渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架剎車起動(dòng)試驗(yàn)研究

摘要：旋翼剎車起動(dòng)是渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)一種特有的起動(dòng)方式，為減少裝機(jī)試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，需在臺(tái)架模擬渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)剎車起動(dòng)。介紹了渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)剎車起動(dòng)原理，給出了在臺(tái)架條件下模擬渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)剎車起動(dòng)試驗(yàn)方法，并證明了試驗(yàn)方法的可行性，試驗(yàn)結(jié)果表明：渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)可以在臺(tái)架模擬直升機(jī)旋翼剎車起動(dòng)；與正常起動(dòng)相比，剎車起動(dòng)可以使動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速在起動(dòng)階段具有較快的加速度，在較短時(shí)間內(nèi)加速到慢車狀態(tài)，但直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)要承受較大負(fù)載。

關(guān)鍵詞：渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)剎車起動(dòng)剎車裝置試驗(yàn)方法

中圖分類號(hào)：V263.3

ResearchonBrakeStartingTestofTurboshaftEngineBench

LIUZhiXIANGLuyuHEWan

HunanPowerMachineryResearchInstitute，AeroEngineCorporationofChina，Zhuzhou，HunanProvince，412002China

Abstract：Rotorbrakestartingisauniquestartingmethodforturboshaftengines.Inordertoreducetheriskofinstallationtesting，itisnecessarytosimulatethebrakestartingofturboshaftenginesonatestbench.Thisarticleintroducestheprincipleofbrakestartingforturboshaftengines，providesasimulationtestmethodforbrakestartingofturboshaftenginesunderbenchconditions，andprovesthefeasibilityofthetestmethod.Thetestresultsshowthatturboshaftenginescansimulatehelicopterrotorbrakestartingonthebench;Comparedwithnormalstarting，brakestartingcanacceleratethepowerturbinespeedtoaslowstateinashortperiodoftimeduringthestartingphase，butthehelicoptertransmissionsystemneedstobearalargerload.

KeyWords：Turboshaftengine;Brakestarting;Brakedevice;Testmethod

渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)總體結(jié)構(gòu)一般包括附件傳動(dòng)裝置、壓氣機(jī)、燃燒室、燃?xì)鉁u輪以及動(dòng)力渦輪等部件，通過傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)直升機(jī)旋翼和尾槳。正常情況下發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，動(dòng)力渦輪會(huì)驅(qū)動(dòng)旋翼一起轉(zhuǎn)動(dòng)，但在如艦面大風(fēng)、旋翼折疊等一些特殊情況下，不允許直升機(jī)按照正常模式起動(dòng)，很大程度上影響了部隊(duì)的作戰(zhàn)使用。為滿足特定場(chǎng)景下的使用需求，會(huì)在旋翼處安裝剎車裝置，具備特定場(chǎng)景下起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的能力，保障作戰(zhàn)使用需求。

針對(duì)旋翼剎車的起動(dòng)特點(diǎn)，渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)需要具備在動(dòng)力渦輪制動(dòng)情況下正常起動(dòng)的能力，并在臺(tái)架完成模擬剎車起動(dòng)試驗(yàn)。從起動(dòng)過程來看，剎車起動(dòng)由兩個(gè)階段組成。第一階段，起動(dòng)前動(dòng)力渦輪被制動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)按照預(yù)先設(shè)定的指令起動(dòng)，隨后達(dá)到慢車狀態(tài)。第二階段，松開剎車裝置后動(dòng)力渦輪加速階段，由于發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到慢車狀態(tài)，解除制動(dòng)，動(dòng)力渦輪在高溫高壓燃?xì)庾饔孟卵杆偌铀俚侥繕?biāo)轉(zhuǎn)速。相比于正常起動(dòng)，剎車起動(dòng)模式下，動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速加速更快，到達(dá)目標(biāo)轉(zhuǎn)速的時(shí)間更短。

本文介紹了在臺(tái)架進(jìn)行渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)剎車起動(dòng)的剎車裝置、功率吸收裝置等試驗(yàn)設(shè)備以及試驗(yàn)方案，通過對(duì)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)比分析了剎車起動(dòng)與正常起動(dòng)的兩種起動(dòng)模式之間的差異，總結(jié)了渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)剎車起動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)。

1渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)剎車起動(dòng)原理及應(yīng)用

1.1剎車起動(dòng)原理

發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過程中，燃燒室燃燒產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)庖徊糠謺?huì)通過燃?xì)鉁u輪驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)及其相關(guān)附件工作，另一部分通過動(dòng)力渦輪驅(qū)動(dòng)旋翼和尾槳工作。起動(dòng)成功后，渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出功率與直升機(jī)負(fù)載之間將達(dá)到平衡狀態(tài)，此時(shí)壓氣機(jī)、燃?xì)鉁u輪和動(dòng)力渦輪將在慢車狀態(tài)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)[1]。

根據(jù)動(dòng)力渦輪、傳動(dòng)系統(tǒng)以及直升機(jī)旋翼之間通過傳動(dòng)軸和齒輪機(jī)械連接的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可在直升機(jī)上設(shè)置旋翼剎車裝置。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)前，使用剎車裝置將旋翼、動(dòng)力渦輪制動(dòng)，起動(dòng)過程中燃?xì)獍l(fā)生器加速，由于剎車裝置的制動(dòng)作用，動(dòng)力渦輪會(huì)保持靜止，待起動(dòng)至設(shè)定轉(zhuǎn)速并穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)后，解除旋翼處的制動(dòng)后，旋翼和動(dòng)力渦輪會(huì)在燃?xì)庾饔孟露虝r(shí)間內(nèi)由靜止加速到工作轉(zhuǎn)速，完成剎車起動(dòng)[2]。

1.2剎車起動(dòng)在直升機(jī)上的應(yīng)用

由于艦面或高原環(huán)境下風(fēng)力強(qiáng)勁，甚至可以帶動(dòng)旋翼自由轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)旋翼以及動(dòng)力渦輪的旋轉(zhuǎn)方向可能會(huì)與渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過程中動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向不一致，導(dǎo)致傳動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載過大，起動(dòng)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率不足以使旋翼達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速，除此之外，為減輕直升機(jī)自身重量，旋翼大多采用復(fù)合材料達(dá)到減重目的，同時(shí)為提升氣動(dòng)力，旋翼直徑較大，剛性較差，靜止?fàn)顟B(tài)或者轉(zhuǎn)速較低時(shí)，強(qiáng)風(fēng)會(huì)使槳葉大幅度揮舞，影響裝備和人員安全。因此，在旋翼處安裝制動(dòng)裝置，在高原或艦面起動(dòng)時(shí)，先將動(dòng)力渦輪制動(dòng)，外界強(qiáng)風(fēng)無(wú)法使旋翼自由旋轉(zhuǎn)，起動(dòng)至慢車狀態(tài)，穩(wěn)定后解除制動(dòng)，旋翼在動(dòng)力渦輪的帶動(dòng)下短時(shí)間內(nèi)由靜止加速到工作轉(zhuǎn)速，大大減少低轉(zhuǎn)速下旋翼槳葉被強(qiáng)風(fēng)干擾的風(fēng)險(xiǎn)，提高了惡劣環(huán)境下的起動(dòng)成功率[2]。

2試驗(yàn)設(shè)備

剎車裝置是臺(tái)架模擬剎車起動(dòng)的重要設(shè)備，由基座、剎車鉗和剎車盤等組成，用于在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)鎖住傳動(dòng)軸，待發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)完成后，脫開剎車裝置，傳動(dòng)軸開始工作。該裝置的關(guān)鍵指標(biāo)是剎車扭矩，剎車扭矩太小，無(wú)法在起動(dòng)時(shí)剎住動(dòng)力渦輪，剎車扭矩太大會(huì)增加設(shè)備的研制難度，因此確定剎車扭矩是在臺(tái)架模擬發(fā)動(dòng)機(jī)剎車起動(dòng)的關(guān)鍵因素。由于直升機(jī)一般帶有旋翼剎車裝置，可以根據(jù)旋翼剎車裝置的最大剎車扭矩給出臺(tái)架剎車裝置的剎車扭矩要求，也可以通過發(fā)動(dòng)機(jī)在慢車狀態(tài)時(shí)的空氣流量綜合評(píng)估確定剎車扭矩。

3試驗(yàn)方案

臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出軸、功率吸收測(cè)量裝置以及飛輪構(gòu)成傳動(dòng)鏈，剎車裝置安裝在飛輪末端，并在輸出軸上安裝扭矩傳感器測(cè)量模擬剎車起動(dòng)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩。為保證試驗(yàn)安全，需在剎車裝置外部安裝防護(hù)罩，防止試驗(yàn)過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)所需的剎車力矩過大，導(dǎo)致剎車盤無(wú)法被剎車鉗抱死，剎車盤破裂損壞，在高速傳動(dòng)鏈的帶動(dòng)下飛濺出來?yè)p壞車臺(tái)。在完成發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸-功率吸收裝置-剎車裝置的傳動(dòng)鏈安裝后，應(yīng)使用校準(zhǔn)設(shè)備對(duì)整個(gè)傳動(dòng)鏈軸系進(jìn)行調(diào)心校準(zhǔn)，保證軸系同心度滿足安裝要求。具體試驗(yàn)流程如下。

（1）試驗(yàn)前，對(duì)剎車裝置進(jìn)行動(dòng)平衡檢查，防止安裝后對(duì)飛輪轉(zhuǎn)子的不平衡量產(chǎn)生影響[4]，導(dǎo)致試驗(yàn)過程中傳動(dòng)鏈振動(dòng)增加，隨后按要求安裝好剎車裝置，安裝過程中不允許對(duì)傳動(dòng)軸產(chǎn)生過大的軸向或徑向力，導(dǎo)致軸系連接處產(chǎn)生不必要的變形，安裝完成后進(jìn)行靜態(tài)調(diào)試，確保試驗(yàn)時(shí)可以遠(yuǎn)程控制剎車裝置，遠(yuǎn)程控制界面應(yīng)設(shè)計(jì)防止誤操作功能，防止操作人員在正常試驗(yàn)時(shí)啟動(dòng)剎車裝置。

（2）按相關(guān)規(guī)范要求檢查被試品、測(cè)試系統(tǒng)、傳動(dòng)鏈、功率吸收裝置和剎車裝置的工作狀態(tài)。

（3）啟動(dòng)剎車裝置，同時(shí)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)控制燃?xì)獍l(fā)生器到額定轉(zhuǎn)速，起動(dòng)過程中密切監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試參數(shù)和試驗(yàn)設(shè)備振動(dòng)情況，關(guān)注剎車裝置工作狀態(tài)，如有異常應(yīng)立即停止試驗(yàn)。

（4）松開剎車裝置，動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速會(huì)在燃?xì)庾饔孟驴焖偌铀俚铰嚑顟B(tài)對(duì)應(yīng)的額定轉(zhuǎn)速，并在慢車狀態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行，如動(dòng)力渦輪無(wú)法加速到慢車狀態(tài)或發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)控參數(shù)超限，應(yīng)立即停止試驗(yàn)。

（5）在慢車狀態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后，正常停止試驗(yàn)。

試驗(yàn)過程中禁止在傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，啟動(dòng)剎車裝置

4臺(tái)架剎車起動(dòng)分析

4.1燃?xì)獍l(fā)生器起動(dòng)

燃?xì)獍l(fā)生器起動(dòng)過程大致可劃分為3個(gè)階段：第一階段，起動(dòng)機(jī)單獨(dú)帶轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子，直至燃燒室點(diǎn)火成功，燃?xì)鉁u輪開始做功；第二階段，燃?xì)鉁u輪做功不足以帶動(dòng)壓氣機(jī)及其附件，起動(dòng)機(jī)仍需輸出功率，直至起動(dòng)機(jī)脫開；第三階段，燃?xì)鉁u輪帶轉(zhuǎn)壓氣機(jī)及其附件加速到慢車階段[5]。

燃?xì)獍l(fā)生器起動(dòng)按照控制系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的程序分階段起動(dòng)，前兩個(gè)階段，正常起動(dòng)和剎車起動(dòng)的控制邏輯及運(yùn)轉(zhuǎn)方式基本相同，進(jìn)入第三階段后，正常起動(dòng)時(shí)慢車狀態(tài)以恒定的動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速作為控制目標(biāo)，燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速與功率吸收裝置負(fù)載相匹配；剎車起動(dòng)時(shí)，動(dòng)力渦輪處于靜止?fàn)顟B(tài)，無(wú)法作為控制目標(biāo)，達(dá)到恒定的燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速即松開剎車裝置，動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速加速到目標(biāo)值。渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，兩種模式下起動(dòng)過程中燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩如圖1、圖2所示。

從圖1、圖2中可以發(fā)現(xiàn)，相比于正常起動(dòng)，第一階段和第二階段燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速變化無(wú)明顯差異，但發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩存在明顯差異，剎車起動(dòng)模式下輸出扭矩明顯高于正常起動(dòng)模式，即在直升機(jī)上進(jìn)行旋翼剎車起動(dòng)時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)需承受較大負(fù)載，可能對(duì)使用壽命造成一定影響。在第三階段，剎車起動(dòng)到慢車狀態(tài)后，發(fā)動(dòng)機(jī)在恒定的燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)松開剎車裝置，控制系統(tǒng)又會(huì)將動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速作為慢車狀態(tài)的控制目標(biāo)，但由于功率吸收裝置已處于大負(fù)載位置，為保證動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速恒定，此時(shí)燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速會(huì)突然上升，增加發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率，直至燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩與功率吸收裝置負(fù)載相匹配，而正常起動(dòng)模式下，燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速與功率吸收裝置負(fù)載則不斷實(shí)時(shí)進(jìn)行匹配，直至起動(dòng)到慢車狀態(tài)。

4.2動(dòng)力渦輪起動(dòng)

剎車起動(dòng)模式下，要求燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速起動(dòng)至目標(biāo)值后才允許松開剎車裝置。剎車起動(dòng)和正常起動(dòng)動(dòng)力渦輪加速性對(duì)比如圖3所示。可以看出，與正常起動(dòng)相比，剎車起動(dòng)具有較快的動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速加速度，動(dòng)力渦輪可以快速加速到目標(biāo)值，通過計(jì)算分析可知，剎車起動(dòng)模式動(dòng)力渦輪加速度約為正常起動(dòng)模式的4倍。

5結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了臺(tái)架剎車起動(dòng)的試驗(yàn)原理、設(shè)備以及方案，并驗(yàn)證了試驗(yàn)方法的可行性；分析比較了渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)剎車起動(dòng)與正常起動(dòng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。分析結(jié)果表明：（1）可使用剎車裝置在臺(tái)架完成模擬旋翼剎車起動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果可以表明渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)具備剎車起動(dòng)能力，減少裝直升機(jī)試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)；（2）剎車起動(dòng)時(shí)，功率吸收裝置需承受較大負(fù)載，對(duì)于直升機(jī)而言，傳動(dòng)系統(tǒng)需承受比正常起動(dòng)大幾倍的負(fù)載，可能影響使用壽命；（3）剎車起動(dòng)可以使得動(dòng)力渦輪獲得更大的加速度，短時(shí)間內(nèi)快速加速到慢車狀態(tài)目標(biāo)值，在強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下可以在一定程度下提高起動(dòng)成功率。

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