渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)槳葉角測量試驗(yàn)

朱 宇，牟錦輝，原 博

（中國飛行試驗(yàn)研究院，西安 710089）

1 引言

渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是利用螺旋槳將燃?xì)獯蟛糠挚捎媚芰哭D(zhuǎn)換成推進(jìn)功率，即有效功85%～90%傳遞給螺旋槳產(chǎn)生拉力，渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)效率近似等于螺旋槳的有效效率。因此，槳葉角是渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)的重要參數(shù)之一，測量的準(zhǔn)確與否不但直接影響對發(fā)動(dòng)機(jī)性能（拉力、推進(jìn)效率等）評(píng)定，而且是檢查螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)順槳、回槳、反槳等的位置標(biāo)志。所以，設(shè)計(jì)1套具有較高準(zhǔn)確度的槳葉角測試系統(tǒng)對渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)飛行試驗(yàn)具有十分重要的意義。

作為渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)飛行試驗(yàn)技術(shù)的經(jīng)典內(nèi)容，螺旋槳槳葉角的測量難度很大，中國一直沒有開展相關(guān)研究和試驗(yàn)。其難點(diǎn)在于：螺旋槳為高速旋轉(zhuǎn)部件，難以在其上安裝現(xiàn)有的成品測試傳感器；螺旋槳上加裝傳感器和遙測裝置不能影響螺旋槳的正常功能，并滿足動(dòng)、靜平衡和振動(dòng)環(huán)境要求；由于螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)，正常的“傳感器-導(dǎo)線-采集器”送電模式不可能實(shí)現(xiàn)；測試后的信號(hào)必須以無線傳輸?shù)姆绞絺鬏斨翜y試記錄系統(tǒng)。

本文通過地面試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)，驗(yàn)證了螺旋槳空中調(diào)節(jié)和運(yùn)行規(guī)律，掌握了高空高速旋轉(zhuǎn)件螺旋槳槳葉角測量試驗(yàn)技術(shù)。

2 傳感器的研制與安裝

2.1 傳感器的研制

本次飛行試驗(yàn)測試對象是新型復(fù)合材料螺旋槳。由于在高速旋轉(zhuǎn)的螺旋槳槳轂上安裝成品角位移或線位移傳感器是不可取的，因此，必須針對螺旋槳槳轂形狀，研制1個(gè)形狀特殊的弧線位移傳感器安裝在槳袖上，以提供測試信號(hào)。

傳感器的選取需滿足以下原則：重復(fù)性、線性度好；溫漂、滯后??；具有良好的頻響特性，要求其截止頻率遠(yuǎn)高于螺旋槳轉(zhuǎn)速的8倍頻率，以滿足動(dòng)態(tài)測量的要求；傳感器對離心力和慣性力不敏感；傳感器體積小、質(zhì)量輕。

槳葉角傳感器主要技術(shù)數(shù)據(jù)為：測量角度范圍0°～90°；阻值＜1 kΩ；輸出誤差（非線性誤差、遲滯誤差、重復(fù)性誤差等）≤±1%。

槳葉角傳感器型號(hào)為GJY-4，外形如圖1所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。在內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，滑動(dòng)電刷組件通過滑塊組件帶動(dòng)沿傳感器滑槽移動(dòng)，以防止滑動(dòng)電刷組件側(cè)扭，提高測量精度。輸出引線為3線制，分別為+5 V直流、輸出端和地線。所有內(nèi)部電路封閉在金屬殼體、電位器座和蓋板中，避免油污、雜質(zhì)等侵入，并形成電磁屏蔽。

2.2 傳感器的標(biāo)定與安裝

傳感器標(biāo)定在裝配平臺(tái)上進(jìn)行,并與測試系統(tǒng)連接，采用靜標(biāo)定方法，檢驗(yàn)輸出和給定角度之間的關(guān)系。得到傳感器輸入-輸出特性曲線，如圖3所示。結(jié)果完全滿足測試要求，線性度、重復(fù)性良好。

槳葉角傳感器在槳轂上的安裝固定采取了強(qiáng)化設(shè)計(jì)。由廠家設(shè)計(jì)1個(gè)“Ω”形卡環(huán)，其兩端安裝在槳轂上的槳帽支撐盤固定支柱與槳轂間的連接螺栓上?！唉浮毙慰ōh(huán)表面鉆孔，內(nèi)側(cè)劃窩，槳葉角傳感器內(nèi)凹面攻有螺紋孔，2者靠埋頭螺釘緊固，并且緊固前結(jié)合面涂膠粘合。傳感器滑塊組件通過固定在螺旋槳槳葉根部夾緊箍上的撥桿來帶動(dòng)。這樣的安裝方式可有效地抵抗螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)對槳葉角傳感器產(chǎn)生的離心力，保證安裝牢固、可靠。

3 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

螺旋槳測試系統(tǒng)包含遙測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集／記錄系統(tǒng)。遙測系統(tǒng)的動(dòng)部件和靜部件由德國德泰遙測公司（Datatel）研制，為40通道應(yīng)變、槳葉角遙測系統(tǒng)，具有抗干擾能力強(qiáng)、信號(hào)質(zhì)量好、數(shù)據(jù)精度高、使用維護(hù)方便的特點(diǎn)。機(jī)載數(shù)據(jù)采集／記錄系統(tǒng)由德國雷卡公司（Heim System GmbH）提供。該機(jī)載采集／記錄器可滿足同時(shí)記錄40通道信號(hào)，并具有數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳、機(jī)上實(shí)時(shí)監(jiān)視功能。

遙測系統(tǒng)由動(dòng)部件和靜部件組成。動(dòng)部件即固定在螺旋槳槳轂上的遙測盤，包含采集和發(fā)射模塊、（DC-DC）電壓變換模塊、蓄電池供電模塊以及柱狀發(fā)射天線，與螺旋槳槳葉上應(yīng)變片和槳轂上槳葉角傳感器相連，組成了無線遙測發(fā)射系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)螺旋槳槳葉應(yīng)變信號(hào)和槳葉角測試信號(hào)的無線傳輸。由于槳葉角傳感器在螺旋槳穩(wěn)定狀態(tài)工作時(shí)其輸出信號(hào)理論上為直流，信號(hào)響應(yīng)完全適應(yīng)應(yīng)變測量要求，為螺旋槳槳葉角測量提供了保證。

動(dòng)部件在螺旋槳槳轂上的固定如圖4所示?？梢钥吹?，遙測盤通過螺栓安裝在螺旋槳槳轂上，槳葉角傳感器則固定在靠近槳葉根部的槳袖上。柱狀發(fā)射天線安裝在螺旋槳槳帽內(nèi)支撐件上，天線體從槳帽頭部伸出。靜部件包括片狀接收天線、耦合分頻器和接收機(jī)。接收天線安裝在飛機(jī)機(jī)身側(cè)面蒙皮結(jié)構(gòu)上，其余部分安裝在飛機(jī)機(jī)艙內(nèi)。動(dòng)部件依靠從螺旋槳防冰導(dǎo)電環(huán)獲得的28 V DC供電，DC/DC模塊進(jìn)行整流穩(wěn)壓，具有過壓和欠壓保護(hù)功能和防瞬間掉電供電能力，如果掉電時(shí)間過長，系統(tǒng)能自動(dòng)切換蓄電池供電模塊供電。靜部件依靠飛機(jī)系統(tǒng)電源供電。

測試信號(hào)在遙測系統(tǒng)中的變換過程如圖5所示。

4 試驗(yàn)方法與結(jié)果

槳葉角測試系統(tǒng)安裝到載機(jī)上后，先后完成了10多架次飛行試驗(yàn)。選擇了典型的飛行試驗(yàn)剖面，分別進(jìn)行了穩(wěn)定平飛，等馬赫數(shù)平飛，盤旋、側(cè)滑、平飛拉起、平飛加減速、復(fù)飛等機(jī)動(dòng)飛行，以及大載重飛行，獲得了寶貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為研究螺旋槳運(yùn)行規(guī)律奠定了基礎(chǔ)。典型試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線如圖6～8所示。

4.1 槳葉角隨飛行速度的變化

保持飛行高度不變、發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)不變，進(jìn)行加減速平飛試驗(yàn)，得到渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)螺旋槳槳葉角跟速度的關(guān)系。減速過程中槳葉角的變化趨勢如圖6所示。

隨著飛行速度的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)總增壓比增大，渦輪中的焓降也加大，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量隨飛行速度的增大而增大，因此發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率增大。為了保持發(fā)動(dòng)機(jī)恒轉(zhuǎn)速，發(fā)動(dòng)機(jī)槳葉角增大。

4.2 槳葉角隨飛行高度的變化

保持發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)不變，進(jìn)行等速爬升飛行試驗(yàn)。槳葉角隨高度的變化如圖7所示。

隨著飛行高度的增加，大氣壓力下降造成空氣流量大幅減小，雖然溫度下降造成單位功率的增大，但并不能抵消空氣流量下降而造成的輸出功率的減小，所以，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率是減小的。同時(shí)，隨著飛行高度的增加，空氣密度減小很快，雖然發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率減小，但螺旋槳需用扭矩也同時(shí)減小，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速仍然有增大的趨勢，為了保持發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，發(fā)動(dòng)機(jī)槳葉角隨高度的增加而增大[1]。

4.3 槳葉角隨發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的變化

飛行高度和飛行速度不變時(shí)螺旋槳槳葉角隨發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的變化趨勢如圖8所示。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)油門角度的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗增大，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸功率也同時(shí)增大，為了保持等轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，螺旋槳槳葉角增大。

5 結(jié)束語

（1）通過試驗(yàn)，較為準(zhǔn)確地掌握了螺旋槳空中調(diào)節(jié)和運(yùn)行規(guī)律，為該螺旋槳的設(shè)計(jì)定型提供了寶貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)；

（2）從試驗(yàn)過程和試驗(yàn)結(jié)果可知，為了獲得準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，槳葉角傳感器設(shè)計(jì)、加工和安裝的質(zhì)量是非常關(guān)鍵的因素。

[1]廉小純，吳虎.航空燃?xì)廨啓C(jī)原理[M].北京：國防工業(yè)出版社,2001.

[2]何立明.氣體動(dòng)力學(xué)[M].北京：國防工業(yè)出版社,2006.

[3]朱蘊(yùn)璞，孔德仁.傳感器原理與應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2005.

[4]楊帆.傳感器技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008.