渦軸發(fā)動機(jī)負(fù)載丟失試驗(yàn)方案研究

劉明春 魏秀利

摘要：航空渦輪軸發(fā)動機(jī)作為直升機(jī)動力，通過動力渦輪軸、傳動軸、主減速器將動力傳給旋翼，傳動軸系比較復(fù)雜，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障都會導(dǎo)致傳動鏈斷裂。由于負(fù)載突然丟失，發(fā)動機(jī)動力渦輪轉(zhuǎn)速會瞬間急劇上升，可能導(dǎo)致發(fā)動機(jī)動力渦輪超轉(zhuǎn)最終造成破壞。本文以某渦軸發(fā)動機(jī)負(fù)載丟失專項(xiàng)試驗(yàn)為研究對象，對負(fù)載丟失試驗(yàn)方案展開研究。提出一種有別于傳統(tǒng)試驗(yàn)方法的試驗(yàn)方案，通過切斷動力傳輸軸使渦軸發(fā)動機(jī)在試驗(yàn)過程中實(shí)現(xiàn)負(fù)載丟失。該方法不僅可用于發(fā)動機(jī)負(fù)載丟失試驗(yàn)，也可應(yīng)用于發(fā)動機(jī)超轉(zhuǎn)和機(jī)匣包容性試驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：渦軸發(fā)動機(jī)；試驗(yàn)方案；負(fù)載丟失

作為直升機(jī)的動力裝置，渦軸發(fā)動機(jī)通過動力渦輪軸、動力傳動軸、主減速器內(nèi)的離合器、減速齒輪將動力傳給旋翼。在整個傳動鏈中，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障都可能導(dǎo)致發(fā)動機(jī)出現(xiàn)無法恢復(fù)的損傷。為避免動力渦輪轉(zhuǎn)速瞬間急劇上升，發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)必須及時觸發(fā)動機(jī)動力渦輪超轉(zhuǎn)保護(hù)功能以防止動力渦輪超轉(zhuǎn)破裂，避免發(fā)生飛行安全事故。為實(shí)現(xiàn)渦軸發(fā)動機(jī)真實(shí)的負(fù)載丟失情況，在試驗(yàn)臺需模擬發(fā)動機(jī)真實(shí)負(fù)載丟失，以驗(yàn)證發(fā)動機(jī)超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)是否工作正常。

本文針對某渦軸發(fā)動機(jī)負(fù)載丟失開展研究，擬在發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)負(fù)載丟失目的，以觸發(fā)發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)超轉(zhuǎn)保護(hù)功能，驗(yàn)證發(fā)動機(jī)超轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)是否工作正常。

一、發(fā)動機(jī)控制原理及問題分析

現(xiàn)在大多數(shù)渦軸發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)是數(shù)字電子式，數(shù)字電子式發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)一般要求具有獨(dú)立的低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超轉(zhuǎn)保護(hù)裝置。獨(dú)立超轉(zhuǎn)保護(hù)裝置（見圖1）盡管與主控部分裝在一個機(jī)箱內(nèi)，共同構(gòu)成電子控制器ECU，但在硬件上相對獨(dú)立。

獨(dú)立超轉(zhuǎn)保護(hù)裝置一般采用雙通道結(jié)構(gòu)，每個通道具有相同的硬件，輸入輸出信號也一樣。獨(dú)立超轉(zhuǎn)保護(hù)裝置主要由CPU系統(tǒng)電路、信號調(diào)理電路、輸出控制電路及電源電路組成。

渦軸發(fā)動機(jī)在進(jìn)行負(fù)載丟失試驗(yàn)時，為達(dá)到負(fù)載丟失目的，以前為降低試驗(yàn)風(fēng)險一般采用瞬間降低負(fù)載的辦法來實(shí)現(xiàn)。這一方法可初步驗(yàn)證超轉(zhuǎn)保護(hù)功能是否正常，但由于轉(zhuǎn)速低于實(shí)際超轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，無法模擬真實(shí)超轉(zhuǎn)情況下，超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度，該方法不用于考核試驗(yàn)。

本文研究的試驗(yàn)方法是采用直接切斷發(fā)動機(jī)和功率吸收裝置之間的傳動軸（見圖2）的方式，使發(fā)動機(jī)的動力渦輪達(dá)到發(fā)生真實(shí)超轉(zhuǎn)的目的，從而考核動力渦輪超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)的功能。由于切削時傳動軸的轉(zhuǎn)速很高，切斷后擺動很大，會損壞發(fā)動機(jī)輸出軸組件和測功器，并且在斷軸后，動力渦輪失去負(fù)載，其轉(zhuǎn)速無法得到有效控制，所以試驗(yàn)風(fēng)險比較大，而且還要破壞一個傳動軸，成本也比較高。

二、實(shí)施方案

從車臺功率吸收裝置技術(shù)指標(biāo)來看，如果用發(fā)動機(jī)直接驅(qū)動測功器和飛輪，由于設(shè)備轉(zhuǎn)速受限無法達(dá)到要求轉(zhuǎn)速。據(jù)此我們提出以下兩種解決方案。

（一）發(fā)動機(jī)+減速器+功率吸收裝置方案

這種方案是在發(fā)動機(jī)和功率吸收裝置之間增加減速器，使動力渦輪達(dá)到葉片脫落轉(zhuǎn)速時測功器或飛輪仍在允許轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，從而達(dá)到保護(hù)測功器的目的。其優(yōu)點(diǎn)是發(fā)動機(jī)動力渦輪轉(zhuǎn)速可控，其缺點(diǎn)是從動力渦輪額定轉(zhuǎn)速（比如20900r/min）上升到葉片脫落轉(zhuǎn)速（比如33231r/min）的時間比較長，在此期間極有可能還未等到動力渦輪葉片脫落發(fā)動機(jī)就已經(jīng)出現(xiàn)故障，采用此種方案會降低試驗(yàn)成功率，不建議采用。

（二）發(fā)動機(jī)+切軸裝置+功率吸收裝置方案

這種方案是在發(fā)動機(jī)和功率吸收裝置之間增加切軸裝置。試驗(yàn)原理是在發(fā)動機(jī)達(dá)到額定狀態(tài)工作一定時間后，切斷發(fā)動機(jī)和測功器之間的軸系連接，使發(fā)動機(jī)動力渦輪失去負(fù)載而轉(zhuǎn)速上升，直至葉片脫落，從而達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康?。這種方案的缺點(diǎn)是切斷軸系后發(fā)動機(jī)動力渦輪轉(zhuǎn)速和燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速都處于失控狀態(tài)，可能會對發(fā)動機(jī)造成比較大的損害，其優(yōu)點(diǎn)是動力渦輪轉(zhuǎn)速上升較快，試驗(yàn)成功的概率比較高。

綜上所述，擬采用發(fā)動機(jī)+切軸裝置+功率吸收裝置方案進(jìn)行渦軸發(fā)動機(jī)動力渦輪葉片脫落試驗(yàn)。

試車臺飛輪是模擬直升機(jī)傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量的設(shè)備，可以減小發(fā)動機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)速波動值，但在超轉(zhuǎn)試驗(yàn)中其沒有作用，因此擬拆除車臺飛輪，以簡化傳動軸系，降低試驗(yàn)風(fēng)險。

試驗(yàn)時在發(fā)動機(jī)周圍安裝防護(hù)罩，防止葉片對車臺設(shè)備和試驗(yàn)人員產(chǎn)生傷害。防護(hù)罩的兩側(cè)和后方裝有高速攝像機(jī)，記錄動力渦輪葉片斷裂時機(jī)匣的變形過程及尾噴管葉片甩出情況。

試驗(yàn)前數(shù)控系統(tǒng)取消全部Np停車保護(hù)功能（包括獨(dú)立超轉(zhuǎn)保護(hù)停車和Np傳感器故障停車），目的是使Np轉(zhuǎn)速達(dá)到葉片斷裂轉(zhuǎn)速，對本次試驗(yàn)結(jié)果沒有影響。發(fā)動機(jī)的控制模式為開環(huán)控制，即功率桿只控制發(fā)動機(jī)燃油供油量，動力渦輪轉(zhuǎn)速由車臺測功器控制。發(fā)動機(jī)起動后先在較大狀態(tài)（暫定為起飛狀態(tài)）工作一段時間，待渦輪機(jī)匣溫度達(dá)到650℃時，斷開發(fā)動機(jī)和測功器之間的輸出軸連接，此時輸出軸因失去負(fù)載而超轉(zhuǎn)，觸發(fā)發(fā)動機(jī)超轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)。

三、關(guān)鍵設(shè)備介紹

（一）切軸裝置

切軸裝置是本方案的重要設(shè)備，其作用是在不破壞發(fā)動機(jī)動力輸出軸的情況下實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)負(fù)載丟失的功能，使發(fā)動機(jī)動力渦輪超轉(zhuǎn)進(jìn)入超轉(zhuǎn)保護(hù)狀態(tài)。本方案所述切斷裝置主要技術(shù)指標(biāo)如下：額定扭矩：1000Nm；額定轉(zhuǎn)速：10000r/min；輸出端飛車轉(zhuǎn)速：≤12000r/min；輸入端飛車轉(zhuǎn)速：≤15000r/min；輸入端最高轉(zhuǎn)速：15000r/min（30sec）；旋轉(zhuǎn)方向：順時針（面向輸入軸看）；輸入和輸出軸布置形式：同軸。

切軸裝置由底座、前支點(diǎn)、后支點(diǎn)、疊片聯(lián)軸器、進(jìn)刀機(jī)構(gòu)、防護(hù)罩、潤滑油站等設(shè)備組成。切軸裝置的工作原理（見圖3）：前支點(diǎn)和后支點(diǎn)安裝在底座上，兩個支點(diǎn)之間采用疊片聯(lián)軸器連接，前支點(diǎn)連接發(fā)動機(jī)（或電機(jī)），后支點(diǎn)連接功率吸收裝置。進(jìn)刀機(jī)構(gòu)沿水平的進(jìn)刀，切斷疊片聯(lián)軸器中間的鋁質(zhì)間隔套，間隔套切斷后由安裝在防護(hù)罩上的限位環(huán)進(jìn)行半軸的擺動限位，以保護(hù)疊片裝置、支點(diǎn)軸承以及發(fā)動機(jī)、功率吸收裝置不受損壞。

（二）動力傳動軸

目前發(fā)動機(jī)和測功器之間使用的傳動軸形式為，兩段花鍵的剛性浮動軸，長度為650mm，最高轉(zhuǎn)速為12500r/min，在進(jìn)行切斷超轉(zhuǎn)時有可能損壞。進(jìn)行軸切斷超轉(zhuǎn)試驗(yàn)時，建議改用補(bǔ)償角度較大的膜盤+鼓形齒的傳動軸，長度縮減到500mm左右，以保證傳動軸、發(fā)動機(jī)和切軸裝置的安全。

（三）高速攝像機(jī)

試驗(yàn)所需的高速攝像機(jī)借用現(xiàn)有設(shè)備。在進(jìn)行切斷試驗(yàn)時分別布置在發(fā)動機(jī)防護(hù)罩的兩側(cè)和后方。為了保護(hù)攝像機(jī)鏡頭，每個攝像機(jī)單獨(dú)設(shè)置防護(hù)罩，且攝像機(jī)不直接正對發(fā)動機(jī)，而是在每個攝像機(jī)前安裝反光鏡，攝像機(jī)通過反光鏡拍攝渦輪機(jī)匣的變形和尾噴管葉片飛出情況。

（四）發(fā)動機(jī)防護(hù)罩

防護(hù)裝置用于試驗(yàn)時保護(hù)發(fā)動機(jī)周圍環(huán)境，以免發(fā)動機(jī)二次損傷及參試人員、試驗(yàn)設(shè)備受飛射出的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動部件擊傷。試驗(yàn)時，用該裝置將發(fā)動機(jī)兩側(cè)及頂面整體罩住。防護(hù)壁面?zhèn)鹘y(tǒng)設(shè)計為雙層鋼板夾砂結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在內(nèi)壁被擊穿時，從夾層流出來的砂塵會撒到發(fā)動機(jī)表面或隨氣流被發(fā)動機(jī)吸入，且不利于重復(fù)使用。因此，防護(hù)壁面擬采用鋼制骨架內(nèi)覆防彈用復(fù)合材料。防護(hù)罩在發(fā)動機(jī)動力渦輪機(jī)匣截面處開有攝像孔，通過反光鏡使高速攝影機(jī)拍攝機(jī)匣的變形過程

四、結(jié)論

（一）本文研究的試驗(yàn)方案可使渦軸發(fā)動機(jī)動力渦輪真實(shí)超轉(zhuǎn)，并使試驗(yàn)風(fēng)險有效的降低；較以前常用的快速降低負(fù)載實(shí)現(xiàn)超轉(zhuǎn)的方案更符合實(shí)際情況，能更好驗(yàn)證發(fā)動機(jī)超轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)。

（二）在試驗(yàn)過程中，可能會出現(xiàn)動力渦輪葉片斷裂而機(jī)匣不能完全包容或輪盤破裂的情況，必須做好車臺防護(hù)和消防的準(zhǔn)備，以降低車臺設(shè)備損壞的風(fēng)險

（三）動力渦輪的轉(zhuǎn)速有可能超過切軸裝置輸入軸和裝機(jī)用動力輸出軸的極限轉(zhuǎn)速（切軸裝置輸入軸極限轉(zhuǎn)速為15000r/min），導(dǎo)致設(shè)備損壞。

參考文獻(xiàn)：

[1]廉小純，吳虎.航空發(fā)動機(jī)原理.西北工業(yè)大學(xué)出版社，2006.

[2]張寶誠.航空發(fā)動機(jī)試驗(yàn)和測試技術(shù).北京航空航天大學(xué)出版社，2005

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