涡轴发动机台架刹车起动试验研究

摘要：旋翼刹车起动是涡轴发动机一种特有的起动方式，为减少装机试验风险，需在台架模拟涡轴发动机刹车起动。介绍了涡轴发动机刹车起动原理，给出了在台架条件下模拟涡轴发动机刹车起动试验方法，并证明了试验方法的可行性，试验结果表明：涡轴发动机可以在台架模拟直升机旋翼刹车起动；与正常起动相比，刹车起动可以使动力涡轮转速在起动阶段具有较快的加速度，在较短时间内加速到慢车状态，但直升机传动系统要承受较大负载。

关键词：涡轴发动机刹车起动刹车装置试验方法

中图分类号：V263.3

ResearchonBrakeStartingTestofTurboshaftEngineBench

LIUZhiXIANGLuyuHEWan

HunanPowerMachineryResearchInstitute，AeroEngineCorporationofChina，Zhuzhou，HunanProvince，412002China

Abstract：Rotorbrakestartingisauniquestartingmethodforturboshaftengines.Inordertoreducetheriskofinstallationtesting，itisnecessarytosimulatethebrakestartingofturboshaftenginesonatestbench.Thisarticleintroducestheprincipleofbrakestartingforturboshaftengines，providesasimulationtestmethodforbrakestartingofturboshaftenginesunderbenchconditions，andprovesthefeasibilityofthetestmethod.Thetestresultsshowthatturboshaftenginescansimulatehelicopterrotorbrakestartingonthebench;Comparedwithnormalstarting，brakestartingcanacceleratethepowerturbinespeedtoaslowstateinashortperiodoftimeduringthestartingphase，butthehelicoptertransmissionsystemneedstobearalargerload.

KeyWords：Turboshaftengine;Brakestarting;Brakedevice;Testmethod

涡轴发动机总体结构一般包括附件传动装置、压气机、燃烧室、燃气涡轮以及动力涡轮等部件，通过传动系统驱动直升机旋翼和尾桨。正常情况下发动机起动时，动力涡轮会驱动旋翼一起转动，但在如舰面大风、旋翼折叠等一些特殊情况下，不允许直升机按照正常模式起动，很大程度上影响了部队的作战使用。为满足特定场景下的使用需求，会在旋翼处安装刹车装置，具备特定场景下起动发动机的能力，保障作战使用需求。

针对旋翼刹车的起动特点，涡轴发动机需要具备在动力涡轮制动情况下正常起动的能力，并在台架完成模拟刹车起动试验。从起动过程来看，刹车起动由两个阶段组成。第一阶段，起动前动力涡轮被制动，发动机按照预先设定的指令起动，随后达到慢车状态。第二阶段，松开刹车装置后动力涡轮加速阶段，由于发动机达到慢车状态，解除制动，动力涡轮在高温高压燃气作用下迅速加速到目标转速。相比于正常起动，刹车起动模式下，动力涡轮转速加速更快，到达目标转速的时间更短。

本文介绍了在台架进行涡轴发动机刹车起动的刹车装置、功率吸收装置等试验设备以及试验方案，通过对涡轴发动机起动试验数据进行分析，对比分析了刹车起动与正常起动的两种起动模式之间的差异，总结了涡轴发动机刹车起动的优缺点。

1涡轴发动机刹车起动原理及应用

1.1刹车起动原理

发动机在起动过程中，燃烧室燃烧产生的高温高压燃气一部分会通过燃气涡轮驱动压气机及其相关附件工作，另一部分通过动力涡轮驱动旋翼和尾桨工作。起动成功后，涡轴发动机发出功率与直升机负载之间将达到平衡状态，此时压气机、燃气涡轮和动力涡轮将在慢车状态稳定运转[1]。

根据动力涡轮、传动系统以及直升机旋翼之间通过传动轴和齿轮机械连接的结构特点，可在直升机上设置旋翼刹车装置。发动机起动前，使用刹车装置将旋翼、动力涡轮制动，起动过程中燃气发生器加速，由于刹车装置的制动作用，动力涡轮会保持静止，待起动至设定转速并稳定运转后，解除旋翼处的制动后，旋翼和动力涡轮会在燃气作用下短时间内由静止加速到工作转速，完成刹车起动[2]。

1.2刹车起动在直升机上的应用

由于舰面或高原环境下风力强劲，甚至可以带动旋翼自由转动，此时旋翼以及动力涡轮的旋转方向可能会与涡轴发动机在起动过程中动力涡轮转动方向不一致，导致传动系统负载过大，起动过程中发动机输出功率不足以使旋翼达到目标转速，除此之外，为减轻直升机自身重量，旋翼大多采用复合材料达到减重目的，同时为提升气动力，旋翼直径较大，刚性较差，静止状态或者转速较低时，强风会使桨叶大幅度挥舞，影响装备和人员安全。因此，在旋翼处安装制动装置，在高原或舰面起动时，先将动力涡轮制动，外界强风无法使旋翼自由旋转，起动至慢车状态，稳定后解除制动，旋翼在动力涡轮的带动下短时间内由静止加速到工作转速，大大减少低转速下旋翼桨叶被强风干扰的风险，提高了恶劣环境下的起动成功率[2]。

2试验设备

刹车装置是台架模拟刹车起动的重要设备，由基座、刹车钳和刹车盘等组成，用于在发动机起动时锁住传动轴，待发动机起动完成后，脱开刹车装置，传动轴开始工作。该装置的关键指标是刹车扭矩，刹车扭矩太小，无法在起动时刹住动力涡轮，刹车扭矩太大会增加设备的研制难度，因此确定刹车扭矩是在台架模拟发动机刹车起动的关键因素。由于直升机一般带有旋翼刹车装置，可以根据旋翼刹车装置的最大刹车扭矩给出台架刹车装置的刹车扭矩要求，也可以通过发动机在慢车状态时的空气流量综合评估确定刹车扭矩。

3试验方案

台架试验时，发动机功率输出轴、功率吸收测量装置以及飞轮构成传动链，刹车装置安装在飞轮末端，并在输出轴上安装扭矩传感器测量模拟刹车起动时的发动机输出扭矩。为保证试验安全，需在刹车装置外部安装防护罩，防止试验过程中，发动机所需的刹车力矩过大，导致刹车盘无法被刹车钳抱死，刹车盘破裂损坏，在高速传动链的带动下飞溅出来损坏车台。在完成发动机输出轴­功率吸收装置­刹车装置的传动链安装后，应使用校准设备对整个传动链轴系进行调心校准，保证轴系同心度满足安装要求。具体试验流程如下。

（1）试验前，对刹车装置进行动平衡检查，防止安装后对飞轮转子的不平衡量产生影响[4]，导致试验过程中传动链振动增加，随后按要求安装好刹车装置，安装过程中不允许对传动轴产生过大的轴向或径向力，导致轴系连接处产生不必要的变形，安装完成后进行静态调试，确保试验时可以远程控制刹车装置，远程控制界面应设计防止误操作功能，防止操作人员在正常试验时启动刹车装置。

（2）按相关规范要求检查被试品、测试系统、传动链、功率吸收装置和刹车装置的工作状态。

（3）启动刹车装置，同时起动发动机，发动机控制系统会自动控制燃气发生器到额定转速，起动过程中密切监控发动机测试参数和试验设备振动情况，关注刹车装置工作状态，如有异常应立即停止试验。

（4）松开刹车装置，动力涡轮转速会在燃气作用下快速加速到慢车状态对应的额定转速，并在慢车状态稳定运行，如动力涡轮无法加速到慢车状态或发动机状态监控参数超限，应立即停止试验。

（5）在慢车状态稳定运行一段时间后，正常停止试验。

试验过程中禁止在传动轴旋转时，启动刹车装置

4台架刹车起动分析

4.1燃气发生器起动

燃气发生器起动过程大致可划分为3个阶段：第一阶段，起动机单独带转发动机转子，直至燃烧室点火成功，燃气涡轮开始做功；第二阶段，燃气涡轮做功不足以带动压气机及其附件，起动机仍需输出功率，直至起动机脱开；第三阶段，燃气涡轮带转压气机及其附件加速到慢车阶段[5]。

燃气发生器起动按照控制系统预先设定的程序分阶段起动，前两个阶段，正常起动和刹车起动的控制逻辑及运转方式基本相同，进入第三阶段后，正常起动时慢车状态以恒定的动力涡轮转速作为控制目标，燃气发生器转速与功率吸收装置负载相匹配；刹车起动时，动力涡轮处于静止状态，无法作为控制目标，达到恒定的燃气发生器转速即松开刹车装置，动力涡轮转速加速到目标值。涡轴发动机台架试验时，两种模式下起动过程中燃气发生器转速和发动机输出扭矩如图1、图2所示。

从图1、图2中可以发现，相比于正常起动，第一阶段和第二阶段燃气发生器转速变化无明显差异，但发动机输出扭矩存在明显差异，刹车起动模式下输出扭矩明显高于正常起动模式，即在直升机上进行旋翼刹车起动时，传动系统需承受较大负载，可能对使用寿命造成一定影响。在第三阶段，刹车起动到慢车状态后，发动机在恒定的燃气发生器转速下运转，此时松开刹车装置，控制系统又会将动力涡轮转速作为慢车状态的控制目标，但由于功率吸收装置已处于大负载位置，为保证动力涡轮转速恒定，此时燃气发生器转速会突然上升，增加发动机输出功率，直至燃气发生器转速、发动机输出扭矩与功率吸收装置负载相匹配，而正常起动模式下，燃气发生器转速与功率吸收装置负载则不断实时进行匹配，直至起动到慢车状态。

4.2动力涡轮起动

刹车起动模式下，要求燃气发生器转速起动至目标值后才允许松开刹车装置。刹车起动和正常起动动力涡轮加速性对比如图3所示。可以看出，与正常起动相比，刹车起动具有较快的动力涡轮转速加速度，动力涡轮可以快速加速到目标值，通过计算分析可知，刹车起动模式动力涡轮加速度约为正常起动模式的4倍。

5结论

本文详细介绍了台架刹车起动的试验原理、设备以及方案，并验证了试验方法的可行性；分析比较了涡轴发动机刹车起动与正常起动的试验数据。分析结果表明：（1）可使用刹车装置在台架完成模拟旋翼刹车起动试验，试验结果可以表明涡轴发动机具备刹车起动能力，减少装直升机试验的风险；（2）刹车起动时，功率吸收装置需承受较大负载，对于直升机而言，传动系统需承受比正常起动大几倍的负载，可能影响使用寿命；（3）刹车起动可以使得动力涡轮获得更大的加速度，短时间内快速加速到慢车状态目标值，在强风环境下可以在一定程度下提高起动成功率。

参考文献

[1]张耀峰，张浩.基于能力的涡轴发动机大区间加速性试飞方法研究[J].中国设备工程，2024（9）：262-265.

杨波，樊晓锋.直升机旋翼刹车起动应用浅析[J].科技视界，2021（15）：100-101.

[3]张玉智，吉鹏程，王立国.某型涡轴发动机起动问题浅析[J].航空维修与工程，2021（4）：111-114.

[4] 翟欢乐，黄磊.基于VMD的某涡轴发动机转子振动信号分析[J].机械设计与制造，2024（3）：73-76.

[5]王旺，郭帅平，王平，等.涡轴发动机悬臂型动力涡轮转子定点碰摩仿真[J].湖南科技大学学报（自然科学版），2023，38（4）：66-77.