涡轴发动机负载丢失试验方案研究

刘明春 魏秀利

摘要：航空涡轮轴发动机作为直升机动力，通过动力涡轮轴、传动轴、主减速器将动力传给旋翼，传动轴系比较复杂，任何一个环节出现故障都会导致传动链断裂。由于负载突然丢失，发动机动力涡轮转速会瞬间急剧上升，可能导致发动机动力涡轮超转最终造成破坏。本文以某涡轴发动机负载丢失专项试验为研究对象，对负载丢失试验方案展开研究。提出一种有别于传统试验方法的试验方案，通过切断动力传输轴使涡轴发动机在试验过程中实现负载丢失。该方法不仅可用于发动机负载丢失试验，也可应用于发动机超转和机匣包容性试验。

关键词：涡轴发动机；试验方案；负载丢失

作为直升机的动力装置，涡轴发动机通过动力涡轮轴、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。在整个传动链中，任何一个环节出现故障都可能导致发动机出现无法恢复的损伤。为避免动力涡轮转速瞬间急剧上升，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。为实现涡轴发动机真实的负载丢失情况，在试验台需模拟发动机真实负载丢失，以验证发动机超转保护系统是否工作正常。

本文针对某涡轴发动机负载丢失开展研究，拟在发动机运行状态下实现发动机负载丢失目的，以触发发动机控制系统超转保护功能，验证发动机超转控制系统是否工作正常。

一、发动机控制原理及问题分析

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（见图1）尽管与主控部分装在一个机箱内，共同构成电子控制器ECU，但在硬件上相对独立。

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。

涡轴发动机在进行负载丢失试验时，为达到负载丢失目的，以前为降低试验风险一般采用瞬间降低负载的办法来实现。这一方法可初步验证超转保护功能是否正常，但由于转速低于实际超转转速，无法模拟真实超转情况下，超转保护系统的响应速度和控制精度，该方法不用于考核试验。

本文研究的试验方法是采用直接切断发动机和功率吸收装置之间的传动轴（见图2）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，所以试验风险比较大，而且还要破坏一个传动轴，成本也比较高。

二、实施方案

从车台功率吸收装置技术指标来看，如果用发动机直接驱动测功器和飞轮，由于设备转速受限无法达到要求转速。据此我们提出以下两种解决方案。

（一）发动机+减速器+功率吸收装置方案

这种方案是在发动机和功率吸收装置之间增加减速器，使动力涡轮达到叶片脱落转速时测功器或飞轮仍在允许转速范围内，从而达到保护测功器的目的。其优点是发动机动力涡轮转速可控，其缺点是从动力涡轮额定转速（比如20900r/min）上升到叶片脱落转速（比如33231r/min）的时间比较长，在此期间极有可能还未等到动力涡轮叶片脱落发动机就已经出现故障，采用此种方案会降低试验成功率，不建议采用。

（二）发动机+切轴装置+功率吸收装置方案

这种方案是在发动机和功率吸收装置之间增加切轴装置。试验原理是在发动机达到额定状态工作一定时间后，切断发动机和测功器之间的轴系连接，使发动机动力涡轮失去负载而转速上升，直至叶片脱落，从而达到试验目的。这種方案的缺点是切断轴系后发动机动力涡轮转速和燃气涡轮转速都处于失控状态，可能会对发动机造成比较大的损害，其优点是动力涡轮转速上升较快，试验成功的概率比较高。

综上所述，拟采用发动机+切轴装置+功率吸收装置方案进行涡轴发动机动力涡轮叶片脱落试验。

试车台飞轮是模拟直升机传动系统转动惯量的设备，可以减小发动机输出轴的转速波动值，但在超转试验中其没有作用，因此拟拆除车台飞轮，以简化传动轴系，降低试验风险。

试验时在发动机周围安装防护罩，防止叶片对车台设备和试验人员产生伤害。防护罩的两侧和后方装有高速摄像机，记录动力涡轮叶片断裂时机匣的变形过程及尾喷管叶片甩出情况。

试验前数控系统取消全部Np停车保护功能（包括独立超转保护停车和Np传感器故障停车），目的是使Np转速达到叶片断裂转速，对本次试验结果没有影响。发动机的控制模式为开环控制，即功率杆只控制发动机燃油供油量，动力涡轮转速由车台测功器控制。发动机起动后先在较大状态（暂定为起飞状态）工作一段时间，待涡轮机匣温度达到650℃时，断开发动机和测功器之间的输出轴连接，此时输出轴因失去负载而超转，触发发动机超转控制系统。

三、关键设备介绍

（一）切轴装置

切轴装置是本方案的重要设备，其作用是在不破坏发动机动力输出轴的情况下实现发动机负载丢失的功能，使发动机动力涡轮超转进入超转保护状态。本方案所述切断装置主要技术指标如下：额定扭矩：1000Nm；额定转速：10000r/min；输出端飞车转速：≤12000r/min；输入端飞车转速：≤15000r/min；输入端最高转速：15000r/min（30sec）；旋转方向：顺时针（面向输入轴看）；输入和输出轴布置形式：同轴。

切轴装置由底座、前支点、后支点、叠片联轴器、进刀机构、防护罩、润滑油站等设备组成。切轴装置的工作原理（见图3）：前支点和后支点安装在底座上，两个支点之间采用叠片联轴器连接，前支点连接发动机（或电机），后支点连接功率吸收装置。进刀机构沿水平的进刀，切断叠片联轴器中间的铝质间隔套，间隔套切断后由安装在防护罩上的限位环进行半轴的摆动限位，以保护叠片装置、支点轴承以及发动机、功率吸收装置不受损坏。

（二）动力传动轴

目前发动机和测功器之间使用的传动轴形式为，两段花键的刚性浮动轴，长度为650mm，最高转速为12500r/min，在进行切断超转时有可能损坏。进行轴切断超转试验时，建议改用补偿角度较大的膜盘+鼓形齿的传动轴，长度缩减到500mm左右，以保证传动轴、发动机和切轴装置的安全。

（三）高速摄像机

试验所需的高速摄像机借用现有设备。在进行切断试验时分别布置在发动机防护罩的两侧和后方。为了保护摄像机镜头，每个摄像机单独设置防护罩，且摄像机不直接正对发动机，而是在每个摄像机前安装反光镜，摄像机通过反光镜拍摄涡轮机匣的变形和尾喷管叶片飞出情况。

（四）发动机防护罩

防护装置用于试验时保护发动机周围环境，以免发动机二次损伤及参试人员、试验设备受飞射出的发动机转动部件击伤。试验时，用该装置将发动机两侧及顶面整体罩住。防护壁面传统设计为双层钢板夹砂结构，该结构在内壁被击穿时，从夹层流出来的砂尘会撒到发动机表面或随气流被发动机吸入，且不利于重复使用。因此，防护壁面拟采用钢制骨架内覆防弹用复合材料。防护罩在发动机动力涡轮机匣截面处开有摄像孔，通过反光镜使高速摄影机拍摄机匣的变形过程

四、结论

（一）本文研究的试验方案可使涡轴发动机动力涡轮真实超转，并使试验风险有效的降低；较以前常用的快速降低负载实现超转的方案更符合实际情况，能更好验证发动机超转控制系统。

（二）在试验过程中，可能会出现动力涡轮叶片断裂而机匣不能完全包容或轮盘破裂的情况，必须做好车台防护和消防的准备，以降低车台设备损坏的风险

（三）动力涡轮的转速有可能超过切轴装置输入轴和装机用动力输出轴的极限转速（切轴装置输入轴极限转速为15000r/min），导致设备损坏。

参考文献：

[1]廉小纯，吴虎.航空发动机原理.西北工业大学出版社，2006.

[2]张宝诚.航空发动机试验和测试技术.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.北京航空航天大学出版社，2010