某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量異常跳變故障分析與解決

段曉帥 鄧天雨

中國航發(fā)控制系統(tǒng)研究所，江蘇無錫 214063

0 前言

轉(zhuǎn)速是航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中的一個(gè)重要狀態(tài)參數(shù)。對(duì)轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確測(cè)量是保證航空發(fā)動(dòng)機(jī)安全可靠運(yùn)行的基本要求[1-3]。航空發(fā)動(dòng)機(jī)在試車或工作時(shí)，有時(shí)會(huì)在起動(dòng)和停車過程中出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速采集結(jié)果異常跳變問題。沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所的賈淑芝等人[4]針對(duì)該問題進(jìn)行了研究，識(shí)別出影響該問題的幾個(gè)關(guān)鍵部件對(duì)象，但未進(jìn)一步對(duì)問題表現(xiàn)的機(jī)理開展研究。

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)在地面臺(tái)架試車時(shí)出現(xiàn)動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速采集異常問題。問題每次都只發(fā)生在特定的一個(gè)通道，究其原因?yàn)榇烹娛睫D(zhuǎn)速傳感器輸出波形經(jīng)過電纜傳輸后發(fā)生畸變。本文重點(diǎn)對(duì)問題的表現(xiàn)特征進(jìn)行識(shí)別，通過建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)問題發(fā)生的機(jī)理進(jìn)行研究，給出問題表現(xiàn)特征的理論解釋，并給出同類問題的解決措施。

1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速測(cè)量子系統(tǒng)介紹

該型航空發(fā)動(dòng)機(jī)采用雙通道冗余備份結(jié)構(gòu)對(duì)動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行采集，雙通道測(cè)量結(jié)構(gòu)相同。單通道轉(zhuǎn)速測(cè)量子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部音輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，音輪上的齒頂和齒槽交替經(jīng)過磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的探頭，導(dǎo)致磁阻周期性變化，轉(zhuǎn)速傳感器輸出交變的電壓波形信號(hào)。波形信號(hào)通過電纜傳輸?shù)桨l(fā)動(dòng)機(jī)電子控制器（EEC）。EEC 內(nèi)部的轉(zhuǎn)速處理電路中的遲滯比較器將交變波形信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波，通過處理器對(duì)方波進(jìn)行計(jì)數(shù)，最終獲取轉(zhuǎn)速值。

2 問題描述

該型航空發(fā)動(dòng)機(jī)在地面臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試車時(shí)，在起動(dòng)或停車過程中發(fā)生數(shù)次EEC B 通道采集的轉(zhuǎn)速向上異常跳變問題，影響發(fā)動(dòng)機(jī)試車，A 通道始終無異常，問題發(fā)生時(shí)的轉(zhuǎn)速測(cè)量曲線如圖2 所示。

3 問題發(fā)生機(jī)理研究

該型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量為雙通道冗余設(shè)計(jì)，采用單支雙通道輸出型轉(zhuǎn)速傳感器對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)采集。傳感器雙通道輸出波形分別進(jìn)入EEC 內(nèi)部雙通道采集。傳感器雙通道以及EEC 雙通道設(shè)計(jì)相同，在飛機(jī)上工作時(shí)，使用的傳輸電纜雙通道設(shè)計(jì)也相同，而在地面臺(tái)架試車時(shí)，為便于臺(tái)架操作人員對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行監(jiān)控，在傳輸電纜的B 通道分出一路，由試車間引入到操作間臺(tái)架監(jiān)控儀器，臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)電纜連接示意圖如圖3 所示。

因轉(zhuǎn)速傳感器雙通道信號(hào)鏈路僅傳輸電纜存在差異，下面對(duì)電纜的差異影響進(jìn)行研究。對(duì)轉(zhuǎn)速傳感器輸出端的原始波形進(jìn)行測(cè)試，波形無異常，如圖4 所示。對(duì)圖3 中的電纜傳輸末端（EEC 采集前端）的波形進(jìn)行測(cè)量，A 通道波形經(jīng)過電纜傳輸后無異常，B 通道波形經(jīng)過電纜傳輸后發(fā)生畸變。圖5 為經(jīng)過電纜傳輸后的B 通道波形在低轉(zhuǎn)速、中轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速時(shí)的畸變情況?？梢?，隨著轉(zhuǎn)速升高，經(jīng)過電纜傳輸后的B 通道波形上逐漸畸變出一個(gè)“鼓包”，且“鼓包”幅值相對(duì)于正常波形逐漸變大，“鼓包”位置逐漸向正常波形的下方移動(dòng)。

轉(zhuǎn)速傳感器輸出波形經(jīng)電纜傳輸后進(jìn)入EEC 進(jìn)行采集。圖6 為EEC 內(nèi)部轉(zhuǎn)速采集電路的原理圖。EEC通過一個(gè)遲滯比較器將接收到的轉(zhuǎn)速波形轉(zhuǎn)換為方波，通過FPGA 對(duì)單位時(shí)間內(nèi)的方波進(jìn)行計(jì)數(shù)，得到當(dāng)前的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速值。

經(jīng)過上述分析和測(cè)試可知，該型航空發(fā)動(dòng)機(jī)在臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)起動(dòng)或停車過程中轉(zhuǎn)速采集結(jié)果異常跳變問題的機(jī)理如下：轉(zhuǎn)速傳感器輸出的原始波形經(jīng)過電纜傳輸后發(fā)生畸變，且隨著轉(zhuǎn)速增大，畸變出的“鼓包”幅值逐漸增大、位置逐漸移動(dòng)。當(dāng)在某個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，“鼓包”移動(dòng)到遲滯比較器的窗口位置，且幅值超過遲滯比較器轉(zhuǎn)換閾值，“鼓包”被當(dāng)做一個(gè)正常波形額外轉(zhuǎn)換為一個(gè)方波，導(dǎo)致FPGA 單位時(shí)間內(nèi)采集到的方波數(shù)量增加，EEC 轉(zhuǎn)速采集結(jié)果變大。隨著轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加，“鼓包”離開遲滯比較器窗口位置，EEC轉(zhuǎn)速采集結(jié)果恢復(fù)正常。整個(gè)過程表現(xiàn)為EEC 采集的轉(zhuǎn)速曲線出現(xiàn)一個(gè)向上的跳變又恢復(fù)的現(xiàn)象。

4 電纜分布電容的影響建模分析

以上完成了經(jīng)過電纜傳輸后的波形畸變導(dǎo)致轉(zhuǎn)速采集結(jié)果異常向上跳變的理論解釋，而轉(zhuǎn)速傳感器輸出的原始波形經(jīng)過電纜傳輸后發(fā)生畸變的原因，畸變“鼓包”隨著轉(zhuǎn)速幅值和位置發(fā)生變化的原因，以及為什么只有B 通道波形才發(fā)生畸變等問題是本章研究的目標(biāo)。

圖7 為該型航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。當(dāng)音輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，音輪齒頂和齒槽不斷經(jīng)過轉(zhuǎn)速傳感器探頭，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速傳感器內(nèi)部線圈產(chǎn)生交變的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)[5]。建立轉(zhuǎn)速傳感器線圈與電纜分布電容的LCR 模型，如圖8 所示，其中，R和L分別為傳感器線圈的電阻和電感，C為電纜中普遍存在的分布電容[6]。

對(duì)圖8 中的LCR 模型進(jìn)行傳遞函數(shù)分析，其傳遞函數(shù)見公式（1）：

其中，G(jw)為傳遞函數(shù)；Uout為模型輸出電壓；Uin為模型輸入電壓；R為傳感器內(nèi)部線圈電阻；L為傳感器內(nèi)部線圈電感；C為電纜分布電容。

LCR 模型的幅頻特性函數(shù)見公式（2）：

其中，A(w)為幅頻特性函數(shù)。

LCR 模型的相頻特性函數(shù)見公式（3）：

其中，φ(w)為相頻特性函數(shù)。

對(duì)問題發(fā)生時(shí)的轉(zhuǎn)速傳感器線圈和電纜電氣參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得傳感器內(nèi)部線圈電阻R=151 Ω，內(nèi)部線圈電感為L(zhǎng)=45.3 mH，電纜分布電容為C=7.5 nF。將上述參數(shù)值代入公式（2）和公式（3），可以通過MATLAB 軟件繪制出該型航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器波形經(jīng)電纜傳輸后的幅頻響應(yīng)曲線和相頻響應(yīng)曲線，如圖9 所示。

發(fā)動(dòng)機(jī)在臺(tái)架試車時(shí)，固定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速使轉(zhuǎn)速傳感器輸出波形穩(wěn)定。此時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)速傳感器原始波形進(jìn)行頻域測(cè)量，獲取其頻域圖像，結(jié)果如圖10 所示。由圖可見，原始輸出波形除了包含一個(gè)反映發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的基波外，還包含分量較大的二次諧波、三次諧波等高次諧波，且高次諧波頻率始終是基波頻率的固定倍數(shù)。

可見，原始波形中的高次諧波分量才是導(dǎo)致經(jīng)電纜傳輸后波形畸變的原因。包含有高次諧波的波形經(jīng)過電纜傳輸后，基波和高次諧波位于圖9 中幅頻響應(yīng)曲線和相頻響應(yīng)曲線橫坐標(biāo)上不同位置，LCR 模型對(duì)各諧波分量的作用結(jié)果不同，波形成分發(fā)生變化，導(dǎo)致波形發(fā)生畸變。

該型航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器輸出頻率范圍為0～4 kHz，故轉(zhuǎn)速傳感器輸出原始波形中基波頻率范圍為0～4 kHz，二次諧波頻率始終為基波頻率的2 倍，其他高次諧波頻率以此類推。在圖9 的幅頻響應(yīng)曲線和相頻響應(yīng)曲線上，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高，基波和高次諧波頻率逐漸向右移動(dòng)，且高次諧波頻率始終位于基波的右側(cè)，基波頻率范圍為0～4 kHz，始終位于響應(yīng)曲線的平緩區(qū)域，而二次諧波頻率范圍為0～8 kHz，會(huì)進(jìn)入響應(yīng)曲線的陡峭區(qū)域。在幅頻響應(yīng)曲線上，高次諧波隨著轉(zhuǎn)速升高，逐漸到達(dá)幅頻響應(yīng)曲線的陡峭區(qū)域，高次諧波的幅值被大幅放大，反映在時(shí)域上，表現(xiàn)為波形畸變情況逐漸嚴(yán)重，這也是在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)速傳感器通過電纜傳輸后的波形進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速升高，波形逐漸畸變出“鼓包”，且“鼓包”逐漸增大的原因；在相頻響應(yīng)曲線上，高次諧波隨著轉(zhuǎn)速升高，逐漸到達(dá)相頻響應(yīng)曲線的陡峭區(qū)域，反映在時(shí)域上，表現(xiàn)為高次諧波導(dǎo)致的畸變部分的位置變化，這也是試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)速傳感器通過電纜傳輸后的波形進(jìn)行測(cè)試時(shí)，“鼓包”隨著轉(zhuǎn)速變化而不斷移動(dòng)的原因。

以上是針對(duì)起動(dòng)階段進(jìn)行的分析，停車階段發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸下降，問題機(jī)理與此相同。

對(duì)雙通道電纜的分布電容進(jìn)行測(cè)試，電纜A 通道分布電容為1.3 nF，B 通道分布電容為7.5 nF，可見，B 通道電纜分布電容異常偏大，這也是轉(zhuǎn)速采集結(jié)果異常跳變問題每次只在B 通道出現(xiàn)的原因。進(jìn)一步排查電纜B 通道分布電容相對(duì)較大的原因，發(fā)現(xiàn)，為便于操作間人員對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從臺(tái)架電纜的B 通道分出一路電纜連接到操作間，導(dǎo)致電纜B 通道整體分布電容增大。經(jīng)過對(duì)電纜A 通道傳輸后的波形進(jìn)行測(cè)量，波形無畸變，如圖11 所示，故A 通道轉(zhuǎn)速采集無異常，進(jìn)一步證實(shí)了分布電容是造成B 通道波形畸變的原因。

5 解決措施

電纜分布電容與電纜長(zhǎng)度等參數(shù)有關(guān)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，試驗(yàn)臺(tái)架電纜B 通道引出的電纜長(zhǎng)度為十余米，遠(yuǎn)超所需要的最小長(zhǎng)度，經(jīng)過對(duì)臺(tái)架電纜走向進(jìn)行優(yōu)化，大幅減少了電纜長(zhǎng)度，將電纜分布電容由7.5 nF減少到1.3 nF，重新試車后，未再發(fā)生轉(zhuǎn)速采集結(jié)果異常跳變問題。

6 結(jié)束語

通過對(duì)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速采集結(jié)果異常跳變問題的研究，識(shí)別出問題原因?yàn)檗D(zhuǎn)速信號(hào)經(jīng)電纜傳輸后發(fā)生了畸變。進(jìn)一步對(duì)傳感器和電纜進(jìn)行數(shù)學(xué)建模研究，根據(jù)實(shí)測(cè)參數(shù)對(duì)模型進(jìn)行具體量化，獲取該具體模型的特征曲線，通過該模型特征曲線能夠解釋問題表現(xiàn)，進(jìn)而證明了模型的正確性。

本文研究過程中的問題排查方法、建立的模型理論、獲取的問題機(jī)理絕不僅限于該單一問題。本研究成果可為航空發(fā)動(dòng)機(jī)地面臺(tái)架或裝機(jī)工作時(shí)發(fā)生的同類問題的分析和優(yōu)化提供一定的參考意義。