直升机涡轴发动机加减速试验研究范文

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《工程与试验杂志》2014年第四期

1某型发动机加减速试验实例

某型发动机为全权限数字电子控制不带机械液压备份的涡轴发动机，发动机试飞时，按照国军标的要求进行发动机加减速性鉴定试验，具体试验方法和试验结果如下：

1.1台架试验在地面台架条件下，以不大于0．5s的时间移动负载杆，被试发动机从慢车状态加速至95％中间功率状态。结果表明，发动机加速时间符合要求，加减速过程中发动机工作正常，未出现超温、喘振等不稳定工作情况。

1.2装机地面试验在不同大气条件下，将“飞行慢车”状态设置为发动机状态下限，发动机状态上限设定为直升机不离地的典型扭矩状态，在1s～2s内迅速提放总距杆，进行发动机地面单、双发部分加减速性试验。图1为地面双发加减速试验结果曲线，图中主要列出了总距杆位置wf﹑双发燃气发生器转速ng、双发动力涡轮转速np﹑双发动力涡轮输出扭矩mn﹑双发涡轮后排气温度T45等参数随时间变化的曲线。由图可见，由于地面试验时没有采取直升机配重或者系留等措施，为了保证直升机不离地，加速试验时迅速提距，双发输出扭矩最大值只能达到45％左右，动力涡轮转速也没有明显的变化。试验过程中，发动机工作稳定，发动机无超温、超转、喘振、熄火等异常现象。

1.3飞行试验飞行包线内选取3个试验高度，速度选取相应高度下的最有利速度（发动机功率较小状态对应的速度），直升机平飞，在0．5s～1．5s内快速提收总距杆，双发由较小功率稳定平飞状态至发动机进入“起飞状态”之间进行加减速试验。图2所示为某型涡轴发动机在高度3000m进行加减速试验时，发动机关键参数变化曲线。由试验结果可见，进行双发加速性试验时，初始状态选择高度3000m以最有利速度稳定平飞时对应的功率状态。此时，发动机扭矩Mn为40％左右。以1s左右的时间迅速提总距杆，发动机状态迅速增大，发动机涡轮后温度T45和燃气涡轮转速ng迅速增加，其中任何一个参数到达发动机起飞状态要求的范围就认为达到起飞状态，此状态就是目前进行加速性试验提距的最大状态，此时对应的发动机扭矩最大值不到90％。发动机减速试验与加速试验相反。由图可见，发动机加减速过程中，动力涡轮转速np（与直升机旋翼转速对应）出现了5s左右的下垂和超调，并且下垂量和超调量均在3％以内，符合发动机控制系统的设计要求。但是，此项内容的考核要求并没有在现行的国军标中有具体的要求和说明。从某型涡轴发动机加减速试验方法安排和试验结果可见，发动机的试验方法是参考国军标要求进行的，试验方法比较简单，试验的区间也比较小，与国外试验技术相比，还存在一定的差距。

2国外涡轴发动机加减速试验技术

美国考核涡轴发动机加减速性能时，是依据ADS－1B－PRF（AERONAUTICALDESIGNSTANDARA）航空设计标准和（ROTORCRAFTPROPULSIONSYSTEMAIRWORTHINESSQUALIFICATIONREQUIREMENTS）旋翼机动力装置资格审定要求中发动机／直升机匹配性条款所要求的内容［3］进行的。通常，匹配性包括结合了传动系统和旋翼的发动机和发动机控制系统的稳态和瞬态响应特性。

2.1试验方法及技术要求航空设计标准中要求，地面进行加减速试验时，需进行飞机配重或系留，加减速试验的功率范围通常从飞行慢车至发动机中间功率，或最大可接受功率。地面试验应记录发动机瞬态特性，获取稳态和瞬态下垂特性。飞行试验要求，发动机加减速试验分别在有／无压气机引气，分别使用自动和手动发动机动力控制，至少需要从海平面到实用升限高度的3个高度，以及至少需要到最大平飞速度的3个空速条件下进行的。每一次试验，飞行员都要以一定速率提放总距，以提供发动机允许的最大加速燃油流量或转速变化率和最小减速燃油流量或转速变化率。高空的燃气发生器加速度，加速前的空速应该至少包含最小和最大下降率条件。燃气发生器减速前的飞行速度应该和最小的数据分散度是一致的，这是由飞行员操作技术决定的。增加或减小动力的操作方法应该是规定好的。在试验执行之前开始记录数据，并且一直持续到发动机到达稳定状态。在记录加速时间和减速时间时，还要记录总距位置、燃油流量和气压高度。具体试验应包括：（1）加速试验功率状态从自转（发动机飞行慢车）到发动机最大额定状态。（2）减速试验功率状态从发动机最大额定功率到飞慢状态。（3）从地面慢车到发动机最大额定状态的功率增加。若有需要，在保持使用限制范围内增加功率以获得最大瞬态扭矩限制。

2.2T700涡轴发动机加减速试验方法及结果分析上世纪80年代，美国将T700－GE－701A发动机安装于UH－60AS／N77－22714直升机进行飞行试验。发动机在进行加减速试验时，采用的试验方法［4－6］如下：（1）发动机加速性：双发﹑单发加速。从设定的初始功率状态加速到95％IRP（中间功率状态）功率状态。设定的初始功率状态范围从80％扭矩到0扭矩（自转）。提距时间从5s到1s。（2）发动机减速性：从初始功率状态放距到自转，初始功率状态范围从80％扭矩到95％IRP功率状态。放距时间从5s到1s。（3）推拉杆加减速：稳定平飞进入，拉杆减速之后立即推杆增速，增速至超过进入前的速度。试飞结果如下：（1）发动机加速性：双发加速时扭矩匹配性好，双发精度在1％之内。以1s到2s的时间提距，从零扭矩加速到90％及以上扭矩时，旋翼转速的瞬态下垂量接近90％（最小为91％）。从20％扭矩加速到IRP时，旋翼转速的瞬态下垂量不低于95％。旋翼转速低于95％以后，会有声光告警。告警伴随着航向摆动，会使得飞行员将注意力集中于座舱，从而忽视外部的垂直山脊或侧向障碍物。发动机的加速性差以及旋翼转速下垂降低了直升机的攻击机动能力，如快速下降隐蔽、掩护／重新掩护、消速急停。当总距杆从发动机零扭矩提至50％及以上扭矩时，发动机加速性差是该发动机的固有缺点。当总距杆从发动机零扭矩恢复及攻击机动时（如最大平飞速度消速急停），旋翼转速下垂量大，下垂至低于95％，这些问题导致的直升机响应也是一固有缺点。（2）发动机减速性：在攻击状态，2s内移动总距杆，使发动机从IRP状态降至零扭矩，旋翼转速仅有4％的超转（12s内允许超过107％）。但是，当双发恢复时从零扭矩往上提距30％时，旋翼转速下垂低至96％。当单发恢复时，从零扭矩往上提距37％时，旋翼转速下垂低至93％（最低到91％）。发动机减速性满足要求。（3）推拉杆加减速：旋翼转速和Np转速的变化量在±2％之内，推拉杆加减速时发动机和直升机的匹配性好。分析T700涡轴发动机加减速试验方法和试验结果发现，国外要求的试验区间大得多，试验技术要求也比较严酷，并且更注重在加减速试验时检查直升机旋翼转速的下垂量和超调量。试飞中及时暴露出发动机加速性差的问题，有利于及时改进和调整发动机，在试飞中加强关注，使问题及时得到改善。由以上国内外发动机加减速试验方法和试验结果对比可见，国内外加减速试验方法基本类似，提放距时间相当，但是国内加减速试验区间较国外小得多，并且未进行单发加减速试飞，试飞方法过于保守。如示意图3所示，国内做涡轴发动机的加减速试验，一般都是以最有利速度所确定的最小功率为下限，以最大连续或起飞状态作为上限，进行快速提放距。而国外，下限都是零扭矩（自转状态），上限都是中间功率状态，而且双发、单发都进行，试验区间非常严酷。

3结论与展望

随着涡轴发动机和直升机的发展，直升机执行任务越来越广泛，对直升机机动性要求也越来越高。因此，需要发动机具有良好的加减速性能。本文通过分析当前国内涡轴发动机加减速试验方法和试验结果，发现国内目前的发动机加减速试验方法过于保守，试验区间也小得多，而且没有进行单发加减速性试飞。这可能会导致有些问题不能在试飞期间及时暴露出来，给发动机后续使用带来一定的风险。因此，应该吸取国外试飞的经验和教训，借鉴国外先进的试飞方法，在后续发动机加减速试验时，考虑在不同大气温度，不同高度条件下，单发﹑双发分别进行，加减速区间要逐步扩大，并且应考虑发动机的负载情况，在不同引气及其组合的情况下，重复检查典型的试验点。同时，了解国外先进的试飞技术也有利于对国内现行的国军标进行修订和完善，为后续涡轴发动机试验规划和试飞技术实现提供参考。

作者：张媛 单位：中国飞行试验研究院