渦軸發動機負載丟失試驗方案研究

劉明春 魏秀利

摘要：航空渦輪軸發動機作為直升機動力，通過動力渦輪軸、傳動軸、主減速器將動力傳給旋翼，傳動軸系比較復雜，任何一個環節出現故障都會導致傳動鏈斷裂。由于負載突然丟失，發動機動力渦輪轉速會瞬間急劇上升，可能導致發動機動力渦輪超轉最終造成破壞。本文以某渦軸發動機負載丟失專項試驗為研究對象，對負載丟失試驗方案展開研究。提出一種有別于傳統試驗方法的試驗方案，通過切斷動力傳輸軸使渦軸發動機在試驗過程中實現負載丟失。該方法不僅可用于發動機負載丟失試驗，也可應用于發動機超轉和機匣包容性試驗。

關鍵詞：渦軸發動機；試驗方案；負載丟失

作為直升機的動力裝置，渦軸發動機通過動力渦輪軸、動力傳動軸、主減速器內的離合器、減速齒輪將動力傳給旋翼。在整個傳動鏈中，任何一個環節出現故障都可能導致發動機出現無法恢復的損傷。為避免動力渦輪轉速瞬間急劇上升，發動機控制系統必須及時觸發動機動力渦輪超轉保護功能以防止動力渦輪超轉破裂，避免發生飛行安全事故。為實現渦軸發動機真實的負載丟失情況，在試驗臺需模擬發動機真實負載丟失，以驗證發動機超轉保護系統是否工作正常。

本文針對某渦軸發動機負載丟失開展研究，擬在發動機運行狀態下實現發動機負載丟失目的，以觸發發動機控制系統超轉保護功能，驗證發動機超轉控制系統是否工作正常。

一、發動機控制原理及問題分析

現在大多數渦軸發動機控制系統是數字電子式，數字電子式發動機控制系統一般要求具有獨立的低壓轉子轉速超轉保護裝置。獨立超轉保護裝置（見圖1）盡管與主控部分裝在一個機箱內，共同構成電子控制器ECU，但在硬件上相對獨立。

獨立超轉保護裝置一般采用雙通道結構，每個通道具有相同的硬件，輸入輸出信號也一樣。獨立超轉保護裝置主要由CPU系統電路、信號調理電路、輸出控制電路及電源電路組成。

渦軸發動機在進行負載丟失試驗時，為達到負載丟失目的，以前為降低試驗風險一般采用瞬間降低負載的辦法來實現。這一方法可初步驗證超轉保護功能是否正常，但由于轉速低于實際超轉轉速，無法模擬真實超轉情況下，超轉保護系統的響應速度和控制精度，該方法不用于考核試驗。

本文研究的試驗方法是采用直接切斷發動機和功率吸收裝置之間的傳動軸（見圖2）的方式，使發動機的動力渦輪達到發生真實超轉的目的，從而考核動力渦輪超轉保護系統的功能。由于切削時傳動軸的轉速很高，切斷后擺動很大，會損壞發動機輸出軸組件和測功器，并且在斷軸后，動力渦輪失去負載，其轉速無法得到有效控制，所以試驗風險比較大，而且還要破壞一個傳動軸，成本也比較高。

二、實施方案

從車臺功率吸收裝置技術指標來看，如果用發動機直接驅動測功器和飛輪，由于設備轉速受限無法達到要求轉速。據此我們提出以下兩種解決方案。

（一）發動機+減速器+功率吸收裝置方案

這種方案是在發動機和功率吸收裝置之間增加減速器，使動力渦輪達到葉片脫落轉速時測功器或飛輪仍在允許轉速范圍內，從而達到保護測功器的目的。其優點是發動機動力渦輪轉速可控，其缺點是從動力渦輪額定轉速（比如20900r/min）上升到葉片脫落轉速（比如33231r/min）的時間比較長，在此期間極有可能還未等到動力渦輪葉片脫落發動機就已經出現故障，采用此種方案會降低試驗成功率，不建議采用。

（二）發動機+切軸裝置+功率吸收裝置方案

這種方案是在發動機和功率吸收裝置之間增加切軸裝置。試驗原理是在發動機達到額定狀態工作一定時間后，切斷發動機和測功器之間的軸系連接，使發動機動力渦輪失去負載而轉速上升，直至葉片脫落，從而達到試驗目的。這種方案的缺點是切斷軸系后發動機動力渦輪轉速和燃氣渦輪轉速都處于失控狀態，可能會對發動機造成比較大的損害，其優點是動力渦輪轉速上升較快，試驗成功的概率比較高。

綜上所述，擬采用發動機+切軸裝置+功率吸收裝置方案進行渦軸發動機動力渦輪葉片脫落試驗。

試車臺飛輪是模擬直升機傳動系統轉動慣量的設備，可以減小發動機輸出軸的轉速波動值，但在超轉試驗中其沒有作用，因此擬拆除車臺飛輪，以簡化傳動軸系，降低試驗風險。

試驗時在發動機周圍安裝防護罩，防止葉片對車臺設備和試驗人員產生傷害。防護罩的兩側和后方裝有高速攝像機，記錄動力渦輪葉片斷裂時機匣的變形過程及尾噴管葉片甩出情況。

試驗前數控系統取消全部Np停車保護功能（包括獨立超轉保護停車和Np傳感器故障停車），目的是使Np轉速達到葉片斷裂轉速，對本次試驗結果沒有影響。發動機的控制模式為開環控制，即功率桿只控制發動機燃油供油量，動力渦輪轉速由車臺測功器控制。發動機起動后先在較大狀態（暫定為起飛狀態）工作一段時間，待渦輪機匣溫度達到650℃時，斷開發動機和測功器之間的輸出軸連接，此時輸出軸因失去負載而超轉，觸發發動機超轉控制系統。

三、關鍵設備介紹

（一）切軸裝置

切軸裝置是本方案的重要設備，其作用是在不破壞發動機動力輸出軸的情況下實現發動機負載丟失的功能，使發動機動力渦輪超轉進入超轉保護狀態。本方案所述切斷裝置主要技術指標如下：額定扭矩：1000Nm；額定轉速：10000r/min；輸出端飛車轉速：≤12000r/min；輸入端飛車轉速：≤15000r/min；輸入端最高轉速：15000r/min（30sec）；旋轉方向：順時針（面向輸入軸看）；輸入和輸出軸布置形式：同軸。

切軸裝置由底座、前支點、后支點、疊片聯軸器、進刀機構、防護罩、潤滑油站等設備組成。切軸裝置的工作原理（見圖3）：前支點和后支點安裝在底座上，兩個支點之間采用疊片聯軸器連接，前支點連接發動機（或電機），后支點連接功率吸收裝置。進刀機構沿水平的進刀，切斷疊片聯軸器中間的鋁質間隔套，間隔套切斷后由安裝在防護罩上的限位環進行半軸的擺動限位，以保護疊片裝置、支點軸承以及發動機、功率吸收裝置不受損壞。

（二）動力傳動軸

目前發動機和測功器之間使用的傳動軸形式為，兩段花鍵的剛性浮動軸，長度為650mm，最高轉速為12500r/min，在進行切斷超轉時有可能損壞。進行軸切斷超轉試驗時，建議改用補償角度較大的膜盤+鼓形齒的傳動軸，長度縮減到500mm左右，以保證傳動軸、發動機和切軸裝置的安全。

（三）高速攝像機

試驗所需的高速攝像機借用現有設備。在進行切斷試驗時分別布置在發動機防護罩的兩側和后方。為了保護攝像機鏡頭，每個攝像機單獨設置防護罩，且攝像機不直接正對發動機，而是在每個攝像機前安裝反光鏡，攝像機通過反光鏡拍攝渦輪機匣的變形和尾噴管葉片飛出情況。

（四）發動機防護罩

防護裝置用于試驗時保護發動機周圍環境，以免發動機二次損傷及參試人員、試驗設備受飛射出的發動機轉動部件擊傷。試驗時，用該裝置將發動機兩側及頂面整體罩住。防護壁面傳統設計為雙層鋼板夾砂結構，該結構在內壁被擊穿時，從夾層流出來的砂塵會撒到發動機表面或隨氣流被發動機吸入，且不利于重復使用。因此，防護壁面擬采用鋼制骨架內覆防彈用復合材料。防護罩在發動機動力渦輪機匣截面處開有攝像孔，通過反光鏡使高速攝影機拍攝機匣的變形過程

四、結論

（一）本文研究的試驗方案可使渦軸發動機動力渦輪真實超轉，并使試驗風險有效的降低；較以前常用的快速降低負載實現超轉的方案更符合實際情況，能更好驗證發動機超轉控制系統。

（二）在試驗過程中，可能會出現動力渦輪葉片斷裂而機匣不能完全包容或輪盤破裂的情況，必須做好車臺防護和消防的準備，以降低車臺設備損壞的風險

（三）動力渦輪的轉速有可能超過切軸裝置輸入軸和裝機用動力輸出軸的極限轉速（切軸裝置輸入軸極限轉速為15000r/min），導致設備損壞。

參考文獻：

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