渦軸發(fā)動機控制系統(tǒng)動力渦輪超轉保護功能試驗方案研究

劉明春+岳洋+李華喬

摘 要：文章以某渦軸發(fā)動機為研究對象，對其控制系統(tǒng)超轉保護功能試驗方案展開研究。提出一種有別于傳統(tǒng)丟失負載方法，并且使渦軸發(fā)動機動力渦輪發(fā)生真實超轉的方案，即斷開負載桿給電子控制器的負載前饋信號，快速下拉負載桿使得動力渦輪轉速快速上升的方法實現(xiàn)動力渦輪超轉。并且在不同狀態(tài)進行了超轉保護功能試驗驗證，為該發(fā)動機的定型提供了依據(jù)。

關鍵詞：渦軸發(fā)動機；試驗方案；控制系統(tǒng)；超轉保護功能

中圖分類號：V233 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）31-0078-02

渦軸發(fā)動機作為直升機的動力裝置，通過動力渦輪軸、動力傳動軸、主減速器內的離合器、減速齒輪將動力傳給旋翼，傳動軸系復雜，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障都可能導致發(fā)動機動力渦輪出現(xiàn)異常，導致動力渦輪轉速瞬間急劇上升，此時發(fā)動機控制系統(tǒng)必須及時觸發(fā)動機動力渦輪超轉保護功能以防止動力渦輪超轉破裂，避免發(fā)生飛行安全事故。因此渦軸發(fā)動機需要在動力渦輪發(fā)生真實超轉的情況下驗證其控制系統(tǒng)動力渦輪超轉保護功能是否滿足設計要求[1-3]。

本文針對某渦軸發(fā)動機開展控制系統(tǒng)動力渦輪超轉保護功能試驗方法研究。提出一種有別于傳統(tǒng)丟失負載方法，并且使渦軸發(fā)動機動力渦輪發(fā)生真實超轉的方案。

1 問題分析及方案設計

現(xiàn)在大多數(shù)渦軸發(fā)動機控制系統(tǒng)是數(shù)字電子式，數(shù)字電子式發(fā)動機控制系統(tǒng)一般要求具有獨立的低壓轉子轉速超轉保護裝置。獨立超轉保護裝置一般采用雙通道結構，每個通道具有相同的硬件，輸入輸出信號也一樣。獨立超轉保護裝置主要由CPU系統(tǒng)電路、信號調理電路、輸出控制電路及電源電路組成。

渦軸發(fā)動機一般采用直接切斷發(fā)動機和功率吸收裝置之間的傳動軸的方式，使發(fā)動機的動力渦輪達到發(fā)生真實超轉的目的，從而考核動力渦輪超轉保護系統(tǒng)的功能。由于切削時傳動軸的轉速很高，切斷后擺動很大，會損壞發(fā)動機輸出軸組件和測功器，并且在斷軸后，動力渦輪失去負載，其轉速無法得到有效控制，試驗風險比較大。

典型的渦軸發(fā)動機控制規(guī)律為，通過調節(jié)燃油流量，保持動力渦輪轉速np為常數(shù)。在地面臺架試驗時，由控制系統(tǒng)控制發(fā)動機的燃油量以及測功器控制負載兩方面來保持np為常數(shù)。在發(fā)動機進行減速試驗時，負載桿快速下拉，測功器卸載，控制系統(tǒng)控制發(fā)動機減油，但是二者之間的時間差會引起動力渦輪轉速np超調?；谏鲜鲈?，負載桿會給電子控制器負載前饋信號，來減小np超調。如果可以利用np超調，將會得到動力渦輪的真實超轉。綜上，在滿足試驗目的的前提下，結合試驗成本和試驗風險，本文提出另外一種使渦軸發(fā)動機動力渦輪真實超轉方法的探索。

2 試驗方法

試驗采用了斷開負載桿給電子控制器的負載前饋信號（即“水門開度信號”/負載桿“CLP信號”），在發(fā)動機Tt45=T1，T2，T3狀態(tài)下（T1

試驗步驟如下：

（1）起動發(fā)動機到ng=87%，進行控制系統(tǒng)超轉保護功能檢查試驗。

（2）上推發(fā)動機狀態(tài)至Tt45為T1，穩(wěn)定運行3min。

（3）0.5s內下拉負載桿減速到空慢狀態(tài)。

（4）上推發(fā)動機狀態(tài)至Tt45為T2，穩(wěn)定運行3min。

（5）0.5s內下拉負載桿減速到空慢狀態(tài)。

（6）上推發(fā)動機狀態(tài)至Tt45為T3，穩(wěn)定運行3min。

（7）0.5s內下拉負載桿減速到空慢狀態(tài)。

3 試驗結果及分析

上推發(fā)動機狀態(tài)至Tt45=T1，0.5s內下拉負載桿到空慢，數(shù)控系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)如圖1所示。由圖可見np上升速率逐漸降低，該次減速過程中np最大值為115.175%，靠近但并未達到控制器設置的超轉保護值116%，并未達到超轉保護的閾值，并未發(fā)生真實的超轉保護。

上推發(fā)動機狀態(tài)至Tt45=T2，下拉負載桿減速到空慢，試驗情況如圖2所示。圖2（a）為車臺動態(tài)數(shù)據(jù)曲線，圖2（b）為放大了超調部分的曲線。數(shù)控測到的np最大超調量115.886%，拉桿后1.2s，np=115.816%時刻超轉放油閥接通0.1s。車臺數(shù)據(jù)可見，np轉速最大值116.35%時刻切斷燃油，持續(xù)0.2s。np=115.1%時（小于超轉保護值116%）恢復供油。且np逐漸穩(wěn)定在基準轉速，np穩(wěn)定時間10.6s。np超轉保護控制精度為116%±1%，控制精度在此范圍內。

上推發(fā)動機狀態(tài)至Tt45=T3，下拉負載桿減速到空慢，試驗情況如圖3所示。車臺動態(tài)測量的數(shù)據(jù)顯示，np=116.34%峰值時刻，燃油切斷，斷油時間持續(xù)0.17s。np=115.1%時（小于超轉保護值116%）恢復供油。且np逐漸穩(wěn)定在基準轉速110%，np穩(wěn)定時間11.4s。

由表1可知，發(fā)生超轉時刻np最大值npmax的值，車臺測試數(shù)據(jù)比數(shù)控系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)值高約0.46%-0.53%（96-108rpm） ，由于數(shù)控系統(tǒng)的采樣周期為0.1s，低于車臺的采樣周期0.001s，所以車臺測到的峰值時刻值要稍大一些；np的最小值npmin值同理。

在發(fā)動機狀態(tài)T2減速到空慢時，數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)顯示，在np達到最大轉速值前0.1s-0.2s時刻，超轉電磁閥接通。車臺測試的動態(tài)數(shù)據(jù)顯示，在np到達峰值時刻，切斷燃油，切斷時間持續(xù)0.2s。超轉保護功能正常，超轉保護精度滿足超轉保護值116%±1%的要求。

在發(fā)動機狀態(tài)T3減速到空慢時，數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)界面超轉電磁閥接通指示沒有亮，主要是因為電子控制器的采集周期100ms，由于斷油時間太短數(shù)控系統(tǒng)并未顯示出該信號。由動態(tài)測試數(shù)據(jù)可知，實際發(fā)生斷油的時間為170ms，實際上發(fā)生了超轉保護，超轉放油閥的超轉保護功能正常且滿足要求。

4 結束語

（1）本文得到的改進方案可使渦軸發(fā)動機動力渦輪真實超轉，并使試驗風險和試驗成本得到了有效的降低。

（2）使用斷開負載前饋信號，快速下拉負載桿的方法成功的完成了某渦軸發(fā)動機控制系統(tǒng)動力渦輪超轉保護試驗，為該型發(fā)動機的定型提供了依據(jù)。

（3）負載桿下拉前的燃氣渦輪轉速越高，Tt45越高，負載桿下拉后動力渦輪轉速超調越大，越容易實現(xiàn)超轉，np超調后到恢復平穩(wěn)所需要的時間越長。

參考文獻：

[1]廉筱純，吳虎.航空發(fā)動機原理[M].西北工業(yè)大學出版社，2005.

[2]張寶誠.航空發(fā)動機試驗和測試技術[M].北京航空航天大學出版社，2005.

[3]陳益林.航空發(fā)動機試車工藝[M].北京航空航天大學出版社，2010.