高速水力測功器加減速時負載的響應速度研究

（中國航發湖南動力機械研究所，湖南 株洲 412002）

在某渦軸發動機加減速試驗中，出現加減速時間超標的現象。分析試驗數據后發現是由于水力測功器負載變化跟隨偏慢，導致發動機加減速時間超標。通過調節水力測功器負載變化的響應速度后，水力測功器負載能及時地跟隨發動機輸出功率的變化速度，重復試驗時，發動機加減速時間未再出現超標現象。

1 水力測功器簡介

1.1 水力測功器工作原理

水力測功器的原理是通過水力測功器轉子葉片對水的攪拌，將發動機輸出的機械能轉化為水的熱能，然后隨著水的流動將熱能帶走，通過散熱裝置將能量消耗。

水力測功器通過電液伺服閥來調節進水閥，從而調節進水量的大小，通過調節排水閥來調節水在測功器中水壓的大小，從而達到調節測功器吸收功率的大小。進水閥開度越大，排水閥開度越小，測功器吸收的功率越大；反之，測功器吸收的功率越小。

水力測功器是通過測量水力測功器殼體的反向扭矩以及水力測功器轉子的轉速，計算出發動機的輸出功率，以此評定發動機的性能，為發動機研制提供試驗數據支撐。

1.2 水力測功器負載調節控制方式

在工程應用中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱PID 控制。水力測功器負載響應速度是通過調節PID 來控制負載的響應速度以及達到穩態所需要的時間。增加P值、D值可以減小控制曲線的擺幅，增大I值可以提高系統的穩定性。

水力測功器還可以通過加減速提前量控制參數來調節負載的響應速度。在發動機進行加減速試驗時，水力測功器控制系統會根據試驗臺給出的負載瞬變信號，自動判斷負載需要的變化速度，在已設置的加減速提前量容許范圍內，迅速改變負載的大小。加減速提前量控制參數設置越大，負載響應越快。

2 水力測功器應用

2.1 試驗中出現的問題

在某渦軸發動機加減速試驗中出現加減速時間超過規范值的現象。

2.2 對出現的問題的分析

飛行慢車到中間狀態的加速曲線如圖1 所示。由圖1 可以看出，加速過程中，發動機控制系統負載桿位置CLP 動作是很迅速的，而扭矩Mkp 動作明顯滯后。可以通過加快測功器負載的響應速度，使Mkp 快速增加，以達到發動機加減速過程快速完成的目的。

2.3 解決方法

根據以往的使用經驗，調節PID值可以改變水力測功器的響應速度。

將P值從1.0 調節為2.3 時，發動機加速試驗時，水力測功器跟隨明顯變快，但是在穩定狀態時，發動機輸出轉速Np波動偏大（±70 r/min）。

將P值改為1.5，發動機輸出轉速Np波動比較小（±50 r/min 以內），但是加速時間超標。

將P值改為3.5，加速時間符合要求，而穩定狀態Np轉速波動超過±50 r/min，不符合要求。

發動機加減速時，控制系統有專門的識別程序，當負載在1 s 內變化超過最大負載的30%時，控制軟件會判斷為發動機正在加減速，從而提前加減供油量。鑒于此，為配合發動機的加減速，測功器負載需要提前快速增加或者減小負載。通過查找測功器原版說明書，找到了測功器負載快速變化的提前量控制參數。在測功器控制軟件的安裝文件夾中打開Controlcoef.ini 配置文件，將其中的加減速提前量控制參數（Torque Control Int Max Err）由（5.0e+000）改為（8.0e+000）。重復加減速試驗，水力測功器負載變化速率較之前明顯變快，穩態時轉速波動也在合格范圍內，發動機加減速時間符合規定值，如圖2 所示。

圖1 飛行慢車到中間狀態加速曲線

圖2 修改水力測功器響應前后車臺負載變化

3 結束語

此次試驗中，發現并找到了Froude 水力測功器加減速提前量參數，通過調節水力測功器加減速提前量參數，達到了兩個目的：解決了以往單純通過調節PID值，導致負載響應速度與負載穩定狀態相互矛盾；提高了水力測功器負載的響應速度，滿足了發動機的試驗需求。