航空渦扇發(fā)動機振動監(jiān)測驗證設(shè)計

章 弘

航空渦扇發(fā)動機振動監(jiān)測驗證設(shè)計

章 弘

本文介紹了某型航空民用渦扇發(fā)動機振動監(jiān)測單元驗證試驗設(shè)計思路，試驗實踐；并對試驗后的數(shù)據(jù)進行了分析比較，試驗表明該振動監(jiān)測單元能夠準(zhǔn)確地對發(fā)動機振動進行監(jiān)測。

某型航空民用渦扇發(fā)動機的發(fā)動機振動監(jiān)測和顯示系統(tǒng)如圖1所示。這個系統(tǒng)用來監(jiān)測飛機在地面試車和飛行過程中，發(fā)動機的振動情況并實時在駕駛艙顯示，供飛行員讀取。來自于發(fā)動機一號軸承加速度計信號ACC1，發(fā)動機風(fēng)扇框架加速度計信號ACC2，發(fā)動機低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N1和高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N2輸送給發(fā)動機振動監(jiān)測單元（Engine Vibration Monitoring Unit，簡稱EVMU），EVMU對這四個信號進行處理，得出發(fā)動機的轉(zhuǎn)子振動的幅值和相位信息，并把振動的信息傳給飛機的航電系統(tǒng)（航電總線是ARINC總線），航電系統(tǒng)再傳給發(fā)動機的控制器，發(fā)動機的控制器把振動的幅值轉(zhuǎn)化為無量綱的振動量，最后再由發(fā)動機電子控制器通過航電總線傳到駕駛艙顯示系統(tǒng)顯示。

根據(jù)中國民航總局的運輸類飛機適航標(biāo)準(zhǔn)CCAR-25，在飛機投入商業(yè)運營前，要通過試飛來驗證該監(jiān)測和顯示系統(tǒng)能否準(zhǔn)確地監(jiān)測和顯示發(fā)動機的振動情況。該發(fā)動機振動監(jiān)測和顯示系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件是發(fā)動機振動監(jiān)測單元EVMU，它負(fù)責(zé)對來自發(fā)動機的信號進行分析和處理。該部件的供應(yīng)商在交付該產(chǎn)品前，在自己的試車臺上對該發(fā)動機振動監(jiān)測單元EVMU做了驗證試驗，但試車臺不是真實的發(fā)動機，只是模擬發(fā)動機的高低壓轉(zhuǎn)子。所以在對整個系統(tǒng)進行試飛驗證試驗之前，有必要把真實發(fā)動機的加速度和轉(zhuǎn)速信號輸入給發(fā)動機振動監(jiān)測單元EVMU，進行驗證試驗，來確定發(fā)動機振動監(jiān)測單元EVMU能否真實地對發(fā)動機的振動情況進行監(jiān)測，這樣也能提高整個發(fā)動機振動監(jiān)測和顯示系統(tǒng)驗證試驗在飛機試飛過程中的效率。

發(fā)動機振動監(jiān)測單元EVMU接口簡介

圖2 顯示了EVMU接口圖，EVMU和外界有兩個接口，一個是后面板連接器，一個是前面板維護口。從發(fā)動機過來的轉(zhuǎn)速，加速度信號，與飛機航電系統(tǒng)的交互信息，EVMU處理后的振動信息，EVMU的供電都在EVMU的后面板連接器上。EVMU的前面板維護口主要用于維護和故障診斷，從EVMU前面板維護口可以得到發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和加速度計模擬信號。

試驗?zāi)繕?biāo)與試驗條件

從試驗?zāi)繕?biāo)來說，主要從以下兩方面來驗證。

驗證EVMU對來自發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和加速度信號采集和處理的正確性。

驗證EVMU前面板維護端口輸出的轉(zhuǎn)速和加速度模擬信號的正確性。

從試驗條件來說，對發(fā)動機振動監(jiān)測單元（EVMU）進行驗證試驗，必備的兩個條件是：1. 要對真實的發(fā)動機進行振動測量。2. 要有另外一套精確的發(fā)動機振動測量系統(tǒng)（簡稱ADS）對發(fā)動機振動監(jiān)測單元EVMU進行驗證。

圖1　發(fā)動機振動監(jiān)測和顯示系統(tǒng)

圖2　EVMU 接口

試驗設(shè)計

試驗?zāi)繕?biāo)和條件都明確了，還要進行具體試驗設(shè)計。

試驗具體任務(wù)如下：

把發(fā)動機的轉(zhuǎn)速信號，加速度計信號同時輸出給ADS和EVMU。把EVMU的ARINC429總線端口輸出的發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號，振動的幅值和相位信號和經(jīng)過ADS采集和處理的測量結(jié)果進行比較，從而判定EVMU轉(zhuǎn)速和振動信號采集和處理的正確性。

把EVMU的前面板端口輸出的轉(zhuǎn)速和加速度計的模擬信號經(jīng)ADS采集和處理后和EVMU的ARINC429總線端口輸出的信號進行比較，從而判定EVMU輸出的轉(zhuǎn)速和加速度模擬信號的正確性。

在真實的發(fā)動機試車臺上，進行驗證試驗，既要考慮要測到盡可能多的數(shù)據(jù)，又要考慮到試驗成本，也就是要在盡可能少的發(fā)動機試車下，完成試驗。 根據(jù)試驗要求，試驗時，需要同時把發(fā)動機的轉(zhuǎn)速信號和加速度信號同時輸出給發(fā)動機振動監(jiān)測單元EVMU和發(fā)動機振動測量系統(tǒng)ADS。發(fā)動機上的轉(zhuǎn)速信號是雙通道輸出的，可以同時輸出給EVMU和ADS，沒有問題。而加速度計信號是單通道的，不能在一次試車時，同時輸出給EVMU和ADS，所以就要進行兩次狀態(tài)相同的發(fā)動機試車，第一次試車把加速度信號輸送給EVMU，第二次試車再把加速度信號輸送給ADS。因為試車時，要在發(fā)動機部件上加配重，使其處于不平衡狀態(tài)，這樣還需要在原有的加速度計附近額外安裝兩個加速度傳感器來監(jiān)測發(fā)動機的安全狀態(tài)。

為了提高效率和盡可能多的采集數(shù)據(jù)，第一次試車時，把發(fā)動機的一號軸承加速度計信號ACC1，發(fā)動機風(fēng)扇框架加速度計信號ACC2，輸給ADS；把另外加裝的兩個加速度傳感器信號輸給EVMU。第二次試車時，把傳給ADS的加速度信號傳給EVMU，把傳給EVMU的加速度信號傳給ADS，就是互換一下加速度信號，這樣既能達到兩次試車，把傳送給EVMU和ADS的信號采集到，又能讓EVMU或ADS監(jiān)測發(fā)動機的安全狀態(tài)。

發(fā)動機第一次試車試驗配置連接原理如圖3所示。發(fā)動機的低壓，高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N1，N2同時輸出給ADS系統(tǒng)和EVMU。發(fā)動機一號軸承加速度計信號 FWD CM和風(fēng)扇框架加速度信號AFT CM輸出給ADS。額外加裝的加速度計Slave ZVB1A和Slave ZR25M信號輸出給EVMU。另外，EVMU前面板的維護口把額外加裝的加速度計信號和高低壓轉(zhuǎn)子信號（模擬量）輸出給ADS。ARINC429總線記錄器從EVMU的總線輸出端口記錄處理后的數(shù)據(jù)。

發(fā)動機第二次試車試驗配置連接原理如圖4所示。發(fā)動機的低壓，高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N1，N2同時輸出給ADS系統(tǒng)和EVMU。發(fā)動機一號軸承加速度計信號 FWD CM和風(fēng)扇框架加速度信號AFT CM輸出給EVMU。額外加裝的加速度計Slave ZVB1A和Slave ZR25M信號輸出給ADS。另外，EVMU前面板的維護口把額外加裝的加速度計信號和高低壓轉(zhuǎn)子信號（模擬量）輸出給ADS。ARINC429總線記錄器從EVMU的總線輸出端口記錄數(shù)據(jù)。

圖3　發(fā)動機第一次試車試驗原理

圖4　發(fā)動機第二次試車試驗原理

圖5　ADS和EVMU記錄的發(fā)動機高低壓轉(zhuǎn)子數(shù)據(jù)比較

圖6　發(fā)動機兩次試車的高低壓轉(zhuǎn)子數(shù)據(jù)比較

兩次試車，發(fā)動機經(jīng)歷的加減速狀態(tài)都保持一致。

試驗數(shù)據(jù)分析

試驗做完之后，對記錄的數(shù)據(jù)進行了分析。

首先對發(fā)動機第一次試車，ADS和EVMU分別記錄的高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)進行了比較，XNLCT1，XNHCT1是ADS記錄的發(fā)動機的低壓和高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。N1_rotorspeed_e1_evmi， n2_rotorspeed_e2_ evmi是EVMU采集到的發(fā)動機的低壓和高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。比較結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，在整個試車期間，EVM處理的N1和ADS采集到的N1曲線重合，基本一致。而對于N2，EVMU處理的結(jié)果和ADS采集到的有微小偏差。所以EVMU對發(fā)動機的低壓和高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速能進行準(zhǔn)確采集。

圖7　低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N1為跟蹤濾波的轉(zhuǎn)速和振動幅值的關(guān)系

圖8　以高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N2為跟蹤濾波的轉(zhuǎn)速和振幅的關(guān)系

圖9　EVMU 處理輸出對比分析（以N1為跟蹤濾波）

圖10　EVMU處理輸出對比分析（以N2為跟蹤濾波）

把發(fā)動機兩次試車的高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相對應(yīng)得進行了比較，如圖6所示。從圖上可以看出在相對應(yīng)的時間段內(nèi)，兩次試車的高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N1，N2基本一致，這表明兩次試車發(fā)動機運行狀態(tài)基本一致，所以兩次試車的數(shù)據(jù)具有可比性。

下面就來著重看一下EVMU對加速度計信號處理是否準(zhǔn)確。把發(fā)動機第一次試車ADS采集處理得到的振動信息和第二次試車EVMU采集處理得到的振動信息進行比較。圖7顯示了以低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N1為跟蹤濾波的轉(zhuǎn)速和振動幅值的關(guān)系。從圖上可以看出EVMU和ADS采集處理的結(jié)果基本相符。圖8顯示了以高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N2為跟蹤濾波的轉(zhuǎn)速和振幅的關(guān)系，從圖上可以看出EVMU和ADS采集處理的結(jié)果基本相符，但從圖上可以看出當(dāng)N2轉(zhuǎn)速達到18000轉(zhuǎn)/min時，EVMU的輸出掉到了零值。從圖7、圖8的分析可以看出，除了當(dāng)N2轉(zhuǎn)速在最大值時，EVMU輸出不正常外，EVMU能對發(fā)動機的振動信號進行正確處理。

對EVMU前面板維護口輸出的模擬信號N1，N2和加速度模擬信號進行分析，并和EVMU采集處理的結(jié)果進行比較。以N1為跟蹤濾波的比較如圖9所示，以N2為跟蹤濾波的比較如圖10所示。從圖9可以看出對N1的振動響應(yīng)，兩者的分析結(jié)果一致。從圖10可以看出對N2的振動響應(yīng)，兩者的分析基本一致，但是當(dāng)N2達到18000轉(zhuǎn)/min時，EVMU的輸出為零，所以可以判斷出是EVMU中的濾波器邏輯設(shè)置有問題。

結(jié)語

從總體試驗數(shù)據(jù)來看，EVMU能對發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和振動信號進行正確采集和處理。把試驗的情況和供應(yīng)商進行了交流，關(guān)于N2達到18000轉(zhuǎn)/min時，EVMU的輸出為零的問題，供應(yīng)商查了EVMU的接口設(shè)計文件，證實EVMU中設(shè)置的N2轉(zhuǎn)速最大值是18000轉(zhuǎn)/ min，所以當(dāng)N2超過18000轉(zhuǎn)時，就跟蹤不上了。 供應(yīng)商要對EVMU的軟件進行升級來解決這個問題。

渦扇發(fā)動機振動監(jiān)測功能對于保證渦扇發(fā)動機健康運行，及時發(fā)現(xiàn)發(fā)動機振動超標(biāo)具有重要意義。渦扇發(fā)動機振動監(jiān)測單元必須經(jīng)過嚴(yán)格試驗驗證和校準(zhǔn)，確保其功能和性能。本文介紹的某型航空民用渦扇發(fā)動機振動監(jiān)測單元驗證試驗方案實現(xiàn)了對振動監(jiān)測單元的準(zhǔn)確驗證，及時發(fā)現(xiàn)了存在的問題，對后續(xù)型號研制具有較強的指導(dǎo)性。

章 弘

上海飛機設(shè)計研究院

章弘（1977-）男，漢族，天津市，上海飛機設(shè)計研究院，高工，研究生（碩士），飛機推進系統(tǒng)和輔助動力裝置系統(tǒng)集成和適航驗證；飛機推進系統(tǒng)和輔助動力裝置控制系統(tǒng)綜合。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.07.009