一種基于渦軸發動機試車臺的功率測量系統校準技術

劉知理，許明文，趙 平，朱明明

(中國航發湖南動力機械研究所，湖南株洲412002)

1 引言

航空發動機試車臺是一個綜合的多參數測試系統，其測試數據的真實性和有效性必須依靠校準來保障[1]。目前，地面試車臺校準的通用做法是進行交叉校準，即用同一臺性能穩定的發動機在基準試車臺及待校準試車臺之間進行數據傳遞，達到在規定精度范圍內校準試車臺的目的[2-3]。

軸功率是渦軸發動機試驗的關鍵參數之一，常通過分別測量發動機的輸出軸扭矩與轉速然后計算得出，其測量精度是否滿足相關質量要求是試車臺資質認證的重要判據之一。水力測功器是渦軸發動機試車臺上用來吸收并測量發動機功率的常用設備，也是試車臺功率測量系統的重要組成部分。上世紀80年代末，我國引進美國高速水力測功器應用于渦軸發動機地面試驗時，就將其作為功率吸收裝置并承擔功率測量任務。為在地面試驗模擬發動機裝機狀態，還經常配備與直升機旋翼慣量矩相當的飛輪作為其模擬裝置。一般情況下，水力測功器的測量精度已足夠滿足發動機試驗的要求，但當使用時間過長而使其拉壓傳感器特性發生變化時，或當加裝飛輪時由于無法預知飛輪的功耗，其測量軸功率的精度會有所下降。為此，國外許多發動機試驗常常采用額外加裝測扭器的方式來精確測量渦軸發動機輸出軸扭矩，從而提高軸功率測量的準確性。測扭器的優點是測量精度高，缺點是無法吸收功率而單獨使用，同時引入了使傳動鏈復雜化導致軸系振動特性變差的風險，加上高昂的購置成本，阻礙了將其作為廣泛使用的試車臺常規設備。以往，水力測功器的動態校準只是通過加裝測扭器對其進行動態校準，并未對測扭器進行零值動態校準，本世紀初該方法就在某型號的試驗中應用過。該方法建立在假定零值動態校準出廠精度長期有效的基礎上[3]，然而受使用時效等因素的影響，測扭器運轉時的零值會產生漂移甚至超出出廠精度。此時，對水力測功器的動態校準就會因忽略了該漂移量而產生一定的誤差。因此，有必要引入測扭器零值動態校準，即發動機運行過程中所有無功率輸出的狀態下，消除測扭器扭矩測量結果非零的差異。

我國適航相關條例明確規定，承擔適航試驗的試車臺必須滿足中國民用航空局(CAAC)質量管控審定要求[4]。在與法國透博梅卡公司進行的某渦軸發動機研制合作項目中，中國航發湖南動力機械研究所承擔了加速任務試驗等適航取證項目。因此，承擔適航取證試驗的試車臺的首要任務就是進行交叉校準，以取得滿足CAAC認可的資質。在試車臺資質認證初期，軸功率測量數據較之法方基準試車臺測量數據差異超過了允許的范圍，如何提高試車臺功率測量系統校準精度，從而保證功率測量的準確性，成為一項亟待解決的問題。

針對渦軸發動機試車臺功率測量系統，本文提出了一種新的校準方案。該方案通過引入測扭器扭矩零值動態校準對水力測功器進行動態校準，然后采用曲線擬合方法建立水力測功器扭矩校準公式并嵌入到其功率計算程序中，最后通過試驗檢驗水力測功器的功率測量精度，驗證校準方案的有效性。

2 校準方案

本文所研究的功率測量系統主要包括水力測功器、測扭器及其輔助設備。水力測功器選用英國Froude公司的HS125型水力測功器，測扭器選用英國Torquemeter公司的E2測扭器，其主要性能參數分別見表1和表2。

表1 HS125水力測功器的主要性能參數Table 1 Main performance parameters of HS125 hydraulic dynamometer

表2 E2測扭器的主要性能參數Table 2 Main performance parameters of E2 torque converter

為確保試驗有效性，選取某型性能穩定的一臺渦軸發動機作為試驗件。試驗時，功率傳遞首先由發動機傳至測扭器，再至飛輪，最后傳遞至水力測功器并將功率吸收，整體布局如圖1所示。

校準中，首先分別進行水力測功器及測扭器的靜態校準。即發動機未運轉時，采用添加標準砝碼的方式，將添加載荷的扭矩測量結果與相應載荷下的標準結果進行對比[5]。水力測功器靜態校準安裝如圖2所示，測扭器的靜態校準原理與水力測功器的靜態校準原理相同，兩者靜態校準連接圖分別如圖3、圖4所示。

對于水力測功器，由于標準砝碼作為負載和發動機實際運行過程中負載加載方式之間的固有差異以及飛輪運轉產生的功耗，需在靜態校準之后進行動態校準。即發動機運行過程中利用測扭器的扭矩測量結果對測功器的扭矩測量結果進行校準，消除飛輪及其他因素產生損耗所造成的兩者扭矩測量值之間的差異。水力測功器的動態校準過程中，首先獲取其扭矩測量值與測扭器的扭矩測量值，然后對測量結果進行分析處理，并通過曲線擬合得出扭矩校準公式，最后將扭矩校準公式嵌入到其功率計算程序中并對校準結果進行試驗驗證。

而對于作為水力測功器動態校準基準的測扭器，由于缺乏某種更高精度的扭矩測量方式作為衡量，因此無法進行動態校準。其在出廠時進行了靜態校準及零值動態校準，但由于試驗經驗的欠缺，以及受進口設備返廠校檢費用高昂和周期漫長等因素制約，未能進行試驗現場零值動態校準。以往測扭器校準時只進行靜態校準，但實際應用中其運轉時的零值會產生漂移甚至超過出廠精度，可能會導致試驗中的扭矩測量精度下降甚至失真，因此有必要引入測扭器零值動態校準。測扭器零值動態校準的具體方法為：脫開發動機負載(水力測功器)，用發動機直接帶轉測扭器，測得輸出軸轉速在地面慢車狀態(74%動力渦輪轉速)和空中慢車狀態(100%動力渦輪轉速)時的測扭器扭矩相位零值(ZTD)，將相應的ZTD值分別初始化設定到測扭器控制盒的相應轉速下，即可保證測扭器在無負載情況各轉速下所測扭矩為零值。

綜上所述，本文功率測量系統校準方案首先分別進行水力測功器、測扭器靜態校準；然后進行測扭器零值動態校準；再采用零值動態校準之后的測扭器對水力測功器進行動態校準，獲取水力測功器扭矩校準公式并嵌入其功率計算程序中；最后，對水力測功器的功率測量精度進行檢驗，進而驗證本文校準方案的可靠性。

3 校準結果

3.1 水力測功器和測扭器靜態校準結果

按照上述校準步驟，得到水力測功器和測扭器靜態校準結果，分別如表3、表4所示。

表3 水力測功器靜態校準結果Table 3 Static calibration results for hydraulic dynamometer

對比水力測功器和測扭器靜態校準的滿量程誤差與表1、表2中的靜態校準精度性能參數可見，本文水力測功器和測扭器靜態校準結果均滿足要求。

3.2 測扭器零值動態校準

脫開水力測功器，進行發動機空中慢車狀態的測扭器零值檢查試驗。為檢驗試驗結果的可重復性，共進行了4次試驗，試驗獲得的輸出軸轉速在地面慢車狀態(74.0%動力渦輪轉速)和空中慢車(100.0%動力渦輪轉速)時的測扭器扭矩相位零值如表5所示。從表中可看出，試驗可重復性較高，且發動機在地面慢車和空中慢車的ZTD值偏差較小。測得的測扭器扭矩在地面慢車和空中慢車狀態的結果均約為2.5 N·m，對應于滿量程相對值為0.18%，超出了表2中的測扭器零點漂移允許值。

表4 測扭器靜態校準結果Table 4 Static calibration results for torquemeter

表5 測扭器零值動態校準扭矩相位零值Table 5 ZTD value of zero dynamic calibration for torquemeter

取第4次試驗所得ZTD值分別初始化設定到測扭器控制盒的相應轉速下，即可保證測扭器在發動機無功率輸出時輸出軸各轉速下的測扭器測量扭矩值為零。至此，完成了測扭器的零值動態校準。

3.3 水力測功器動態校準

在測扭器零值動態校準基礎上，利用測扭器進行水力測功器動態校準，以獲取水力測功器扭矩校準公式。水力測功器動態校準中，扭矩和功率測量結果分別見表6、表7。表中，N1r為發動機燃氣發生器相對轉速，N2r為動力渦輪相對轉速，Tdn為水力測功器測量扭矩，T為測扭器測量扭矩，ΔT為水力測功器測量扭矩較測扭器測量扭矩的差值，Pst為基準試車臺功率相對計算值，Pdn為水力測功器功率相對計算值，P為測扭器功率相對計算值，ΔPdn為水力測功器功率相對計算值較基準試車臺功率相對計算值差值，ΔP為測扭器功率相對計算值較基準試車臺功率相對計算值之差。由表6可見，發動機同一狀態下水力測功器測量扭矩值相比測扭器測量值小，這主要是由于功率傳遞中飛輪產生損耗所致。由表7可見，測扭器的功率相對計算值與基準試車臺功率相對計算值的最大絕對差值為0.007，符合型號規定的交叉校準允許范圍(±0.008)；而水力測功器功率相對計算值較基準試車臺功率相對計算值絕對差值較大(最小絕對差值為0.017)，遠遠超出了型號規定的交叉校準允許范圍。

表6 水力測功器動態校準試驗扭矩測量值Table 6 Torque measurements results of hydraulic dynamometer dynamic calibration test

表7 水力測功器動態校準試驗功率相對計算值Table 7 Relative calculation results of hydraulic dynamometer dynamic calibration test

3.4 水力測功器扭矩校準公式

根據表6中扭矩測量結果，建立以水力測功器扭矩測量值為自變量、測扭器扭矩測量值為因變量的二次曲線擬合關系式，即為測功器扭矩校準公式。擬合曲線如圖5所示，扭矩校準公式為：

3.5 試驗驗證

將水力測功器扭矩校準公式嵌入其功率計算程序，并重復一次與水力測功器動態校準過程相同的試驗。表8為驗證試驗扭矩測量值，可見，在發動機相同狀態下，測扭器扭矩測量值與表6中扭矩測量值基本一致，表現出較好的重復性；測扭器扭矩零值動態校準之后，水力測功器扭矩測量值與測扭器扭矩測量值基本一致(最大絕對差值僅1.46 N·m)，表明了本文水力測功器扭矩校準公式的可靠性。

表9為驗證試驗功率相對計算值。從表中可看出，水力測功器功率相對計算值較基準試車臺功率相對計算值差值明顯減小(最大絕對差值為0.007)，驗證了本文校準方案的可行性與準確性。

表8 驗證試驗扭矩測量值Table 8 Torque measurement results of verification test

表9 驗證試驗功率相對計算值Table 9 Relative calculation results of verification test

4 結束語

針對渦軸發動機試車臺功率測量系統，本文提出了一種新的動態校準方案。該方案首次開展了測扭器零值動態校準工作，突破了以往測扭器校準停留在靜態校準的做法。在此基礎上對水力測功器進行動態校準，采用曲線擬合方法建立水力測功器扭矩校準公式并嵌入到其功率計算程序中，并對水力測功器測量精度進行了試驗驗證。水力測功器在發動機相同設計轉速下與基準試車臺的功率測量絕對差值由最小0.017降至0.008以內，表明本文校準方案切實有效，能有效提高軸功率測量精度。