渦軸發動機控制系統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：文章以某渦軸發動機為研究對象，對其控制系統超轉保護功能試驗方案展開研究。提出一種有別于傳統丟失負載方法，并且使渦軸發動機動力渦輪發生真實超轉的方案，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動力渦輪超轉。并且在不同狀態進行了超轉保護功能試驗驗證，為該發動機的定型提供了依據。

關鍵詞：渦軸發動機；試驗方案；控制系統；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，任何一個環節出現故障都可能導致發動機動力渦輪出現異常，導致動力渦輪轉速瞬間急劇上升，此時發動機控制系統必須及時觸發動機動力渦輪超轉保護功能以防止動力渦輪超轉破裂，避免發生飛行安全事故。因此渦軸發動機需要在動力渦輪發生真實超轉的情況下驗證其控制系統動力渦輪超轉保護功能是否滿足設計要求[1-3]。

本文針對某渦軸發動機開展控制系統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丟失負載方法，并且使渦軸發動機動力渦輪發生真實超轉的方案。

1 問題分析及方案設計

現在大多數渦軸發動機控制系統是數字電子式，數字電子式發動機控制系統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系統電路、信號調理電路、輸出控制電路及電源電路組成。

渦軸發動機一般采用直接切斷發動機和功率吸收裝置之間的傳動軸的方式，使發動機的動力渦輪達到發生真實超轉的目的，從而考核動力渦輪超轉保護系統的功能。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。

典型的渦軸發動機控制規律為，通過調節燃油流量，保持動力渦輪轉速np為常數。在地面臺架試驗時，由控制系統控制發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。在發動機進行減速試驗時，負載桿快速下拉，測功器卸載，控制系統控制發動機減油，但是二者之間的時間差會引起動力渦輪轉速np超調。基于上述原因，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”），在發動機Tt45=T1，T2，T3狀態下（T1

試驗步驟如下：

（1）起動發動機到ng=87%，進行控制系統超轉保護功能檢查試驗。

（2）上推發動機狀態至Tt45為T1，穩定運行3min。

（3）0.5s內下拉負載桿減速到空慢狀態。

（4）上推發動機狀態至Tt45為T2，穩定運行3min。

（5）0.5s內下拉負載桿減速到空慢狀態。

（6）上推發動機狀態至Tt45為T3，穩定運行3min。

（7）0.5s內下拉負載桿減速到空慢狀態。

3 試驗結果及分析

上推發動機狀態至Tt45=T1，0.5s內下拉負載桿到空慢，數控系統監控數據如圖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，并未發生真實的超轉保護。

上推發動機狀態至Tt45=T2，下拉負載桿減速到空慢，試驗情況如圖2所示。圖2（a）為車臺動態數據曲線，圖2（b）為放大了超調部分的曲線。數控測到的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。車臺數據可見，np轉速最大值116.35%時刻切斷燃油，持續0.2s。np=115.1%時（小于超轉保護值116%）恢復供油。且np逐漸穩定在基準轉速，np穩定時間10.6s。np超轉保護控制精度為116%±1%，控制精度在此范圍內。

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

由表1可知，發生超轉時刻np最大值npmax的值，車臺測試數據比數控系統測試數據值高約0.46%-0.53%（96-108rpm） ，由于數控系統的采樣周期為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。

在發動機狀態T2減速到空慢時，數控系統參數顯示，在np達到最大轉速值前0.1s-0.2s時刻，超轉電磁閥接通。車臺測試的動態數據顯示，在np到達峰值時刻，切斷燃油，切斷時間持續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。

在發動機狀態T3減速到空慢時，數控系統參數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控系統并未顯示出該信號。由動態測試數據可知，實際發生斷油的時間為170ms，實際上發生了超轉保護，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動機控制系統動力渦輪超轉保護試驗，為該型發動機的定型提供了依據。

（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，越容易實現超轉，np超調后到恢復平穩所需要的時間越長。

參考文獻：

[1]廉筱純，吳虎.航空發動機原理[M].西北工業大學出版社，2005.

[2]張寶誠.航空發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.航空發動機試車工藝[M].北京航空航天大學出版社，2010.