某型渦軸發動機動力渦輪超轉保護響應時間測試

張塘衛（中國航空動力機械研究所，湖南株洲，412002）

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某型渦軸發動機動力渦輪超轉保護響應時間測試

張塘衛
（中國航空動力機械研究所，湖南株洲，412002）

為驗證當某型渦軸發動機動力渦輪失去載荷或軸失效時，數控系統能否實現動力渦輪超轉保護停車，保證動力渦輪的結構完整性，本文設計了該數控系統響應時間的測試方案。試驗結果表明，該測試方案能準確測出數控系統的響應時間， 為評估獨立動力渦輪超轉保護停車數控系統的性能提供了重要手段。

渦軸發動機；超轉；響應時間

根據航空發動機適航規定CCAR-33R2第33.28條“發動機控制系統”的要求，在動力渦輪失去載荷或軸失效時，數控系統的獨立動力渦輪超轉保護停車系統應當有效地保證動力渦輪的結構完整性，保障發動機和飛機的安全。

為了驗證以及準確地測出數控系統超轉保護系統的響應時間，特地在地面試驗車臺專門進行了動力渦輪超轉試驗。為此本文設計了測試方案，對數控系統超轉保護系統的響應時間進行了測試。

1　測試方案設計

1.1數控系統超轉保護功能

發動機的數控系統主要由電子控制器、控制軟件、泵調節器、超轉放油閥、傳感器和電器系統等組成。電子控制器結合控制軟件通過采集和接收來自發動機和飛機的各類模擬量、開關量、頻率量等信號，分析、處理數據，控制發動狀態，確保安全。圖1為數控系統超轉保護示意圖，動力渦輪超轉保護裝置安裝在電子控制器內，當 動力渦輪轉速Np1、Np2超過保護轉速時，準確判斷，并精確動作，通過超轉放油閥切斷向發動機的供油。

圖1　數控系統超轉保護示意圖

評估數控系統超轉保護系統的響應時間T，主要包括以下三個方面，數控系統超轉確認給出信號時間T1、停車電磁閥響應時間T2、停車電磁閥發出停車指令到泵調節器出口燃油壓力降至最小值的時間T3，時間示意見圖2。

圖2　數控超轉保護停車時序示意圖

1.2測試方案設計

為了準確測出數控系統超轉保護的響應時間，需要測量以下幾個主要參數：動力渦輪轉速Np1 、動力渦輪轉速Np2、數控系統放油電磁閥電壓信號U，泵后燃油壓力Pf。動力渦輪轉速傳感器是磁電式，發動機動力渦輪軸上有四個音輪，發動機動力渦輪每轉一圈，轉速傳感器輸出四個脈沖信號。發動機動力渦輪100%轉速為20900r/min（轉/分鐘），頻率為343.3Hz，每轉一圈的時間為2.87ms。實際轉速傳感器輸出信號的頻率是動力渦輪轉速的四倍，即1393.3Hz，時間為0.718ms。

一般常規的測試方案，記錄儀采樣率為1kHz/CH，動力渦輪轉速Np用頻率模塊或經轉速表的F/V輸出，進入記錄儀。圖3為轉速表和頻率模塊F/V轉換時間圖，從圖3可以清晰地看到，頻率模塊F/V（N2）轉換時間為4.7ms，轉速表F/V（N1）轉換時間就有7.1ms，由此可見常規測試方案無法準確測出超轉保護的響應時間。

為了滿足試驗需求，主要設備采用高速數據記錄儀的測量方案，記錄儀各通道同步采集，動力渦輪轉速傳感器原始信號直接從進入記錄儀。記錄儀采樣率為200kHz/CH，即每5us 采集一次，這樣可提高測量精度，準確測出超轉保護系統的響應時間。

1.3測試系統組成

測試系統由高速數據記錄儀、傳感器、計算機組成，如圖4。

圖4　測試系統框圖

2　試驗結果

2.1試驗步驟

將數控系統Np超轉保護值設為24035 r/min （115%），然后按以下步驟試驗：

（1）數控系統采用動力渦輪轉速（Np）開環控制模式（Np由水力測功器控制）；

（2）緩慢提高燃氣發生器轉速Ng和動力渦輪轉速Np，直到發動機穩定在下列狀態；Ng轉速41000 r/min；Np轉速20900r/min；

（3）手動調節水力測功器轉速，緩慢提高動力渦輪轉速至115%，數控系統超轉保護系統將自動控制發動機停車。

2.2試驗結果分析

試驗過程全程記錄，試驗結束后進行數據處理、分析。由于Np1和Np2的兩個轉速傳感器對應發動機同一根軸以及四個音輪，因此Np1和Np2信號頻率是一致的，處理分析其中一個即可。圖5是動力渦輪超轉保護曲線，從圖5可以看出U（停車電磁閥端電壓）在相對時間66.65ms時上升，此時數控系統給出了超轉保護指令，隨之停車電磁閥動作、切油，其響應時間T2是0.65ms（67.3ms-66.65ms），在相對時間88.92ms 時泵后燃油壓力降至零，T3為21.62ms（88.92ms-67.3ms）。圖6、圖7是截取超轉保護動作前100ms的數據，進行放大、定量分析，準確獲取超轉到電磁閥動作的時間。

圖5　動力渦輪超轉保護曲線

從圖5、圖6、圖7可以看出，動力渦輪轉速達到24035r/ min（115%轉速）后，數控系統準確發出了保護指令。

由圖可見，停車電磁閥在相對時間66.65ms 時打開，T1時間為31.59ms。數控系統超轉保護系統的響應時間T等于T1（31.59ms）、T2（0.65ms）、T3（21.62ms）的總和，為53.86ms。

圖6

圖3　轉速表和頻率模塊F/V轉換時間圖

圖7

3　結論

本文采取的測試方案能準確測出數控系統超轉保護系統的響應時間，為評估在動力渦輪失去載荷或軸失效時，數控系統的獨立動力渦輪超轉保護停車系統是否可以保證動力渦輪的結構完整性提供了保障。

［1］饒華主編.航空發動機全權限數字電子控制系統 航空工業出版社出版，2014，6.

［2］陳蕙棠主編.動態參數測量 航空工業第六零八所出版，1992，10.

［3］樊思齊主編.航空發動機控制 西北工業大學出版，2008，6.

［4］張寶誠主編.航空發動機試驗和測試技術 北京航空航天大學出版，2005，3.

［5］樊尚春 呂俊芳 張慶榮 閆蓓主編.航空發動機試驗和測試技術 北京航空航天大學出版，2005，7.

Response Time Test for Overspeed Protection in the Power turbine of a Turbo Shaft Engine

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

A test scenario of the overspeed response time in a numerical overload protection control system has been designed to help verify if the system can ensure the structural integrity of the independent power turbine in a turbo shaft engine， when it lost the load or its shaft was failed. The results show that the response time of the system was caught by the scenario accurately which can be used to provide an important means to assess the performance of a numerical overload protection control system in an independent power turbine.

turbo shaft engine；overspeed；response time