航空发动机试验过渡态测试系统设计及应用

张塘卫（中国航空动力机械研究所，湖南株洲，412002）



航空发动机试验过渡态测试系统设计及应用

张塘卫
（中国航空动力机械研究所，湖南株洲，412002）

航空发动机试验中过渡态的各项参数，直接反映发动机性能的好坏及其控制系统的优劣，而且过渡态也易发生故障，因此航空发动机试验过渡态测试是一项十分重要的测试内容。发动机过渡态测试是监测、记录测量参数的实时变化，防止突变损坏发动机，为发动机设计研究和各参数的改进匹配提供真实可靠的依据，保证发动机过渡态的安全运行。

航空发动机；过渡态；测试系统

航空发动机的过渡态是指当发动机从一个稳定状态迅速过渡到另一个稳定状态的过程，主要包括启动过程、加速过程、减速过程、接通加力、断开加力、矢量偏转等过程。发动机过渡态的各项参数直接反映发动机性能的好坏，以及发动机控制系统的优劣，而且发动机喘振、熄火等故障多发于过渡态过程中。因此，发动机的过渡态测试是发动机测试中的一项重要工作。

发动机过渡态测试是指在发动机过渡态过程中，对测量参数进行全过程实时跟踪测量。发动机的过渡态测试与稳态参数测试的不同之处是参数测试的动态特性问题，其特点在于用实时高速测量和分析法得到参数的时域特性。首先，是监测发动机过渡态过程的各项参数，并全程记录，重点监测那些能反映发动机安全性能的参数，防止测量参数突变破坏发动机；其次，是测出各参数的实时值及瞬时值，为发动机设计研究和各气动参数的改进匹配提供真实可靠的依据，达到改善发动机性能和优化发动机过渡态控制规律的目的。

图1　过渡态测试系统基本框图

1　过渡态测试系统

过渡态通常测量发动机燃气发生器转速、动力涡轮转速、起动电压、起动电流、发电电压、发电电流、燃油流量、进口静压、压气机出口总压、燃气涡轮出口总温、推力以及油门杆角度等参数。根据发动机型号及地面试验需求，测量上述不同的参数，监测发动机在过渡态中的状况，全程记录跟踪，实时显示各参数的变化曲线。

图1为过渡态测试系统基本框图，由传感器、高速数据采集仪和计算机组成。

1.1高速数据采集仪

过渡态测试系统中，各测量参数通过传感器的测量转换成电压、电流信号，经线路传输进入数据记录仪的输入模块。现代高速数据采集仪主要以计算机为核心，由信号调理电路、采样保持电路（S/H）和模数转换电路（A/D）等部分组成。其中信号调理电路的作用是将传感器输出的微弱信号进行放大、滤波和隔离等相关处理，以便使传感器输出信号与A/D相适配，具有贝塞尔或巴特沃兹特性的滤波器，可以保证对于系统输入信号所需频带的带宽要求。

评价高速数据采集仪的主要技术指标有：采样速率、精度、分辨率、系统共模抑制比和通道串扰抑制比等。其中采样速率是高速动态数据采集系统区别于一般稳态数采系统最关键的一项技术指标，因为动态数据采集时，每个通道是并行采集的，而稳态数采系统则是通过多路转换开关不断在多个通道之间切换进行单点扫面式采集，因而它的采样速率相对来说较低。

现代高速数据采集仪系统集成化程度高，通过使用不同的测量模块可以完成对不同参数的测量。以本单位常用的高速数据采集仪为例说明，该仪器最高采样率可达1MHz，使用方便，模块可根据测量参数种类、数量自由拆装、组合，可实时监控各测试参数，记录原始信号，试验后可离线进行数据处理。常用模块及主要用途见下表：

表1　高速数据采集仪常用模块及其用途

1.2传感器

1.2.1转速传感器

转速传感器主要采用测速电机或磁电式传感器。磁电式转速传感器又称为变磁通式转速传感器。

1.2.2涡轮流量计

涡轮流量计是广泛应用于航空发动机燃油流量测量的一种速度式流量计，具有测量范围宽、灵敏度高和响应快等优点。

1.2.3压力传感器

过渡态的压力测量主要是测量发动机进口静压、压气机出口总压。选用扩散硅差压传感器，具有较高的精度，以及很高的灵敏度，而且频响较高，优于1kHz。

1.2.4热电偶

热电偶将温度转换成电量进行检测，所以对于温度的测量、控制，以及对温度信号的放大、变换等都很方便。另外，热电偶的惰性小，准确度高，测温范围广，能适应各种测量对象的要求。

由于过渡态所测量的燃气涡轮出口温度较高，采用了结构简单、测温范围广、准确度高，并且适合于远距离测量与自动控制的K分度热电偶。

2　过渡态测试系统在发动机试验中的应用

过渡态测试在航空发动机试验中尤为重要，全程跟踪记录发动机状态，所有监测参数实时显示，一旦发现问题，可及时报警，并对数据进行处理、分析，查找故障原因，采取相应措施并解决。

2.1起动过渡态测试

发动机的起动过程较为复杂，带转转速、供油时间、供油量、点火时间以及转速加速率等，控制系统要精确控制，避免出现发动机起动悬挂、起动超温，以及爆燃、起动失速喘振现象。

图2为某型发动机起动曲线，从图2可以清晰看到，某型发动机的整个起动过程。试验操作人员按下起动按钮，控制系统立即接通起动电机，带动发动机运转，当发动机转速达到5500rpm时，打开燃油电磁阀，提供燃油，点火线圈供电，电嘴打火。当转速带转到7500rpm 时，燃烧室混合气达到适当的比例和浓度时，被点着并迅速燃烧，燃气涡轮后温度T4.5快速上升，并对燃气涡轮作功，推动发动机快速转动。当转速Ng达到额定转速的50%时，起动电机脱开，控制系统进入闭环控制，依据转速Ng、温度T4.5等参数的数据，自动调节燃油流量大小，使发动机转速爬升。当Ng

图2　某型发动机起动曲线　

转速达到慢车额定转速时，发动机进入慢车状态，起动成功。

2.2冷运转过渡态测试

航空发动机重新装配上台试验，在点火起动前，都要进行冷运转，以检查发动机各部件是否正常。以某型发动机核心机首次上台冷运转状态监测为例。

当进行第一次冷吹时，起动压缩空气将燃气发生器转速n带转到2800rpm时，突然掉转，降到180rpm。停车后，仔细分析、处理数据，发现交流发电机发电电压Uab、压气机出口总压Pt3和流量管静压Ps1在转速为2800rpm时，都有变化。Uab的频率和幅值，正常情况随核心机转速n的提高而增大，到达一定的转速达到饱和状态，而监测中Uab的频率和幅值开始随核心机转速n转速的提高而增大，在转速为2800rpm左右突然减小，说明核心机有卡滞现象，导致核心机转速突然降低。压气机出口总压Pt3、流量管静压Ps1的变化情况也证实了上述观点。这也排除了转速表、转速传感器以及干扰问题，确认核心机有故障，报告现场指挥和型号总师。下台分解的检查结果证实所得的结论是正确的，从而避免了发动机遭受更大的损害。

2.3加减速过渡态测试

发动机的加减速是衡量发动机性能的一项重要指标。在加减速过程中，全程监测记录各参数的变化，特别密切关注发动机进口静压和压气机出口总压的变化，以防出现失速喘振导致发动机损坏。

以某型发动机加速过程状态监测为例，发动机转速n从35000rpm加速到43500rpm的过渡态中，发动机进口流量管静压Ps1、离心压气机径向扩压器出口静压Ps2.7、压气机出口静压Ps3均出现了两次快速脉动现象，并伴随两声闷响，该现象为发动机喘振的典型特征。将数据处理、分析结果提供给型号设计人员，采取相应的措施，避免发动机出现类似故障。

3　结论

本文所介绍的过渡态测试系统已广泛应用于多种型号发动机的地面整机试验。该系统成功监测了发动机的起动、冷运转和加减速等过渡态试验，测试结果真实可靠，满足中小型航空发动机测试需求。

［1］饶华.航空发动机全权限数字电子控制系统［M］.航空工业出版社出版，2014，6.

［2］陈蕙棠.动态参数测量［M］.航空工业第608研究所，1992.

［3］樊思齐.航空发动机控制［M］.西北工业大学出版，2008.

［4］王魁汉.温度测量实用技术［M］.机械工业大学出版，2007.

T45 58 2℃

Pf0.873MPa

Pt3 285km

Wf 1.88L/min

T=25.1S

Design and Application of the Measurement System for Transition State Experiment of Aero Engine

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

All kinds of parameters in transition state of the aero engine trial reflect the engine capability and the control system directly.And the failures are occurred in the transition state very easy. So transition state testing is a very important item in the aero engine trial.Transition state testing of the aero engine includes monitoring and noting the change of the testing parameter in real time.So that can prevent engine failure because of break. And this can provide basis for the designing and researching of the engine and ameliorating parameters veritably and reliably. So the aero engine can be assure to work safely in transition state.

aero engine；transition state；measurement system