某型涡轴发动机动力涡轮超转保护响应时间测试

张塘卫（中国航空动力机械研究所，湖南株洲，412002）



某型涡轴发动机动力涡轮超转保护响应时间测试

张塘卫
（中国航空动力机械研究所，湖南株洲，412002）

为验证当某型涡轴发动机动力涡轮失去载荷或轴失效时，数控系统能否实现动力涡轮超转保护停车，保证动力涡轮的结构完整性，本文设计了该数控系统响应时间的测试方案。试验结果表明，该测试方案能准确测出数控系统的响应时间， 为评估独立动力涡轮超转保护停车数控系统的性能提供了重要手段。

涡轴发动机；超转；响应时间

根据航空发动机适航规定CCAR-33R2第33.28条“发动机控制系统”的要求，在动力涡轮失去载荷或轴失效时，数控系统的独立动力涡轮超转保护停车系统应当有效地保证动力涡轮的结构完整性，保障发动机和飞机的安全。

为了验证以及准确地测出数控系统超转保护系统的响应时间，特地在地面试验车台专门进行了动力涡轮超转试验。为此本文设计了测试方案，对数控系统超转保护系统的响应时间进行了测试。

1　测试方案设计

1.1数控系统超转保护功能

发动机的数控系统主要由电子控制器、控制软件、泵调节器、超转放油阀、传感器和电器系统等组成。电子控制器结合控制软件通过采集和接收来自发动机和飞机的各类模拟量、开关量、频率量等信号，分析、处理数据，控制发动状态，确保安全。图1为数控系统超转保护示意图，动力涡轮超转保护装置安装在电子控制器内，当 动力涡轮转速Np1、Np2超过保护转速时，准确判断，并精确动作，通过超转放油阀切断向发动机的供油。

图1　数控系统超转保护示意图

评估数控系统超转保护系统的响应时间T，主要包括以下三个方面，数控系统超转确认给出信号时间T1、停车电磁阀响应时间T2、停车电磁阀发出停车指令到泵调节器出口燃油压力降至最小值的时间T3，时间示意见图2。

图2　数控超转保护停车时序示意图

1.2测试方案设计

为了准确测出数控系统超转保护的响应时间，需要测量以下几个主要参数：动力涡轮转速Np1 、动力涡轮转速Np2、数控系统放油电磁阀电压信号U，泵后燃油压力Pf。动力涡轮转速传感器是磁电式，发动机动力涡轮轴上有四个音轮，发动机动力涡轮每转一圈，转速传感器输出四个脉冲信号。发动机动力涡轮100%转速为20900r/min（转/分钟），频率为343.3Hz，每转一圈的时间为2.87ms。实际转速传感器输出信号的频率是动力涡轮转速的四倍，即1393.3Hz，时间为0.718ms。

一般常规的测试方案，记录仪采样率为1kHz/CH，动力涡轮转速Np用频率模块或经转速表的F/V输出，进入记录仪。图3为转速表和频率模块F/V转换时间图，从图3可以清晰地看到，频率模块F/V（N2）转换时间为4.7ms，转速表F/V（N1）转换时间就有7.1ms，由此可见常规测试方案无法准确测出超转保护的响应时间。

为了满足试验需求，主要设备采用高速数据记录仪的测量方案，记录仪各通道同步采集，动力涡轮转速传感器原始信号直接从进入记录仪。记录仪采样率为200kHz/CH，即每5us 采集一次，这样可提高测量精度，准确测出超转保护系统的响应时间。

1.3测试系统组成

测试系统由高速数据记录仪、传感器、计算机组成，如图4。

图4　测试系统框图

2　试验结果

2.1试验步骤

将数控系统Np超转保护值设为24035 r/min （115%），然后按以下步骤试验：

（1）数控系统采用动力涡轮转速（Np）开环控制模式（Np由水力测功器控制）；

（2）缓慢提高燃气发生器转速Ng和动力涡轮转速Np，直到发动机稳定在下列状态；Ng转速41000 r/min；Np转速20900r/min；

（3）手动调节水力测功器转速，缓慢提高动力涡轮转速至115%，数控系统超转保护系统将自动控制发动机停车。

2.2试验结果分析

试验过程全程记录，试验结束后进行数据处理、分析。由于Np1和Np2的两个转速传感器对应发动机同一根轴以及四个音轮，因此Np1和Np2信号频率是一致的，处理分析其中一个即可。图5是动力涡轮超转保护曲线，从图5可以看出U（停车电磁阀端电压）在相对时间66.65ms时上升，此时数控系统给出了超转保护指令，随之停车电磁阀动作、切油，其响应时间T2是0.65ms（67.3ms-66.65ms），在相对时间88.92ms 时泵后燃油压力降至零，T3为21.62ms（88.92ms-67.3ms）。图6、图7是截取超转保护动作前100ms的数据，进行放大、定量分析，准确获取超转到电磁阀动作的时间。

图5　动力涡轮超转保护曲线

从图5、图6、图7可以看出，动力涡轮转速达到24035r/ min（115%转速）后，数控系统准确发出了保护指令。

由图可见，停车电磁阀在相对时间66.65ms 时打开，T1时间为31.59ms。数控系统超转保护系统的响应时间T等于T1（31.59ms）、T2（0.65ms）、T3（21.62ms）的总和，为53.86ms。

图6

图3　转速表和频率模块F/V转换时间图

图7

3　结论

本文采取的测试方案能准确测出数控系统超转保护系统的响应时间，为评估在动力涡轮失去载荷或轴失效时，数控系统的独立动力涡轮超转保护停车系统是否可以保证动力涡轮的结构完整性提供了保障。

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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