一种基于涡轴发动机试车台的功率测量系统校准技术

刘知理，许明文，赵 平，朱明明

(中国航发湖南动力机械研究所，湖南株洲412002)

1 引言

航空发动机试车台是一个综合的多参数测试系统，其测试数据的真实性和有效性必须依靠校准来保障[1]。目前，地面试车台校准的通用做法是进行交叉校准，即用同一台性能稳定的发动机在基准试车台及待校准试车台之间进行数据传递，达到在规定精度范围内校准试车台的目的[2-3]。

轴功率是涡轴发动机试验的关键参数之一，常通过分别测量发动机的输出轴扭矩与转速然后计算得出，其测量精度是否满足相关质量要求是试车台资质认证的重要判据之一。水力测功器是涡轴发动机试车台上用来吸收并测量发动机功率的常用设备，也是试车台功率测量系统的重要组成部分。上世纪80年代末，我国引进美国高速水力测功器应用于涡轴发动机地面试验时，就将其作为功率吸收装置并承担功率测量任务。为在地面试验模拟发动机装机状态，还经常配备与直升机旋翼惯量矩相当的飞轮作为其模拟装置。一般情况下，水力测功器的测量精度已足够满足发动机试验的要求，但当使用时间过长而使其拉压传感器特性发生变化时，或当加装飞轮时由于无法预知飞轮的功耗，其测量轴功率的精度会有所下降。为此，国外许多发动机试验常常采用额外加装测扭器的方式来精确测量涡轴发动机输出轴扭矩，从而提高轴功率测量的准确性。测扭器的优点是测量精度高，缺点是无法吸收功率而单独使用，同时引入了使传动链复杂化导致轴系振动特性变差的风险，加上高昂的购置成本，阻碍了将其作为广泛使用的试车台常规设备。以往，水力测功器的动态校准只是通过加装测扭器对其进行动态校准，并未对测扭器进行零值动态校准，本世纪初该方法就在某型号的试验中应用过。该方法建立在假定零值动态校准出厂精度长期有效的基础上[3]，然而受使用时效等因素的影响，测扭器运转时的零值会产生漂移甚至超出出厂精度。此时，对水力测功器的动态校准就会因忽略了该漂移量而产生一定的误差。因此，有必要引入测扭器零值动态校准，即发动机运行过程中所有无功率输出的状态下，消除测扭器扭矩测量结果非零的差异。

我国适航相关条例明确规定，承担适航试验的试车台必须满足中国民用航空局(CAAC)质量管控审定要求[4]。在与法国透博梅卡公司进行的某涡轴发动机研制合作项目中，中国航发湖南动力机械研究所承担了加速任务试验等适航取证项目。因此，承担适航取证试验的试车台的首要任务就是进行交叉校准，以取得满足CAAC认可的资质。在试车台资质认证初期，轴功率测量数据较之法方基准试车台测量数据差异超过了允许的范围，如何提高试车台功率测量系统校准精度，从而保证功率测量的准确性，成为一项亟待解决的问题。

针对涡轴发动机试车台功率测量系统，本文提出了一种新的校准方案。该方案通过引入测扭器扭矩零值动态校准对水力测功器进行动态校准，然后采用曲线拟合方法建立水力测功器扭矩校准公式并嵌入到其功率计算程序中，最后通过试验检验水力测功器的功率测量精度，验证校准方案的有效性。

2 校准方案

本文所研究的功率测量系统主要包括水力测功器、测扭器及其辅助设备。水力测功器选用英国Froude公司的HS125型水力测功器，测扭器选用英国Torquemeter公司的E2测扭器，其主要性能参数分别见表1和表2。

表1 HS125水力测功器的主要性能参数Table 1 Main performance parameters of HS125 hydraulic dynamometer

表2 E2测扭器的主要性能参数Table 2 Main performance parameters of E2 torque converter

为确保试验有效性，选取某型性能稳定的一台涡轴发动机作为试验件。试验时，功率传递首先由发动机传至测扭器，再至飞轮，最后传递至水力测功器并将功率吸收，整体布局如图1所示。

校准中，首先分别进行水力测功器及测扭器的静态校准。即发动机未运转时，采用添加标准砝码的方式，将添加载荷的扭矩测量结果与相应载荷下的标准结果进行对比[5]。水力测功器静态校准安装如图2所示，测扭器的静态校准原理与水力测功器的静态校准原理相同，两者静态校准连接图分别如图3、图4所示。

对于水力测功器，由于标准砝码作为负载和发动机实际运行过程中负载加载方式之间的固有差异以及飞轮运转产生的功耗，需在静态校准之后进行动态校准。即发动机运行过程中利用测扭器的扭矩测量结果对测功器的扭矩测量结果进行校准，消除飞轮及其他因素产生损耗所造成的两者扭矩测量值之间的差异。水力测功器的动态校准过程中，首先获取其扭矩测量值与测扭器的扭矩测量值，然后对测量结果进行分析处理，并通过曲线拟合得出扭矩校准公式，最后将扭矩校准公式嵌入到其功率计算程序中并对校准结果进行试验验证。

而对于作为水力测功器动态校准基准的测扭器，由于缺乏某种更高精度的扭矩测量方式作为衡量，因此无法进行动态校准。其在出厂时进行了静态校准及零值动态校准，但由于试验经验的欠缺，以及受进口设备返厂校检费用高昂和周期漫长等因素制约，未能进行试验现场零值动态校准。以往测扭器校准时只进行静态校准，但实际应用中其运转时的零值会产生漂移甚至超过出厂精度，可能会导致试验中的扭矩测量精度下降甚至失真，因此有必要引入测扭器零值动态校准。测扭器零值动态校准的具体方法为：脱开发动机负载(水力测功器)，用发动机直接带转测扭器，测得输出轴转速在地面慢车状态(74%动力涡轮转速)和空中慢车状态(100%动力涡轮转速)时的测扭器扭矩相位零值(ZTD)，将相应的ZTD值分别初始化设定到测扭器控制盒的相应转速下，即可保证测扭器在无负载情况各转速下所测扭矩为零值。

综上所述，本文功率测量系统校准方案首先分别进行水力测功器、测扭器静态校准；然后进行测扭器零值动态校准；再采用零值动态校准之后的测扭器对水力测功器进行动态校准，获取水力测功器扭矩校准公式并嵌入其功率计算程序中；最后，对水力测功器的功率测量精度进行检验，进而验证本文校准方案的可靠性。

3 校准结果

3.1 水力测功器和测扭器静态校准结果

按照上述校准步骤，得到水力测功器和测扭器静态校准结果，分别如表3、表4所示。

表3 水力测功器静态校准结果Table 3 Static calibration results for hydraulic dynamometer

对比水力测功器和测扭器静态校准的满量程误差与表1、表2中的静态校准精度性能参数可见，本文水力测功器和测扭器静态校准结果均满足要求。

3.2 测扭器零值动态校准

脱开水力测功器，进行发动机空中慢车状态的测扭器零值检查试验。为检验试验结果的可重复性，共进行了4次试验，试验获得的输出轴转速在地面慢车状态(74.0%动力涡轮转速)和空中慢车(100.0%动力涡轮转速)时的测扭器扭矩相位零值如表5所示。从表中可看出，试验可重复性较高，且发动机在地面慢车和空中慢车的ZTD值偏差较小。测得的测扭器扭矩在地面慢车和空中慢车状态的结果均约为2.5 N·m，对应于满量程相对值为0.18%，超出了表2中的测扭器零点漂移允许值。

表4 测扭器静态校准结果Table 4 Static calibration results for torquemeter

表5 测扭器零值动态校准扭矩相位零值Table 5 ZTD value of zero dynamic calibration for torquemeter

取第4次试验所得ZTD值分别初始化设定到测扭器控制盒的相应转速下，即可保证测扭器在发动机无功率输出时输出轴各转速下的测扭器测量扭矩值为零。至此，完成了测扭器的零值动态校准。

3.3 水力测功器动态校准

在测扭器零值动态校准基础上，利用测扭器进行水力测功器动态校准，以获取水力测功器扭矩校准公式。水力测功器动态校准中，扭矩和功率测量结果分别见表6、表7。表中，N1r为发动机燃气发生器相对转速，N2r为动力涡轮相对转速，Tdn为水力测功器测量扭矩，T为测扭器测量扭矩，ΔT为水力测功器测量扭矩较测扭器测量扭矩的差值，Pst为基准试车台功率相对计算值，Pdn为水力测功器功率相对计算值，P为测扭器功率相对计算值，ΔPdn为水力测功器功率相对计算值较基准试车台功率相对计算值差值，ΔP为测扭器功率相对计算值较基准试车台功率相对计算值之差。由表6可见，发动机同一状态下水力测功器测量扭矩值相比测扭器测量值小，这主要是由于功率传递中飞轮产生损耗所致。由表7可见，测扭器的功率相对计算值与基准试车台功率相对计算值的最大绝对差值为0.007，符合型号规定的交叉校准允许范围(±0.008)；而水力测功器功率相对计算值较基准试车台功率相对计算值绝对差值较大(最小绝对差值为0.017)，远远超出了型号规定的交叉校准允许范围。

表6 水力测功器动态校准试验扭矩测量值Table 6 Torque measurements results of hydraulic dynamometer dynamic calibration test

表7 水力测功器动态校准试验功率相对计算值Table 7 Relative calculation results of hydraulic dynamometer dynamic calibration test

3.4 水力测功器扭矩校准公式

根据表6中扭矩测量结果，建立以水力测功器扭矩测量值为自变量、测扭器扭矩测量值为因变量的二次曲线拟合关系式，即为测功器扭矩校准公式。拟合曲线如图5所示，扭矩校准公式为：

3.5 试验验证

将水力测功器扭矩校准公式嵌入其功率计算程序，并重复一次与水力测功器动态校准过程相同的试验。表8为验证试验扭矩测量值，可见，在发动机相同状态下，测扭器扭矩测量值与表6中扭矩测量值基本一致，表现出较好的重复性；测扭器扭矩零值动态校准之后，水力测功器扭矩测量值与测扭器扭矩测量值基本一致(最大绝对差值仅1.46 N·m)，表明了本文水力测功器扭矩校准公式的可靠性。

表9为验证试验功率相对计算值。从表中可看出，水力测功器功率相对计算值较基准试车台功率相对计算值差值明显减小(最大绝对差值为0.007)，验证了本文校准方案的可行性与准确性。

表8 验证试验扭矩测量值Table 8 Torque measurement results of verification test

表9 验证试验功率相对计算值Table 9 Relative calculation results of verification test

4 结束语

针对涡轴发动机试车台功率测量系统，本文提出了一种新的动态校准方案。该方案首次开展了测扭器零值动态校准工作，突破了以往测扭器校准停留在静态校准的做法。在此基础上对水力测功器进行动态校准，采用曲线拟合方法建立水力测功器扭矩校准公式并嵌入到其功率计算程序中，并对水力测功器测量精度进行了试验验证。水力测功器在发动机相同设计转速下与基准试车台的功率测量绝对差值由最小0.017降至0.008以内，表明本文校准方案切实有效，能有效提高轴功率测量精度。