渦軸發動機臺架剎車起動試驗研究

摘要：旋翼剎車起動是渦軸發動機一種特有的起動方式，為減少裝機試驗風險，需在臺架模擬渦軸發動機剎車起動。介紹了渦軸發動機剎車起動原理，給出了在臺架條件下模擬渦軸發動機剎車起動試驗方法，并證明了試驗方法的可行性，試驗結果表明：渦軸發動機可以在臺架模擬直升機旋翼剎車起動；與正常起動相比，剎車起動可以使動力渦輪轉速在起動階段具有較快的加速度，在較短時間內加速到慢車狀態，但直升機傳動系統要承受較大負載。

關鍵詞：渦軸發動機剎車起動剎車裝置試驗方法

中圖分類號：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

渦軸發動機總體結構一般包括附件傳動裝置、壓氣機、燃燒室、燃氣渦輪以及動力渦輪等部件，通過傳動系統驅動直升機旋翼和尾槳。正常情況下發動機起動時，動力渦輪會驅動旋翼一起轉動，但在如艦面大風、旋翼折疊等一些特殊情況下，不允許直升機按照正常模式起動，很大程度上影響了部隊的作戰使用。為滿足特定場景下的使用需求，會在旋翼處安裝剎車裝置，具備特定場景下起動發動機的能力，保障作戰使用需求。

針對旋翼剎車的起動特點，渦軸發動機需要具備在動力渦輪制動情況下正常起動的能力，并在臺架完成模擬剎車起動試驗。從起動過程來看，剎車起動由兩個階段組成。第一階段，起動前動力渦輪被制動，發動機按照預先設定的指令起動，隨后達到慢車狀態。第二階段，松開剎車裝置后動力渦輪加速階段，由于發動機達到慢車狀態，解除制動，動力渦輪在高溫高壓燃氣作用下迅速加速到目標轉速。相比于正常起動，剎車起動模式下，動力渦輪轉速加速更快，到達目標轉速的時間更短。

本文介紹了在臺架進行渦軸發動機剎車起動的剎車裝置、功率吸收裝置等試驗設備以及試驗方案，通過對渦軸發動機起動試驗數據進行分析，對比分析了剎車起動與正常起動的兩種起動模式之間的差異，總結了渦軸發動機剎車起動的優缺點。

1渦軸發動機剎車起動原理及應用

1.1剎車起動原理

發動機在起動過程中，燃燒室燃燒產生的高溫高壓燃氣一部分會通過燃氣渦輪驅動壓氣機及其相關附件工作，另一部分通過動力渦輪驅動旋翼和尾槳工作。起動成功后，渦軸發動機發出功率與直升機負載之間將達到平衡狀態，此時壓氣機、燃氣渦輪和動力渦輪將在慢車狀態穩定運轉[1]。

根據動力渦輪、傳動系統以及直升機旋翼之間通過傳動軸和齒輪機械連接的結構特點，可在直升機上設置旋翼剎車裝置。發動機起動前，使用剎車裝置將旋翼、動力渦輪制動，起動過程中燃氣發生器加速，由于剎車裝置的制動作用，動力渦輪會保持靜止，待起動至設定轉速并穩定運轉后，解除旋翼處的制動后，旋翼和動力渦輪會在燃氣作用下短時間內由靜止加速到工作轉速，完成剎車起動[2]。

1.2剎車起動在直升機上的應用

由于艦面或高原環境下風力強勁，甚至可以帶動旋翼自由轉動，此時旋翼以及動力渦輪的旋轉方向可能會與渦軸發動機在起動過程中動力渦輪轉動方向不一致，導致傳動系統負載過大，起動過程中發動機輸出功率不足以使旋翼達到目標轉速，除此之外，為減輕直升機自身重量，旋翼大多采用復合材料達到減重目的，同時為提升氣動力，旋翼直徑較大，剛性較差，靜止狀態或者轉速較低時，強風會使槳葉大幅度揮舞，影響裝備和人員安全。因此，在旋翼處安裝制動裝置，在高原或艦面起動時，先將動力渦輪制動，外界強風無法使旋翼自由旋轉，起動至慢車狀態，穩定后解除制動，旋翼在動力渦輪的帶動下短時間內由靜止加速到工作轉速，大大減少低轉速下旋翼槳葉被強風干擾的風險，提高了惡劣環境下的起動成功率[2]。

2試驗設備

剎車裝置是臺架模擬剎車起動的重要設備，由基座、剎車鉗和剎車盤等組成，用于在發動機起動時鎖住傳動軸，待發動機起動完成后，脫開剎車裝置，傳動軸開始工作。該裝置的關鍵指標是剎車扭矩，剎車扭矩太小，無法在起動時剎住動力渦輪，剎車扭矩太大會增加設備的研制難度，因此確定剎車扭矩是在臺架模擬發動機剎車起動的關鍵因素。由于直升機一般帶有旋翼剎車裝置，可以根據旋翼剎車裝置的最大剎車扭矩給出臺架剎車裝置的剎車扭矩要求，也可以通過發動機在慢車狀態時的空氣流量綜合評估確定剎車扭矩。

3試驗方案

臺架試驗時，發動機功率輸出軸、功率吸收測量裝置以及飛輪構成傳動鏈，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量模擬剎車起動時的發動機輸出扭矩。為保證試驗安全，需在剎車裝置外部安裝防護罩，防止試驗過程中，發動機所需的剎車力矩過大，導致剎車盤無法被剎車鉗抱死，剎車盤破裂損壞，在高速傳動鏈的帶動下飛濺出來損壞車臺。在完成發動機輸出軸-功率吸收裝置-剎車裝置的傳動鏈安裝后，應使用校準設備對整個傳動鏈軸系進行調心校準，保證軸系同心度滿足安裝要求。具體試驗流程如下。

（1）試驗前，對剎車裝置進行動平衡檢查，防止安裝后對飛輪轉子的不平衡量產生影響[4]，導致試驗過程中傳動鏈振動增加，隨后按要求安裝好剎車裝置，安裝過程中不允許對傳動軸產生過大的軸向或徑向力，導致軸系連接處產生不必要的變形，安裝完成后進行靜態調試，確保試驗時可以遠程控制剎車裝置，遠程控制界面應設計防止誤操作功能，防止操作人員在正常試驗時啟動剎車裝置。

（2）按相關規范要求檢查被試品、測試系統、傳動鏈、功率吸收裝置和剎車裝置的工作狀態。

（3）啟動剎車裝置，同時起動發動機，發動機控制系統會自動控制燃氣發生器到額定轉速，起動過程中密切監控發動機測試參數和試驗設備振動情況，關注剎車裝置工作狀態，如有異常應立即停止試驗。

（4）松開剎車裝置，動力渦輪轉速會在燃氣作用下快速加速到慢車狀態對應的額定轉速，并在慢車狀態穩定運行，如動力渦輪無法加速到慢車狀態或發動機狀態監控參數超限，應立即停止試驗。

（5）在慢車狀態穩定運行一段時間后，正常停止試驗。

試驗過程中禁止在傳動軸旋轉時，啟動剎車裝置

4臺架剎車起動分析

4.1燃氣發生器起動

燃氣發生器起動過程大致可劃分為3個階段：第一階段，起動機單獨帶轉發動機轉子，直至燃燒室點火成功，燃氣渦輪開始做功；第二階段，燃氣渦輪做功不足以帶動壓氣機及其附件，起動機仍需輸出功率，直至起動機脫開；第三階段，燃氣渦輪帶轉壓氣機及其附件加速到慢車階段[5]。

燃氣發生器起動按照控制系統預先設定的程序分階段起動，前兩個階段，正常起動和剎車起動的控制邏輯及運轉方式基本相同，進入第三階段后，正常起動時慢車狀態以恒定的動力渦輪轉速作為控制目標，燃氣發生器轉速與功率吸收裝置負載相匹配；剎車起動時，動力渦輪處于靜止狀態，無法作為控制目標，達到恒定的燃氣發生器轉速即松開剎車裝置，動力渦輪轉速加速到目標值。渦軸發動機臺架試驗時，兩種模式下起動過程中燃氣發生器轉速和發動機輸出扭矩如圖1、圖2所示。

從圖1、圖2中可以發現，相比于正常起動，第一階段和第二階段燃氣發生器轉速變化無明顯差異，但發動機輸出扭矩存在明顯差異，剎車起動模式下輸出扭矩明顯高于正常起動模式，即在直升機上進行旋翼剎車起動時，傳動系統需承受較大負載，可能對使用壽命造成一定影響。在第三階段，剎車起動到慢車狀態后，發動機在恒定的燃氣發生器轉速下運轉，此時松開剎車裝置，控制系統又會將動力渦輪轉速作為慢車狀態的控制目標，但由于功率吸收裝置已處于大負載位置，為保證動力渦輪轉速恒定，此時燃氣發生器轉速會突然上升，增加發動機輸出功率，直至燃氣發生器轉速、發動機輸出扭矩與功率吸收裝置負載相匹配，而正常起動模式下，燃氣發生器轉速與功率吸收裝置負載則不斷實時進行匹配，直至起動到慢車狀態。

4.2動力渦輪起動

剎車起動模式下，要求燃氣發生器轉速起動至目標值后才允許松開剎車裝置。剎車起動和正常起動動力渦輪加速性對比如圖3所示?？梢钥闯?，與正常起動相比，剎車起動具有較快的動力渦輪轉速加速度，動力渦輪可以快速加速到目標值，通過計算分析可知，剎車起動模式動力渦輪加速度約為正常起動模式的4倍。

5結論

本文詳細介紹了臺架剎車起動的試驗原理、設備以及方案，并驗證了試驗方法的可行性；分析比較了渦軸發動機剎車起動與正常起動的試驗數據。分析結果表明：（1）可使用剎車裝置在臺架完成模擬旋翼剎車起動試驗，試驗結果可以表明渦軸發動機具備剎車起動能力，減少裝直升機試驗的風險；（2）剎車起動時，功率吸收裝置需承受較大負載，對于直升機而言，傳動系統需承受比正常起動大幾倍的負載，可能影響使用壽命；（3）剎車起動可以使得動力渦輪獲得更大的加速度，短時間內快速加速到慢車狀態目標值，在強風環境下可以在一定程度下提高起動成功率。

參考文獻

[1]張耀峰，張浩.基于能力的渦軸發動機大區間加速性試飛方法研究[J].中國設備工程，2024（9）：262-265.

楊波，樊曉鋒.直升機旋翼剎車起動應用淺析[J].科技視界，2021（15）：100-101.

[3]張玉智，吉鵬程，王立國.某型渦軸發動機起動問題淺析[J].航空維修與工程，2021（4）：111-114.

[4] 翟歡樂，黃磊.基于VMD的某渦軸發動機轉子振動信號分析[J].機械設計與制造，2024（3）：73-76.

[5]王旺，郭帥平，王平，等.渦軸發動機懸臂型動力渦輪轉子定點碰摩仿真[J].湖南科技大學學報（自然科學版），2023，38（4）：66-77.