張?zhí)列l(wèi)（中國航空動力機(jī)械研究所，湖南株洲，412002）

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某型渦軸發(fā)動機(jī)動力渦輪超轉(zhuǎn)保護(hù)響應(yīng)時間測試

張?zhí)列l(wèi)
（中國航空動力機(jī)械研究所，湖南株洲，412002）

為驗(yàn)證當(dāng)某型渦軸發(fā)動機(jī)動力渦輪失去載荷或軸失效時，數(shù)控系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)動力渦輪超轉(zhuǎn)保護(hù)停車，保證動力渦輪的結(jié)構(gòu)完整性，本文設(shè)計了該數(shù)控系統(tǒng)響應(yīng)時間的測試方案。試驗(yàn)結(jié)果表明，該測試方案能準(zhǔn)確測出數(shù)控系統(tǒng)的響應(yīng)時間， 為評估獨(dú)立動力渦輪超轉(zhuǎn)保護(hù)停車數(shù)控系統(tǒng)的性能提供了重要手段。

渦軸發(fā)動機(jī)；超轉(zhuǎn)；響應(yīng)時間

根據(jù)航空發(fā)動機(jī)適航規(guī)定CCAR-33R2第33.28條“發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)”的要求，在動力渦輪失去載荷或軸失效時，數(shù)控系統(tǒng)的獨(dú)立動力渦輪超轉(zhuǎn)保護(hù)停車系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)有效地保證動力渦輪的結(jié)構(gòu)完整性，保障發(fā)動機(jī)和飛機(jī)的安全。

為了驗(yàn)證以及準(zhǔn)確地測出數(shù)控系統(tǒng)超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)的響應(yīng)時間，特地在地面試驗(yàn)車臺專門進(jìn)行了動力渦輪超轉(zhuǎn)試驗(yàn)。為此本文設(shè)計了測試方案，對數(shù)控系統(tǒng)超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)的響應(yīng)時間進(jìn)行了測試。

1　測試方案設(shè)計

1.1數(shù)控系統(tǒng)超轉(zhuǎn)保護(hù)功能

發(fā)動機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)主要由電子控制器、控制軟件、泵調(diào)節(jié)器、超轉(zhuǎn)放油閥、傳感器和電器系統(tǒng)等組成。電子控制器結(jié)合控制軟件通過采集和接收來自發(fā)動機(jī)和飛機(jī)的各類模擬量、開關(guān)量、頻率量等信號，分析、處理數(shù)據(jù)，控制發(fā)動狀態(tài)，確保安全。圖1為數(shù)控系統(tǒng)超轉(zhuǎn)保護(hù)示意圖，動力渦輪超轉(zhuǎn)保護(hù)裝置安裝在電子控制器內(nèi)，當(dāng) 動力渦輪轉(zhuǎn)速Np1、Np2超過保護(hù)轉(zhuǎn)速時，準(zhǔn)確判斷，并精確動作，通過超轉(zhuǎn)放油閥切斷向發(fā)動機(jī)的供油。

圖1　數(shù)控系統(tǒng)超轉(zhuǎn)保護(hù)示意圖

評估數(shù)控系統(tǒng)超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)的響應(yīng)時間T，主要包括以下三個方面，數(shù)控系統(tǒng)超轉(zhuǎn)確認(rèn)給出信號時間T1、停車電磁閥響應(yīng)時間T2、停車電磁閥發(fā)出停車指令到泵調(diào)節(jié)器出口燃油壓力降至最小值的時間T3，時間示意見圖2。

圖2　數(shù)控超轉(zhuǎn)保護(hù)停車時序示意圖

1.2測試方案設(shè)計

為了準(zhǔn)確測出數(shù)控系統(tǒng)超轉(zhuǎn)保護(hù)的響應(yīng)時間，需要測量以下幾個主要參數(shù)：動力渦輪轉(zhuǎn)速Np1 、動力渦輪轉(zhuǎn)速Np2、數(shù)控系統(tǒng)放油電磁閥電壓信號U，泵后燃油壓力Pf。動力渦輪轉(zhuǎn)速傳感器是磁電式，發(fā)動機(jī)動力渦輪軸上有四個音輪，發(fā)動機(jī)動力渦輪每轉(zhuǎn)一圈，轉(zhuǎn)速傳感器輸出四個脈沖信號。發(fā)動機(jī)動力渦輪100%轉(zhuǎn)速為20900r/min（轉(zhuǎn)/分鐘），頻率為343.3Hz，每轉(zhuǎn)一圈的時間為2.87ms。實(shí)際轉(zhuǎn)速傳感器輸出信號的頻率是動力渦輪轉(zhuǎn)速的四倍，即1393.3Hz，時間為0.718ms。

一般常規(guī)的測試方案，記錄儀采樣率為1kHz/CH，動力渦輪轉(zhuǎn)速Np用頻率模塊或經(jīng)轉(zhuǎn)速表的F/V輸出，進(jìn)入記錄儀。圖3為轉(zhuǎn)速表和頻率模塊F/V轉(zhuǎn)換時間圖，從圖3可以清晰地看到，頻率模塊F/V（N2）轉(zhuǎn)換時間為4.7ms，轉(zhuǎn)速表F/V（N1）轉(zhuǎn)換時間就有7.1ms，由此可見常規(guī)測試方案無法準(zhǔn)確測出超轉(zhuǎn)保護(hù)的響應(yīng)時間。

為了滿足試驗(yàn)需求，主要設(shè)備采用高速數(shù)據(jù)記錄儀的測量方案，記錄儀各通道同步采集，動力渦輪轉(zhuǎn)速傳感器原始信號直接從進(jìn)入記錄儀。記錄儀采樣率為200kHz/CH，即每5us 采集一次，這樣可提高測量精度，準(zhǔn)確測出超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)的響應(yīng)時間。

1.3測試系統(tǒng)組成

測試系統(tǒng)由高速數(shù)據(jù)記錄儀、傳感器、計算機(jī)組成，如圖4。

圖4　測試系統(tǒng)框圖

2　試驗(yàn)結(jié)果

2.1試驗(yàn)步驟

將數(shù)控系統(tǒng)Np超轉(zhuǎn)保護(hù)值設(shè)為24035 r/min （115%），然后按以下步驟試驗(yàn)：

（1）數(shù)控系統(tǒng)采用動力渦輪轉(zhuǎn)速（Np）開環(huán)控制模式（Np由水力測功器控制）；

（2）緩慢提高燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速Ng和動力渦輪轉(zhuǎn)速Np，直到發(fā)動機(jī)穩(wěn)定在下列狀態(tài)；Ng轉(zhuǎn)速41000 r/min；Np轉(zhuǎn)速20900r/min；

（3）手動調(diào)節(jié)水力測功器轉(zhuǎn)速，緩慢提高動力渦輪轉(zhuǎn)速至115%，數(shù)控系統(tǒng)超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)將自動控制發(fā)動機(jī)停車。

2.2試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)過程全程記錄，試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析。由于Np1和Np2的兩個轉(zhuǎn)速傳感器對應(yīng)發(fā)動機(jī)同一根軸以及四個音輪，因此Np1和Np2信號頻率是一致的，處理分析其中一個即可。圖5是動力渦輪超轉(zhuǎn)保護(hù)曲線，從圖5可以看出U（停車電磁閥端電壓）在相對時間66.65ms時上升，此時數(shù)控系統(tǒng)給出了超轉(zhuǎn)保護(hù)指令，隨之停車電磁閥動作、切油，其響應(yīng)時間T2是0.65ms（67.3ms-66.65ms），在相對時間88.92ms 時泵后燃油壓力降至零，T3為21.62ms（88.92ms-67.3ms）。圖6、圖7是截取超轉(zhuǎn)保護(hù)動作前100ms的數(shù)據(jù)，進(jìn)行放大、定量分析，準(zhǔn)確獲取超轉(zhuǎn)到電磁閥動作的時間。

圖5　動力渦輪超轉(zhuǎn)保護(hù)曲線

從圖5、圖6、圖7可以看出，動力渦輪轉(zhuǎn)速達(dá)到24035r/ min（115%轉(zhuǎn)速）后，數(shù)控系統(tǒng)準(zhǔn)確發(fā)出了保護(hù)指令。

由圖可見，停車電磁閥在相對時間66.65ms 時打開，T1時間為31.59ms。數(shù)控系統(tǒng)超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)的響應(yīng)時間T等于T1（31.59ms）、T2（0.65ms）、T3（21.62ms）的總和，為53.86ms。

圖6

圖3　轉(zhuǎn)速表和頻率模塊F/V轉(zhuǎn)換時間圖

圖7

3　結(jié)論

本文采取的測試方案能準(zhǔn)確測出數(shù)控系統(tǒng)超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)的響應(yīng)時間，為評估在動力渦輪失去載荷或軸失效時，數(shù)控系統(tǒng)的獨(dú)立動力渦輪超轉(zhuǎn)保護(hù)停車系統(tǒng)是否可以保證動力渦輪的結(jié)構(gòu)完整性提供了保障。

［1］饒華主編.航空發(fā)動機(jī)全權(quán)限數(shù)字電子控制系統(tǒng) 航空工業(yè)出版社出版，2014，6.

［2］陳蕙棠主編.動態(tài)參數(shù)測量 航空工業(yè)第六零八所出版，1992，10.

［3］樊思齊主編.航空發(fā)動機(jī)控制 西北工業(yè)大學(xué)出版，2008，6.

［4］張寶誠主編.航空發(fā)動機(jī)試驗(yàn)和測試技術(shù) 北京航空航天大學(xué)出版，2005，3.

［5］樊尚春 呂俊芳 張慶榮 閆蓓主編.航空發(fā)動機(jī)試驗(yàn)和測試技術(shù) 北京航空航天大學(xué)出版，2005，7.

Response Time Test for Overspeed Protection in the Power turbine of a Turbo Shaft Engine

Zhang Tangwei
（AVIC Aviation Powerplant Research Institute， Zhuzhou，China ，412002）

A test scenario of the overspeed response time in a numerical overload protection control system has been designed to help verify if the system can ensure the structural integrity of the independent power turbine in a turbo shaft engine， when it lost the load or its shaft was failed. The results show that the response time of the system was caught by the scenario accurately which can be used to provide an important means to assess the performance of a numerical overload protection control system in an independent power turbine.

turbo shaft engine；overspeed；response time