涡轴发动机控制系统动力涡轮超转保护功能试验方案研究

刘明春+岳洋+李华乔

摘 要：文章以某涡轴发动机为研究对象，对其控制系统超转保护功能试验方案展开研究。提出一种有别于传统丢失负载方法，并且使涡轴发动机动力涡轮发生真实超转的方案，即断开负载杆给电子控制器的负载前馈信号，快速下拉负载杆使得动力涡轮转速快速上升的方法实现动力涡轮超转。并且在不同状态进行了超转保护功能试验验证，为该发动机的定型提供了依据。

关键词：涡轴发动机；试验方案；控制系统；超转保护功能

中图分类号：V233 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）31-0078-02

涡轴发动机作为直升机的动力装置，通过动力涡轮轴、动力传动轴、主减速器内的离合器、减速齿轮将动力传给旋翼，传动轴系复杂，任何一个环节出现故障都可能导致发动机动力涡轮出现异常，导致动力涡轮转速瞬间急剧上升，此时发动机控制系统必须及时触发动机动力涡轮超转保护功能以防止动力涡轮超转破裂，避免发生飞行安全事故。因此涡轴发动机需要在动力涡轮发生真实超转的情况下验证其控制系统动力涡轮超转保护功能是否满足设计要求[1-3]。

本文针对某涡轴发动机开展控制系统动力涡轮超转保护功能试验方法研究。提出一种有别于传统丢失负载方法，并且使涡轴发动机动力涡轮发生真实超转的方案。

1 问题分析及方案设计

现在大多数涡轴发动机控制系统是数字电子式，数字电子式发动机控制系统一般要求具有独立的低压转子转速超转保护装置。独立超转保护装置一般采用双通道结构，每个通道具有相同的硬件，输入输出信号也一样。独立超转保护装置主要由CPU系统电路、信号调理电路、输出控制电路及电源电路组成。

涡轴发动机一般采用直接切断发动机和功率吸收装置之间的传动轴的方式，使发动机的动力涡轮达到发生真实超转的目的，从而考核动力涡轮超转保护系统的功能。由于切削时传动轴的转速很高，切断后摆动很大，会损坏发动机输出轴组件和测功器，并且在断轴后，动力涡轮失去负载，其转速无法得到有效控制，试验风险比较大。

典型的涡轴发动机控制规律为，通过调节燃油流量，保持动力涡轮转速np为常数。在地面台架试验时，由控制系统控制发动机的燃油量以及测功器控制负载两方面来保持np为常数。在发动机进行减速试验时，负载杆快速下拉，测功器卸载，控制系统控制发动机减油，但是二者之间的时间差会引起动力涡轮转速np超调。基于上述原因，负载杆会给电子控制器负载前馈信号，来减小np超调。如果可以利用np超调，将会得到动力涡轮的真实超转。综上，在满足试验目的的前提下，结合试验成本和试验风险，本文提出另外一种使涡轴发动机动力涡轮真实超转方法的探索。

2 试验方法

试验采用了断开负载杆给电子控制器的负载前馈信号（即“水门开度信号”/负载杆“CLP信号”），在发动机Tt45=T1，T2，T3状态下（T1

试验步骤如下：

（1）起动发动机到ng=87%，进行控制系统超转保护功能检查试验。

（2）上推发动机状态至Tt45为T1，稳定运行3min。

（3）0.5s内下拉负载杆减速到空慢状态。

（4）上推发动机状态至Tt45为T2，稳定运行3min。

（5）0.5s内下拉负载杆减速到空慢状态。

（6）上推发动机状态至Tt45为T3，稳定运行3min。

（7）0.5s内下拉负载杆减速到空慢状态。

3 试验结果及分析

上推发动机状态至Tt45=T1，0.5s内下拉负载杆到空慢，数控系统监控数据如图1所示。由图可见np上升速率逐渐降低，该次减速过程中np最大值为115.175%，靠近但并未达到控制器设置的超转保护值116%，并未达到超转保护的阈值，并未发生真实的超转保护。

上推发动机状态至Tt45=T2，下拉负载杆减速到空慢，试验情况如图2所示。图2（a）为车台动态数据曲线，图2（b）为放大了超调部分的曲線。数控测到的np最大超调量115.886%，拉杆后1.2s，np=115.816%时刻超转放油阀接通0.1s。车台数据可见，np转速最大值116.35%时刻切断燃油，持续0.2s。np=115.1%时（小于超转保护值116%）恢复供油。且np逐渐稳定在基准转速，np稳定时间10.6s。np超转保护控制精度为116%±1%，控制精度在此范围内。

上推发动机状态至Tt45=T3，下拉负载杆减速到空慢，试验情况如图3所示。车台动态测量的数据显示，np=116.34%峰值时刻，燃油切断，断油时间持续0.17s。np=115.1%时（小于超转保护值116%）恢复供油。且np逐渐稳定在基准转速110%，np稳定时间11.4s。

由表1可知，发生超转时刻np最大值npmax的值，车台测试数据比数控系统测试数据值高约0.46%-0.53%（96-108rpm） ，由于数控系统的采样周期为0.1s，低于车台的采样周期0.001s，所以车台测到的峰值时刻值要稍大一些；np的最小值npmin值同理。

在发动机状态T2减速到空慢时，数控系统参数显示，在np达到最大转速值前0.1s-0.2s时刻，超转电磁阀接通。车台测试的动态数据显示，在np到达峰值时刻，切断燃油，切断时间持续0.2s。超转保护功能正常，超转保护精度满足超转保护值116%±1%的要求。

在发动机状态T3减速到空慢时，数控系统参数界面超转电磁阀接通指示没有亮，主要是因为电子控制器的采集周期100ms，由于断油时间太短数控系统并未显示出该信号。由动态测试数据可知，实际发生断油的时间为170ms，实际上发生了超转保护，超转放油阀的超转保护功能正常且满足要求。

4 结束语

（1）本文得到的改进方案可使涡轴发动机动力涡轮真实超转，并使试验风险和试验成本得到了有效的降低。

（2）使用断开负载前馈信号，快速下拉负载杆的方法成功的完成了某涡轴发动机控制系统动力涡轮超转保护试验，为该型发动机的定型提供了依据。

（3）负载杆下拉前的燃气涡轮转速越高，Tt45越高，负载杆下拉后动力涡轮转速超调越大，越容易实现超转，np超调后到恢复平稳所需要的时间越长。

参考文献：

[1]廉筱纯，吴虎.航空发动机原理[M].西北工业大学出版社，2005.

[2]张宝诚.航空发动机试验和测试技术[M].北京航空航天大学出版社，2005.

[3]陈益林.航空发动机试车工艺[M].北京航空航天大学出版社，2010.