航空發動機試驗過渡態測試系統設計及應用

張塘衛（中國航空動力機械研究所，湖南株洲，412002）

?

航空發動機試驗過渡態測試系統設計及應用

張塘衛
（中國航空動力機械研究所，湖南株洲，412002）

航空發動機試驗中過渡態的各項參數，直接反映發動機性能的好壞及其控制系統的優劣，而且過渡態也易發生故障，因此航空發動機試驗過渡態測試是一項十分重要的測試內容。發動機過渡態測試是監測、記錄測量參數的實時變化，防止突變損壞發動機，為發動機設計研究和各參數的改進匹配提供真實可靠的依據，保證發動機過渡態的安全運行。

航空發動機；過渡態；測試系統

航空發動機的過渡態是指當發動機從一個穩定狀態迅速過渡到另一個穩定狀態的過程，主要包括啟動過程、加速過程、減速過程、接通加力、斷開加力、矢量偏轉等過程。發動機過渡態的各項參數直接反映發動機性能的好壞，以及發動機控制系統的優劣，而且發動機喘振、熄火等故障多發于過渡態過程中。因此，發動機的過渡態測試是發動機測試中的一項重要工作。

發動機過渡態測試是指在發動機過渡態過程中，對測量參數進行全過程實時跟蹤測量。發動機的過渡態測試與穩態參數測試的不同之處是參數測試的動態特性問題，其特點在于用實時高速測量和分析法得到參數的時域特性。首先，是監測發動機過渡態過程的各項參數，并全程記錄，重點監測那些能反映發動機安全性能的參數，防止測量參數突變破壞發動機；其次，是測出各參數的實時值及瞬時值，為發動機設計研究和各氣動參數的改進匹配提供真實可靠的依據，達到改善發動機性能和優化發動機過渡態控制規律的目的。

圖1　過渡態測試系統基本框圖

1　過渡態測試系統

過渡態通常測量發動機燃氣發生器轉速、動力渦輪轉速、起動電壓、起動電流、發電電壓、發電電流、燃油流量、進口靜壓、壓氣機出口總壓、燃氣渦輪出口總溫、推力以及油門桿角度等參數。根據發動機型號及地面試驗需求，測量上述不同的參數，監測發動機在過渡態中的狀況，全程記錄跟蹤，實時顯示各參數的變化曲線。

圖1為過渡態測試系統基本框圖，由傳感器、高速數據采集儀和計算機組成。

1.1高速數據采集儀

過渡態測試系統中，各測量參數通過傳感器的測量轉換成電壓、電流信號，經線路傳輸進入數據記錄儀的輸入模塊。現代高速數據采集儀主要以計算機為核心，由信號調理電路、采樣保持電路（S/H）和模數轉換電路（A/D）等部分組成。其中信號調理電路的作用是將傳感器輸出的微弱信號進行放大、濾波和隔離等相關處理，以便使傳感器輸出信號與A/D相適配，具有貝塞爾或巴特沃茲特性的濾波器，可以保證對于系統輸入信號所需頻帶的帶寬要求。

評價高速數據采集儀的主要技術指標有：采樣速率、精度、分辨率、系統共模抑制比和通道串擾抑制比等。其中采樣速率是高速動態數據采集系統區別于一般穩態數采系統最關鍵的一項技術指標，因為動態數據采集時，每個通道是并行采集的，而穩態數采系統則是通過多路轉換開關不斷在多個通道之間切換進行單點掃面式采集，因而它的采樣速率相對來說較低。

現代高速數據采集儀系統集成化程度高，通過使用不同的測量模塊可以完成對不同參數的測量。以本單位常用的高速數據采集儀為例說明，該儀器最高采樣率可達1MHz，使用方便，模塊可根據測量參數種類、數量自由拆裝、組合，可實時監控各測試參數，記錄原始信號，試驗后可離線進行數據處理。常用模塊及主要用途見下表：

表1　高速數據采集儀常用模塊及其用途

1.2傳感器

1.2.1轉速傳感器

轉速傳感器主要采用測速電機或磁電式傳感器。磁電式轉速傳感器又稱為變磁通式轉速傳感器。

1.2.2渦輪流量計

渦輪流量計是廣泛應用于航空發動機燃油流量測量的一種速度式流量計，具有測量范圍寬、靈敏度高和響應快等優點。

1.2.3壓力傳感器

過渡態的壓力測量主要是測量發動機進口靜壓、壓氣機出口總壓。選用擴散硅差壓傳感器，具有較高的精度，以及很高的靈敏度，而且頻響較高，優于1kHz。

1.2.4熱電偶

熱電偶將溫度轉換成電量進行檢測，所以對于溫度的測量、控制，以及對溫度信號的放大、變換等都很方便。另外，熱電偶的惰性小，準確度高，測溫范圍廣，能適應各種測量對象的要求。

由于過渡態所測量的燃氣渦輪出口溫度較高，采用了結構簡單、測溫范圍廣、準確度高，并且適合于遠距離測量與自動控制的K分度熱電偶。

2　過渡態測試系統在發動機試驗中的應用

過渡態測試在航空發動機試驗中尤為重要，全程跟蹤記錄發動機狀態，所有監測參數實時顯示，一旦發現問題，可及時報警，并對數據進行處理、分析，查找故障原因，采取相應措施并解決。

2.1起動過渡態測試

發動機的起動過程較為復雜，帶轉轉速、供油時間、供油量、點火時間以及轉速加速率等，控制系統要精確控制，避免出現發動機起動懸掛、起動超溫，以及爆燃、起動失速喘振現象。

圖2為某型發動機起動曲線，從圖2可以清晰看到，某型發動機的整個起動過程。試驗操作人員按下起動按鈕，控制系統立即接通起動電機，帶動發動機運轉，當發動機轉速達到5500rpm時，打開燃油電磁閥，提供燃油，點火線圈供電，電嘴打火。當轉速帶轉到7500rpm 時，燃燒室混合氣達到適當的比例和濃度時，被點著并迅速燃燒，燃氣渦輪后溫度T4.5快速上升，并對燃氣渦輪作功，推動發動機快速轉動。當轉速Ng達到額定轉速的50%時，起動電機脫開，控制系統進入閉環控制，依據轉速Ng、溫度T4.5等參數的數據，自動調節燃油流量大小，使發動機轉速爬升。當Ng

圖2　某型發動機起動曲線　

轉速達到慢車額定轉速時，發動機進入慢車狀態，起動成功。

2.2冷運轉過渡態測試

航空發動機重新裝配上臺試驗，在點火起動前，都要進行冷運轉，以檢查發動機各部件是否正常。以某型發動機核心機首次上臺冷運轉狀態監測為例。

當進行第一次冷吹時，起動壓縮空氣將燃氣發生器轉速n帶轉到2800rpm時，突然掉轉，降到180rpm。停車后，仔細分析、處理數據，發現交流發電機發電電壓Uab、壓氣機出口總壓Pt3和流量管靜壓Ps1在轉速為2800rpm時，都有變化。Uab的頻率和幅值，正常情況隨核心機轉速n的提高而增大，到達一定的轉速達到飽和狀態，而監測中Uab的頻率和幅值開始隨核心機轉速n轉速的提高而增大，在轉速為2800rpm左右突然減小，說明核心機有卡滯現象，導致核心機轉速突然降低。壓氣機出口總壓Pt3、流量管靜壓Ps1的變化情況也證實了上述觀點。這也排除了轉速表、轉速傳感器以及干擾問題，確認核心機有故障，報告現場指揮和型號總師。下臺分解的檢查結果證實所得的結論是正確的，從而避免了發動機遭受更大的損害。

2.3加減速過渡態測試

發動機的加減速是衡量發動機性能的一項重要指標。在加減速過程中，全程監測記錄各參數的變化，特別密切關注發動機進口靜壓和壓氣機出口總壓的變化，以防出現失速喘振導致發動機損壞。

以某型發動機加速過程狀態監測為例，發動機轉速n從35000rpm加速到43500rpm的過渡態中，發動機進口流量管靜壓Ps1、離心壓氣機徑向擴壓器出口靜壓Ps2.7、壓氣機出口靜壓Ps3均出現了兩次快速脈動現象，并伴隨兩聲悶響，該現象為發動機喘振的典型特征。將數據處理、分析結果提供給型號設計人員，采取相應的措施，避免發動機出現類似故障。

3　結論

本文所介紹的過渡態測試系統已廣泛應用于多種型號發動機的地面整機試驗。該系統成功監測了發動機的起動、冷運轉和加減速等過渡態試驗，測試結果真實可靠，滿足中小型航空發動機測試需求。

［1］饒華.航空發動機全權限數字電子控制系統［M］.航空工業出版社出版，2014，6.

［2］陳蕙棠.動態參數測量［M］.航空工業第608研究所，1992.

［3］樊思齊.航空發動機控制［M］.西北工業大學出版，2008.

［4］王魁漢.溫度測量實用技術［M］.機械工業大學出版，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