陳 偉 羅宿明 華繼偉 單曉明 華稱祥

（中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南株洲 412000）

0 引言

航空發(fā)動機在研制、批產(chǎn)、使用全過程中，試驗是一個至關重要的環(huán)節(jié)，大多數(shù)的技術質量問題可以在這個環(huán)節(jié)暴露。一方面，必須按照相應規(guī)范和要求，開展大量考核性驗證和試驗，滿足產(chǎn)品安全性、可靠性和使用壽命的要求；另一方面，由于實際工作的復雜性、使用狀態(tài)的差異性、客觀現(xiàn)實的不適應性等原因，目前還不能完全通過數(shù)值仿真和分析預測解決發(fā)動機全包線范圍內的所有問題。因此，在航空發(fā)動機技術發(fā)展過程中，試驗及測試貫穿研制過程和技術發(fā)展的各個環(huán)節(jié)，且占比依然很大[1]。有效的試驗數(shù)據(jù)可以修正和完善航空發(fā)動機設計理論和數(shù)值仿真計算模型，不斷推動航空發(fā)動機設計技術的創(chuàng)新發(fā)展[2-3]。

某型渦軸發(fā)動機是中法雙方以“風險共擔、對等合作”方式聯(lián)合研制的具有第四代技術特征的先進民用渦軸發(fā)動機，首裝7 噸級民用直升機。該型渦軸發(fā)動機在適航取證階段，需要驗證發(fā)動機投入使用后，在3000 小時的翻修間隔期（TBO）內能正常工作，研制團隊通過采用加速任務試驗的方式進行驗證，但該加速任務試驗譜復雜、試驗時間長。綜合考慮后，研制團隊最終確定利用智能化試車系統(tǒng)開展試驗[4]。在應用智能化試車系統(tǒng)開展試驗的過程中，出現(xiàn)了“動力渦輪轉速超調過大”“動力渦輪轉速無法保持穩(wěn)定”等問題，本文針對出現(xiàn)的問題，通過對發(fā)動機特性、智能化試車系統(tǒng)控制邏輯、發(fā)動機試車臺特性等進行分析研究，分析問題產(chǎn)生的原因，并提出經(jīng)調試試驗驗證有效的解決措施，對智能化試車系統(tǒng)的適用性進行有效完善，保證適航取證加速任務試驗的順利完成。

1 智能化試車系統(tǒng)

智能化試車系統(tǒng)是基于某型發(fā)動機加速任務試驗項目需求進行開發(fā)的，智能化試車可根據(jù)預先編制的試驗譜進行智能化試車，可根據(jù)設定實現(xiàn)快速加減速，具備手動試車模式和自動試車模式切換能力，有效地減少工作人員的誤操作率和工作量，并具有可靠、完善的保護功能。試驗過程中，智能化試車系統(tǒng)通過調節(jié)水力測功器負載、發(fā)電功率、引氣量等方式滿足試驗譜對各項參數(shù)指標的要求[5]。

智能化試車系統(tǒng)獨立于試車臺常規(guī)測試系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)之外，即在未接入試車臺時，車臺能完成既有的手動試車功能。在接入試車臺后，只需完成通信和硬線接口對接以及發(fā)動機特性參數(shù)的設置，即能實現(xiàn)對發(fā)動機試車過程的智能化控制[6]。

智能化試車系統(tǒng)不直接采集數(shù)據(jù)和控制設備，而是通過高速以太網(wǎng)通信和硬線信號實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。在正常使用中，通過與測試系統(tǒng)通信獲得發(fā)動機試驗參數(shù)后，智能化試車系統(tǒng)根據(jù)試驗譜設置的目標，計算得到試車臺油門桿信號、引氣閥開度等設備控制的目標值，并將指令發(fā)送給電氣系統(tǒng)執(zhí)行。自動試車的過程中，如果發(fā)生超限報警等情況，可按試驗大綱要求實施保護動作[7]。

智能化試車系統(tǒng)程序主要包括PLC（可編程邏輯控制器）程序和上位機程序兩個部分。PLC 程序完成對發(fā)動機、測功器以及車臺設備等的自動控制和保護；上位機程序完成自動試車的相關設置、試驗進度統(tǒng)計、試驗數(shù)據(jù)通信和實時監(jiān)控等功能。為確保發(fā)動機安全，智能化試車系統(tǒng)具有超溫、超轉、振動大、喘振等緊急停車保護的功能，試車臺控制原理圖如圖1 所示；具有報警后自動下拉發(fā)動機到慢車且1 分鐘后自動停車的功能；具有實時監(jiān)視轉速、溫度、滑油壓力等參數(shù)，并做出提醒的功能；操作員手動油門桿優(yōu)先；手動緊急停車優(yōu)先；全方位確保發(fā)動機安全。

圖1 試車臺控制原理圖

加速任務試驗過程中，發(fā)動機采用動力渦輪轉速控制模式（Np 控制模式），即通過改變水力測功器負載控制發(fā)動機轉速、溫度等，根據(jù)加速任務試驗大綱要求，試驗譜以燃氣發(fā)生器轉速（Ng）和燃氣渦輪出口處燃氣溫度計算值（T45REF）為考核指標，需兩項指標分別或同時達到目標值。

智能化試車系統(tǒng)對發(fā)動機動力渦輪轉速（Np）的控制邏輯：智能化試車系統(tǒng)根據(jù)預先編輯的試驗譜，讀取動力渦輪轉速目標值，然后轉換成電位信號（油門桿角度XPC）。一方面，XPC 信號傳遞至車臺水力測功器，水力測功器通過調節(jié)進出水閥門開度改變水力測功器負載；另一方面，XPC 信號傳遞至發(fā)動機電子控制器（EECU），EECU 通過控制發(fā)動機增減燃油流量（Wf）改變發(fā)動機產(chǎn)生的功率。通過對水力測功器負載和Wf 的調節(jié)控制Np。

在加速任務試驗的準備階段，研制團隊應用智能化試車系統(tǒng)進行了多次調試試車，出現(xiàn)了“動力渦輪轉速超調過大”“動力渦輪轉速無法保持穩(wěn)定”等問題。

2 動力渦輪轉速超調過大

2.1 現(xiàn)象

試驗過程中，智能化試車系統(tǒng)控制發(fā)動機切換狀態(tài)時，Np 會有較大的超調，快速上推油門桿（XPC）后，Np 會短時間增加，然后穩(wěn)定在Np=100%的目標值，經(jīng)查看數(shù)據(jù)，最大超調量為3.8%，狀態(tài)切換時Np 超調曲線圖如圖2 所示。

圖2 狀態(tài)切換時Np超調曲線圖

2.2 原因分析及措施

對當次試驗數(shù)據(jù)進行分析，狀態(tài)切換時Wf、水力測功器負載、Np 的曲線圖如圖3 所示。智能化試車系統(tǒng)開始上推油門后，XPC 信號給出，此時EECU 控制發(fā)動機開始增加Wf，水力測功器增加負載，但水力測功器負載的變化相對于Wf 的增加有延遲（圖3 中的Wf 從724 號計時點開始響應，水力測功器負載從734 號計時點開始響應，考慮到采集頻率為10Hz，所以水力測功器負載開始增加的時間比Wf 開始增加的時間滯后了1 秒），即發(fā)動機Wf 增加1 秒后，水力測功器才開始增加負載，導致水力測功器負載在短時間內小于發(fā)動機保持Np=100%所需的負載，從而動力渦輪轉速超調較大。

圖3 狀態(tài)切換時Wf、水力測功器負載、Np曲線圖

對智能化試車系統(tǒng)的信號傳輸路徑進行分析發(fā)現(xiàn)，XPC 信號分兩路傳輸?shù)紼ECU 和水力測功器。由于EECU有提前增加Wf 的機制，導致XPC 信號傳輸?shù)紼ECU 時，EECU 控制發(fā)動機提前加油，以保證適應水力測功器做出負載變化；而水力測功器則在收到XPC 信號后負載變化響應較慢、跟隨性差，兩種信號路徑造成的Wf 增加與負載變化響應的時間差過大，使開始以后很短的時間內，水力測功器的負載增加值會小于發(fā)動機功率的增加值，造成動力渦輪轉速超調過大。

因此，可以通過調整XPC 與水力測功器的匹配性優(yōu)化水力測功器和發(fā)動機的跟隨性，即使得EECU 根據(jù)XPC 的改變計算的提前量產(chǎn)生的功率變化和水力測功器負載的變化能較好匹配，從而減少Wf 開始增加和水力測功器負載開始變化的時間差。

調整XPC 與水力測功器負載匹配值后，狀態(tài)切換時Wf、水力測功器負載、Np 曲線圖如圖4 所示，當發(fā)動機狀態(tài)從空慢狀態(tài)切換到Ng=97.45%時，XPC 在1 秒內改變，當XPC 變化后，Wf 在0.3 秒后開始變化，水力測功器負載在0.8 秒后開始變化，二者時間差由之前的1 秒降低到0.5 秒，Np 超調量則由之前的3.8%降低到本次的1.38%。經(jīng)試驗驗證，在調整XPC 與水力測功器的匹配性后，Np 超調量明顯降低（降低63.7%），該方式可以有效解決動力渦輪轉速超調過大的問題。

圖4 調整XPC與水力測功器負載匹配值后，狀態(tài)切換時Wf、水力測功器負載、Np曲線圖

3 動力渦輪轉速無法保持穩(wěn)定

3.1 現(xiàn)象

研制團隊利用智能化試車系統(tǒng)，按照加速任務試驗的試驗譜進行調試。按照試驗譜要求，設置Np=104%，Ng從97.80%自動上推至99.48%，狀態(tài)切換時，Np 出現(xiàn)了“下降、上升、保持”的現(xiàn)象，兩次出現(xiàn)此現(xiàn)象后，試車員下拉發(fā)動機至飛行慢車，如圖5 所示。

圖5 Np=104%，Ng從97.80%切換至99.48%時Np無法穩(wěn)定

但是，當設置Np=90%，Ng 從96.94%自動上推至99.34%時，試驗過程中未出現(xiàn)上述Np 不穩(wěn)定的現(xiàn)象，如圖6 所示。

3.2 原因分析及措施

在圖5 中，當智能化試車系統(tǒng)發(fā)出信號使EECU 增加Ng 時，EECU 控制發(fā)動機增加Wf，同時保持Np 不變，此時燃氣渦輪出口處燃氣溫度測量值（T45M）相應增加。當T45M 增加到一定值時，保持該溫度值不再上升，初步判斷此時是因為EECU 控制軟件設置了T45M限制值，導致EECU 控制發(fā)動機快速減小了Wf 的增加率，相應的Ng 增加緩慢。

但由于智能化試車系統(tǒng)的控制邏輯是通過控制試車臺的XPC 角度改變水力測功器負載，進而依靠發(fā)動機的Np 控制模式使發(fā)動機改變Wf，達到改變Ng 的目的。在T45M 達到限制值時，由于Ng 尚未達到目標值Ng=99.48%，此時智能化試車系統(tǒng)會持續(xù)增加XPC 角度，導致水力測功器負載持續(xù)增加，但是發(fā)動機Wf 受限于EECU 控制，增加很少，導致此時發(fā)動機功率的增量無法抵消水力測功器負載的增量，從而動力渦輪轉速持續(xù)減小。

在圖5 中Np 第一次“下降、上升、保持”的過程中，當Np 在不斷降低時，EECU 由于有包含Np 的閉環(huán)控制存在，雖然T45M 有限制，但仍會控制發(fā)動機不斷緩慢地增加Wf，以提升Np 至設定值Np=104%，此時對應的Ng 緩慢上升。從圖5 中可以看出，此次Np“下降、上升”過程中，Ng 最終緩慢增加到Ng=100.27%，高于智能化試車系統(tǒng)的目標值Ng=99.48%，當發(fā)動機Ng 高于目標值Ng=99.48%時，由于智能化試車系統(tǒng)有包含Ng 的閉環(huán)控制存在，系統(tǒng)將控制XPC 下降，以滿足試驗譜的Ng=99.48%的目標值要求。此時，隨著XPC 降低，水力測功器負載對應降低，Np 逐漸上升。在Np 上升到104%前，EECU 仍會一直控制發(fā)動機增加Wf，直到最終Np 上升至104%。

整個Np“下降、上升”過程中，由于T45M 有限制，在兩個閉環(huán)控制過程耦合的情況下，造成了在水力測功器負載增加過程中，發(fā)動機無法明顯增加Wf，導致Np 出現(xiàn)“先降低后上升”的現(xiàn)象。

在圖6 中可以看到，在達到Ng 目標值Ng=99.34%時，T45M 不高，說明在發(fā)動機T45M 達到限制值前，智能化試車系統(tǒng)就已經(jīng)完成了狀態(tài)切換，故未造成Np 轉速不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

根據(jù)上述分析結論，對EECU 中T45M 限制值進行了檢查并修改，在后續(xù)試驗中，未再出現(xiàn)Np 無法保持穩(wěn)定的情況。

4 結論

本文針對某型發(fā)動機在加速任務試驗過程中應用智能化試車系統(tǒng)出現(xiàn)的問題，通過對發(fā)動機特性、智能化試車系統(tǒng)控制邏輯、發(fā)動機試車臺結構及特性等進行分析研究，提出了具體的解決措施，有效解決了動力渦輪轉速超調過大、動力渦輪轉速無法保持穩(wěn)定等問題，完善了該智能化試車系統(tǒng)，進一步提升了該智能化試車系統(tǒng)的適用性，推進了智能化系統(tǒng)的深入應用，促進了該型發(fā)動機加速任務試驗的順利進行。最終，在中國民航局適航審定中心的見證下，利用智能化試車系統(tǒng)圓滿完成了加速任務試驗，試驗控制精度高、試驗質量得到了良好的保證，有效避免了試驗誤操作且大幅減少了試驗工作量。

本文中研究的兩個問題對其他發(fā)動機應用智能化試車系統(tǒng)開展試驗具有一定的借鑒意義。后續(xù)可以繼續(xù)對發(fā)動機本體控制系統(tǒng)和智能化試車系統(tǒng)的匹配開展深入研究，進一步優(yōu)化智能化試車系統(tǒng)本身的控制邏輯、安全保護機制等。