航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過渡態(tài)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

張?zhí)列l(wèi)（中國航空動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲，412002）

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航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過渡態(tài)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

張?zhí)列l(wèi)
（中國航空動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲，412002）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中過渡態(tài)的各項(xiàng)參數(shù)，直接反映發(fā)動(dòng)機(jī)性能的好壞及其控制系統(tǒng)的優(yōu)劣，而且過渡態(tài)也易發(fā)生故障，因此航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過渡態(tài)測(cè)試是一項(xiàng)十分重要的測(cè)試內(nèi)容。發(fā)動(dòng)機(jī)過渡態(tài)測(cè)試是監(jiān)測(cè)、記錄測(cè)量參數(shù)的實(shí)時(shí)變化，防止突變損壞發(fā)動(dòng)機(jī)，為發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究和各參數(shù)的改進(jìn)匹配提供真實(shí)可靠的依據(jù)，保證發(fā)動(dòng)機(jī)過渡態(tài)的安全運(yùn)行。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)；過渡態(tài)；測(cè)試系統(tǒng)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的過渡態(tài)是指當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)迅速過渡到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的過程，主要包括啟動(dòng)過程、加速過程、減速過程、接通加力、斷開加力、矢量偏轉(zhuǎn)等過程。發(fā)動(dòng)機(jī)過渡態(tài)的各項(xiàng)參數(shù)直接反映發(fā)動(dòng)機(jī)性能的好壞，以及發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)劣，而且發(fā)動(dòng)機(jī)喘振、熄火等故障多發(fā)于過渡態(tài)過程中。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)的過渡態(tài)測(cè)試是發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試中的一項(xiàng)重要工作。

發(fā)動(dòng)機(jī)過渡態(tài)測(cè)試是指在發(fā)動(dòng)機(jī)過渡態(tài)過程中，對(duì)測(cè)量參數(shù)進(jìn)行全過程實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量。發(fā)動(dòng)機(jī)的過渡態(tài)測(cè)試與穩(wěn)態(tài)參數(shù)測(cè)試的不同之處是參數(shù)測(cè)試的動(dòng)態(tài)特性問題，其特點(diǎn)在于用實(shí)時(shí)高速測(cè)量和分析法得到參數(shù)的時(shí)域特性。首先，是監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)過渡態(tài)過程的各項(xiàng)參數(shù)，并全程記錄，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)那些能反映發(fā)動(dòng)機(jī)安全性能的參數(shù)，防止測(cè)量參數(shù)突變破壞發(fā)動(dòng)機(jī)；其次，是測(cè)出各參數(shù)的實(shí)時(shí)值及瞬時(shí)值，為發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究和各氣動(dòng)參數(shù)的改進(jìn)匹配提供真實(shí)可靠的依據(jù)，達(dá)到改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能和優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)過渡態(tài)控制規(guī)律的目的。

圖1　過渡態(tài)測(cè)試系統(tǒng)基本框圖

1　過渡態(tài)測(cè)試系統(tǒng)

過渡態(tài)通常測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速、動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速、起動(dòng)電壓、起動(dòng)電流、發(fā)電電壓、發(fā)電電流、燃油流量、進(jìn)口靜壓、壓氣機(jī)出口總壓、燃?xì)鉁u輪出口總溫、推力以及油門桿角度等參數(shù)。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)及地面試驗(yàn)需求，測(cè)量上述不同的參數(shù)，監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)在過渡態(tài)中的狀況，全程記錄跟蹤，實(shí)時(shí)顯示各參數(shù)的變化曲線。

圖1為過渡態(tài)測(cè)試系統(tǒng)基本框圖，由傳感器、高速數(shù)據(jù)采集儀和計(jì)算機(jī)組成。

1.1高速數(shù)據(jù)采集儀

過渡態(tài)測(cè)試系統(tǒng)中，各測(cè)量參數(shù)通過傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換成電壓、電流信號(hào)，經(jīng)線路傳輸進(jìn)入數(shù)據(jù)記錄儀的輸入模塊。現(xiàn)代高速數(shù)據(jù)采集儀主要以計(jì)算機(jī)為核心，由信號(hào)調(diào)理電路、采樣保持電路（S/H）和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路（A/D）等部分組成。其中信號(hào)調(diào)理電路的作用是將傳感器輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行放大、濾波和隔離等相關(guān)處理，以便使傳感器輸出信號(hào)與A/D相適配，具有貝塞爾或巴特沃茲特性的濾波器，可以保證對(duì)于系統(tǒng)輸入信號(hào)所需頻帶的帶寬要求。

評(píng)價(jià)高速數(shù)據(jù)采集儀的主要技術(shù)指標(biāo)有：采樣速率、精度、分辨率、系統(tǒng)共模抑制比和通道串?dāng)_抑制比等。其中采樣速率是高速動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)區(qū)別于一般穩(wěn)態(tài)數(shù)采系統(tǒng)最關(guān)鍵的一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，因?yàn)閯?dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集時(shí)，每個(gè)通道是并行采集的，而穩(wěn)態(tài)數(shù)采系統(tǒng)則是通過多路轉(zhuǎn)換開關(guān)不斷在多個(gè)通道之間切換進(jìn)行單點(diǎn)掃面式采集，因而它的采樣速率相對(duì)來說較低。

現(xiàn)代高速數(shù)據(jù)采集儀系統(tǒng)集成化程度高，通過使用不同的測(cè)量模塊可以完成對(duì)不同參數(shù)的測(cè)量。以本單位常用的高速數(shù)據(jù)采集儀為例說明，該儀器最高采樣率可達(dá)1MHz，使用方便，模塊可根據(jù)測(cè)量參數(shù)種類、數(shù)量自由拆裝、組合，可實(shí)時(shí)監(jiān)控各測(cè)試參數(shù)，記錄原始信號(hào)，試驗(yàn)后可離線進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。常用模塊及主要用途見下表：

表1　高速數(shù)據(jù)采集儀常用模塊及其用途

1.2傳感器

1.2.1轉(zhuǎn)速傳感器

轉(zhuǎn)速傳感器主要采用測(cè)速電機(jī)或磁電式傳感器。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器又稱為變磁通式轉(zhuǎn)速傳感器。

1.2.2渦輪流量計(jì)

渦輪流量計(jì)是廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油流量測(cè)量的一種速度式流量計(jì)，具有測(cè)量范圍寬、靈敏度高和響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。

1.2.3壓力傳感器

過渡態(tài)的壓力測(cè)量主要是測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口靜壓、壓氣機(jī)出口總壓。選用擴(kuò)散硅差壓傳感器，具有較高的精度，以及很高的靈敏度，而且頻響較高，優(yōu)于1kHz。

1.2.4熱電偶

熱電偶將溫度轉(zhuǎn)換成電量進(jìn)行檢測(cè)，所以對(duì)于溫度的測(cè)量、控制，以及對(duì)溫度信號(hào)的放大、變換等都很方便。另外，熱電偶的惰性小，準(zhǔn)確度高，測(cè)溫范圍廣，能適應(yīng)各種測(cè)量對(duì)象的要求。

由于過渡態(tài)所測(cè)量的燃?xì)鉁u輪出口溫度較高，采用了結(jié)構(gòu)簡單、測(cè)溫范圍廣、準(zhǔn)確度高，并且適合于遠(yuǎn)距離測(cè)量與自動(dòng)控制的K分度熱電偶。

2　過渡態(tài)測(cè)試系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中的應(yīng)用

過渡態(tài)測(cè)試在航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中尤為重要，全程跟蹤記錄發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)，所有監(jiān)測(cè)參數(shù)實(shí)時(shí)顯示，一旦發(fā)現(xiàn)問題，可及時(shí)報(bào)警，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，查找故障原因，采取相應(yīng)措施并解決。

2.1起動(dòng)過渡態(tài)測(cè)試

發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程較為復(fù)雜，帶轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、供油時(shí)間、供油量、點(diǎn)火時(shí)間以及轉(zhuǎn)速加速率等，控制系統(tǒng)要精確控制，避免出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)懸掛、起動(dòng)超溫，以及爆燃、起動(dòng)失速喘振現(xiàn)象。

圖2為某型發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)曲線，從圖2可以清晰看到，某型發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)起動(dòng)過程。試驗(yàn)操作人員按下起動(dòng)按鈕，控制系統(tǒng)立即接通起動(dòng)電機(jī)，帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到5500rpm時(shí)，打開燃油電磁閥，提供燃油，點(diǎn)火線圈供電，電嘴打火。當(dāng)轉(zhuǎn)速帶轉(zhuǎn)到7500rpm 時(shí)，燃燒室混合氣達(dá)到適當(dāng)?shù)谋壤蜐舛葧r(shí)，被點(diǎn)著并迅速燃燒，燃?xì)鉁u輪后溫度T4.5快速上升，并對(duì)燃?xì)鉁u輪作功，推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)快速轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)速Ng達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的50%時(shí)，起動(dòng)電機(jī)脫開，控制系統(tǒng)進(jìn)入閉環(huán)控制，依據(jù)轉(zhuǎn)速Ng、溫度T4.5等參數(shù)的數(shù)據(jù)，自動(dòng)調(diào)節(jié)燃油流量大小，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速爬升。當(dāng)Ng

圖2　某型發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)曲線　

轉(zhuǎn)速達(dá)到慢車額定轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入慢車狀態(tài)，起動(dòng)成功。

2.2冷運(yùn)轉(zhuǎn)過渡態(tài)測(cè)試

航空發(fā)動(dòng)機(jī)重新裝配上臺(tái)試驗(yàn)，在點(diǎn)火起動(dòng)前，都要進(jìn)行冷運(yùn)轉(zhuǎn)，以檢查發(fā)動(dòng)機(jī)各部件是否正常。以某型發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)首次上臺(tái)冷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)為例。

當(dāng)進(jìn)行第一次冷吹時(shí)，起動(dòng)壓縮空氣將燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速n帶轉(zhuǎn)到2800rpm時(shí)，突然掉轉(zhuǎn)，降到180rpm。停車后，仔細(xì)分析、處理數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)交流發(fā)電機(jī)發(fā)電電壓Uab、壓氣機(jī)出口總壓Pt3和流量管靜壓Ps1在轉(zhuǎn)速為2800rpm時(shí)，都有變化。Uab的頻率和幅值，正常情況隨核心機(jī)轉(zhuǎn)速n的提高而增大，到達(dá)一定的轉(zhuǎn)速達(dá)到飽和狀態(tài)，而監(jiān)測(cè)中Uab的頻率和幅值開始隨核心機(jī)轉(zhuǎn)速n轉(zhuǎn)速的提高而增大，在轉(zhuǎn)速為2800rpm左右突然減小，說明核心機(jī)有卡滯現(xiàn)象，導(dǎo)致核心機(jī)轉(zhuǎn)速突然降低。壓氣機(jī)出口總壓Pt3、流量管靜壓Ps1的變化情況也證實(shí)了上述觀點(diǎn)。這也排除了轉(zhuǎn)速表、轉(zhuǎn)速傳感器以及干擾問題，確認(rèn)核心機(jī)有故障，報(bào)告現(xiàn)場指揮和型號(hào)總師。下臺(tái)分解的檢查結(jié)果證實(shí)所得的結(jié)論是正確的，從而避免了發(fā)動(dòng)機(jī)遭受更大的損害。

2.3加減速過渡態(tài)測(cè)試

發(fā)動(dòng)機(jī)的加減速是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。在加減速過程中，全程監(jiān)測(cè)記錄各參數(shù)的變化，特別密切關(guān)注發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口靜壓和壓氣機(jī)出口總壓的變化，以防出現(xiàn)失速喘振導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)損壞。

以某型發(fā)動(dòng)機(jī)加速過程狀態(tài)監(jiān)測(cè)為例，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n從35000rpm加速到43500rpm的過渡態(tài)中，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口流量管靜壓Ps1、離心壓氣機(jī)徑向擴(kuò)壓器出口靜壓Ps2.7、壓氣機(jī)出口靜壓Ps3均出現(xiàn)了兩次快速脈動(dòng)現(xiàn)象，并伴隨兩聲悶響，該現(xiàn)象為發(fā)動(dòng)機(jī)喘振的典型特征。將數(shù)據(jù)處理、分析結(jié)果提供給型號(hào)設(shè)計(jì)人員，采取相應(yīng)的措施，避免發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)類似故障。

3　結(jié)論

本文所介紹的過渡態(tài)測(cè)試系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于多種型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的地面整機(jī)試驗(yàn)。該系統(tǒng)成功監(jiān)測(cè)了發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、冷運(yùn)轉(zhuǎn)和加減速等過渡態(tài)試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果真實(shí)可靠，滿足中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試需求。

［1］饒華.航空發(fā)動(dòng)機(jī)全權(quán)限數(shù)字電子控制系統(tǒng)［M］.航空工業(yè)出版社出版，2014，6.

［2］陳蕙棠.動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)量［M］.航空工業(yè)第608研究所，1992.

［3］樊思齊.航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制［M］.西北工業(yè)大學(xué)出版，2008.

［4］王魁漢.溫度測(cè)量實(shí)用技術(shù)［M］.機(jī)械工業(yè)大學(xué)出版，2007.

T45 58 2℃

Pf0.873MPa

Pt3 285km

Wf 1.88L/min

T=25.1S

Design and Application of the Measurement System for Transition State Experiment of Aero Engine

Zhang Tangwei
（AECC Aviation Powerplant Research Institute，Zhuzhou，China，412002）

All kinds of parameters in transition state of the aero engine trial reflect the engine capability and the control system directly.And the failures are occurred in the transition state very easy. So transition state testing is a very important item in the aero engine trial.Transition state testing of the aero engine includes monitoring and noting the change of the testing parameter in real time.So that can prevent engine failure because of break. And this can provide basis for the designing and researching of the engine and ameliorating parameters veritably and reliably. So the aero engine can be assure to work safely in transition state.

aero engine；transition state；measurement system