛行的特點在控制器設計時也常依賴燃油量作為重要輸入或觀測量，由此其動態(tài)性能很大程度上受限于燃油量監(jiān)測的動態(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)動機研制過程中有著決定性的理論意義和工程應用價值，必須設計與選擇高性能流量檢測元件實時獲取發(fā)動機運行時的高精度供油量信號。燃油調節(jié)系統(tǒng)及其執(zhí)行機構成為航空發(fā)動機控制系統(tǒng)中至關重要的組成部分，實驗室開展硬件在環(huán)(HIL)試驗、燃油泵試驗或燃油調節(jié)器，發(fā)動機臺架或半物理試驗等都需建立在對燃油流量準確計量的基礎之上。
流量，是指單位時間內流經封閉管道或明渠有效截面的流體量[5]。以體積表示時稱為體積流量，以質量表示時稱為質量流量[6]。流量不同于體積、質量或長度等物理量，其具有自身特點：流量是不存在實物標準的導出量，只能在特定條件下由基本量合成。流量實際上是一個動 態(tài)概念，只有當流體運動起來時，流量才具有實際意義。因而，要準確并實時測量具有動態(tài)特性的流量是很困難的。有關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用寶瓶口水位觀測水量的大小[7]?，F代工業(yè)過程中，流量也是重要的監(jiān)測參數，在能源計量、環(huán)境保護工程、交通運輸、生物技術等多個領域受到廣泛關注。
圖 1. 1 航空發(fā)動機典型主燃油控制回路
測量流量的儀器叫做流量計，流量計分類方法很多——按測量介質的不同，可分為氣體流量計和液體流量計；按照測量原理的不同，可分為渦街流量計、渦輪流量計、超聲波流量計、孔板流量計等[8]。其中，渦輪流量計以其測量精度高、重復性好等特點在諸多場合均被選作流量的測量儀器。然而，由于軸承磨損，渦輪轉子葉片受到油液腐蝕，流體介質變化甚至周圍環(huán)境的變化等原因，長期使用的渦輪流量計會產生性能退化，其儀表系數勢必發(fā)生變化，使測量的性很難得到保證。很長一段時間以來，在渦輪流量計使用中，存在著靜態(tài)校準，動態(tài)使用的問題[9]，即只對渦輪流量計進行靜態(tài)校準，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)動機等動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)流量的基礎上疊加有周期的、隨機的甚至階躍形式的擾動，這對渦輪流量計的動態(tài)性能提出了更高的要求。然而，目前對于渦輪流量計的動態(tài)特性認識不足，非穩(wěn)態(tài)燃油流量的準確測量還存在一定誤差。通過前期調研發(fā)現，國內外用于流量計校準的裝置不多，對于校準方面的研究也較少，尤其動態(tài)校準的實際應用方法屈指可數。本文將以渦輪流量計為例，探究流量計的動態(tài)校準方法。
可以看出，對渦輪流量計的動態(tài)校準展開理論分析及試驗研究具有實際工程應用價值，同時也對航空發(fā)動機地面試驗中其他流量監(jiān)測設備的檢定具有一定的參考價值。
渦輪流量計：
渦輪流量計是一種速度式儀表，由渦輪轉子、前置放大器、軸承以及顯示儀表等組成[11]。渦輪流量計工作時，流體沖擊渦輪葉片轉動，葉片的轉動頻率與流量大小成正比——葉片轉動越快，則流量越大。圖 1.2 給出了渦輪流量計的結構原理。前后管路利用連接件 1 緊固在一起；外殼 2 起到保護與支撐的作用，并和前穩(wěn)流器 3 和后穩(wěn)流器 8 組成整流裝置，對流進流出流量計的流體介質起到導向作用，減少介質對于葉片的沖擊，因而對外殼內表面的粗糙度有一定要求；葉輪 5 固定于止推片 4 之上；渦輪葉片在安裝時與流量計軸線之間有一定的安裝角，流體介質沖擊渦輪葉片時能夠產生驅動力矩；旋轉傳感器 6 將渦輪葉片的轉速轉換為脈沖信號，如某渦輪流量計轉子擁有 n 個葉片，那么轉子轉動一周，將通過旋轉傳感器產生 n 次電脈沖；脈沖信號經前置放大器方法處理后，進入顯示儀表或者上位機中進行計數和顯示。瞬時流量和累計流量值分別可根據單位時間內的電脈沖數和累積脈沖數獲得。當渦輪流量計處于穩(wěn)態(tài)流中時，存在著如下的穩(wěn)定關系 nqK式中，q是流量計顯示流量，L/min；n是流量計渦輪葉片個數；?是流量計渦輪轉動頻率；K是流量計儀表系數，1/L。
圖 1. 2 渦輪流量計結構原理
渦輪流量計轉子輕，慣性小，因而適合于動態(tài)測量，并且測量精度高，線性范圍寬、重復性好[12]。渦輪流量計在工作時，作用在渦輪葉片上的力矩主要有：流體介質對渦輪葉片的驅動力矩T，支撐軸承與渦輪軸的摩擦阻力矩Trm，流動阻力矩Trf以及電磁阻力矩Tre。根據牛頓運動定律，可得以下渦輪流量計的運動方程[13]
(1.2) 式中，Jm是渦輪轉動慣量；ω是渦輪旋轉角速度；T是驅動力矩；Trm是摩擦阻力矩；Trf是流動阻力矩；Tre是電磁阻力矩，該值通常較小，可以忽略。
注意到，式1.1中有渦輪流量計的儀表系數K，這一概念由美國人D.J. Higson[14]在上世紀六十年代次提出，他用水作為介質驗證了渦輪流量計的瞬態(tài)特性。當渦輪轉速變化時，用陰極射線示波器顯示其特性，發(fā)現渦輪轉子轉速與時間以指數方式接近一個常值。流量計的松弛時間tR和流量q的乘積是一個定值，即tRq=K，K是一常數，由渦輪流量計本身的性質決定。從而次定量地提出了儀表系數這一概念，為之后的渦輪流量計研究打下了堅實的理論基礎。渦輪流量計儀表系數的物理意義是，單位體積的流體介質流過時流量計輸出的脈沖數，量綱為脈沖數每升。誠然，如前文所述，渦輪流量計有著諸多優(yōu)點，但是它的缺點同樣不可忽視：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，渦輪流量計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性能退化的因素之一。
