航空涡扇发动机振动监测验证设计

2016-09-06章弘

中国科技信息 2016年7期

章弘

航空涡扇发动机振动监测验证设计

章弘

本文介绍了某型航空民用涡扇发动机振动监测单元验证试验设计思路，试验实践；并对试验后的数据进行了分析比较，试验表明该振动监测单元能够准确地对发动机振动进行监测。

某型航空民用涡扇发动机的发动机振动监测和显示系统如图1所示。这个系统用来监测飞机在地面试车和飞行过程中，发动机的振动情况并实时在驾驶舱显示，供飞行员读取。来自于发动机一号轴承加速度计信号ACC1，发动机风扇框架加速度计信号ACC2，发动机低压转子转速N1和高压转子转速N2输送给发动机振动监测单元（Engine Vibration Monitoring Unit，简称EVMU），EVMU对这四个信号进行处理，得出发动机的转子振动的幅值和相位信息，并把振动的信息传给飞机的航电系统（航电总线是ARINC总线），航电系统再传给发动机的控制器，发动机的控制器把振动的幅值转化为无量纲的振动量，最后再由发动机电子控制器通过航电总线传到驾驶舱显示系统显示。

根据中国民航总局的运输类飞机适航标准CCAR-25，在飞机投入商业运营前，要通过试飞来验证该监测和显示系统能否准确地监测和显示发动机的振动情况。该发动机振动监测和显示系统中的关键部件是发动机振动监测单元EVMU，它负责对来自发动机的信号进行分析和处理。该部件的供应商在交付该产品前，在自己的试车台上对该发动机振动监测单元EVMU做了验证试验，但试车台不是真实的发动机，只是模拟发动机的高低压转子。所以在对整个系统进行试飞验证试验之前，有必要把真实发动机的加速度和转速信号输入给发动机振动监测单元EVMU，进行验证试验，来确定发动机振动监测单元EVMU能否真实地对发动机的振动情况进行监测，这样也能提高整个发动机振动监测和显示系统验证试验在飞机试飞过程中的效率。

发动机振动监测单元EVMU接口简介

图2 显示了EVMU接口图，EVMU和外界有两个接口，一个是后面板连接器，一个是前面板维护口。从发动机过来的转速，加速度信号，与飞机航电系统的交互信息，EVMU处理后的振动信息，EVMU的供电都在EVMU的后面板连接器上。EVMU的前面板维护口主要用于维护和故障诊断，从EVMU前面板维护口可以得到发动机的转速和加速度计模拟信号。

试验目标与试验条件

从试验目标来说，主要从以下两方面来验证。

验证EVMU对来自发动机的转速和加速度信号采集和处理的正确性。

验证EVMU前面板维护端口输出的转速和加速度模拟信号的正确性。

从试验条件来说，对发动机振动监测单元（EVMU）进行验证试验，必备的两个条件是：1. 要对真实的发动机进行振动测量。2. 要有另外一套精确的发动机振动测量系统（简称ADS）对发动机振动监测单元EVMU进行验证。

图1　发动机振动监测和显示系统

图2　EVMU 接口

试验设计

试验目标和条件都明确了，还要进行具体试验设计。

试验具体任务如下：

把发动机的转速信号，加速度计信号同时输出给ADS和EVMU。把EVMU的ARINC429总线端口输出的发动机转速信号，振动的幅值和相位信号和经过ADS采集和处理的测量结果进行比较，从而判定EVMU转速和振动信号采集和处理的正确性。

把EVMU的前面板端口输出的转速和加速度计的模拟信号经ADS采集和处理后和EVMU的ARINC429总线端口输出的信号进行比较，从而判定EVMU输出的转速和加速度模拟信号的正确性。

在真实的发动机试车台上，进行验证试验，既要考虑要测到尽可能多的数据，又要考虑到试验成本，也就是要在尽可能少的发动机试车下，完成试验。根据试验要求，试验时，需要同时把发动机的转速信号和加速度信号同时输出给发动机振动监测单元EVMU和发动机振动测量系统ADS。发动机上的转速信号是双通道输出的，可以同时输出给EVMU和ADS，没有问题。而加速度计信号是单通道的，不能在一次试车时，同时输出给EVMU和ADS，所以就要进行两次状态相同的发动机试车，第一次试车把加速度信号输送给EVMU，第二次试车再把加速度信号输送给ADS。因为试车时，要在发动机部件上加配重，使其处于不平衡状态，这样还需要在原有的加速度计附近额外安装两个加速度传感器来监测发动机的安全状态。

为了提高效率和尽可能多的采集数据，第一次试车时，把发动机的一号轴承加速度计信号ACC1，发动机风扇框架加速度计信号ACC2，输给ADS；把另外加装的两个加速度传感器信号输给EVMU。第二次试车时，把传给ADS的加速度信号传给EVMU，把传给EVMU的加速度信号传给ADS，就是互换一下加速度信号，这样既能达到两次试车，把传送给EVMU和ADS的信号采集到，又能让EVMU或ADS监测发动机的安全状态。

发动机第一次试车试验配置连接原理如图3所示。发动机的低压，高压转子转速N1，N2同时输出给ADS系统和EVMU。发动机一号轴承加速度计信号 FWD CM和风扇框架加速度信号AFT CM输出给ADS。额外加装的加速度计Slave ZVB1A和Slave ZR25M信号输出给EVMU。另外，EVMU前面板的维护口把额外加装的加速度计信号和高低压转子信号（模拟量）输出给ADS。ARINC429总线记录器从EVMU的总线输出端口记录处理后的数据。

发动机第二次试车试验配置连接原理如图4所示。发动机的低压，高压转子转速N1，N2同时输出给ADS系统和EVMU。发动机一号轴承加速度计信号 FWD CM和风扇框架加速度信号AFT CM输出给EVMU。额外加装的加速度计Slave ZVB1A和Slave ZR25M信号输出给ADS。另外，EVMU前面板的维护口把额外加装的加速度计信号和高低压转子信号（模拟量）输出给ADS。ARINC429总线记录器从EVMU的总线输出端口记录数据。

图3　发动机第一次试车试验原理

图4　发动机第二次试车试验原理

图5　ADS和EVMU记录的发动机高低压转子数据比较

图6　发动机两次试车的高低压转子数据比较

两次试车，发动机经历的加减速状态都保持一致。

试验数据分析

试验做完之后，对记录的数据进行了分析。

首先对发动机第一次试车，ADS和EVMU分别记录的高低压转子转速数据进行了比较，XNLCT1，XNHCT1是ADS记录的发动机的低压和高压转子转速。N1_rotorspeed_e1_evmi， n2_rotorspeed_e2_ evmi是EVMU采集到的发动机的低压和高压转子转速。比较结果如图5所示。从图5可以看出，在整个试车期间，EVM处理的N1和ADS采集到的N1曲线重合，基本一致。而对于N2，EVMU处理的结果和ADS采集到的有微小偏差。所以EVMU对发动机的低压和高压转子转速能进行准确采集。

图7　低压转子转速N1为跟踪滤波的转速和振动幅值的关系

图8　以高压转子转速N2为跟踪滤波的转速和振幅的关系

图9　EVMU 处理输出对比分析（以N1为跟踪滤波）

图10　EVMU处理输出对比分析（以N2为跟踪滤波）

把发动机两次试车的高低压转子转速相对应得进行了比较，如图6所示。从图上可以看出在相对应的时间段内，两次试车的高低压转子转速N1，N2基本一致，这表明两次试车发动机运行状态基本一致，所以两次试车的数据具有可比性。

下面就来着重看一下EVMU对加速度计信号处理是否准确。把发动机第一次试车ADS采集处理得到的振动信息和第二次试车EVMU采集处理得到的振动信息进行比较。图7显示了以低压转子转速N1为跟踪滤波的转速和振动幅值的关系。从图上可以看出EVMU和ADS采集处理的结果基本相符。图8显示了以高压转子转速N2为跟踪滤波的转速和振幅的关系，从图上可以看出EVMU和ADS采集处理的结果基本相符，但从图上可以看出当N2转速达到18000转/min时，EVMU的输出掉到了零值。从图7、图8的分析可以看出，除了当N2转速在最大值时，EVMU输出不正常外，EVMU能对发动机的振动信号进行正确处理。

对EVMU前面板维护口输出的模拟信号N1，N2和加速度模拟信号进行分析，并和EVMU采集处理的结果进行比较。以N1为跟踪滤波的比较如图9所示，以N2为跟踪滤波的比较如图10所示。从图9可以看出对N1的振动响应，两者的分析结果一致。从图10可以看出对N2的振动响应，两者的分析基本一致，但是当N2达到18000转/min时，EVMU的输出为零，所以可以判断出是EVMU中的滤波器逻辑设置有问题。

结语

从总体试验数据来看，EVMU能对发动机的转速和振动信号进行正确采集和处理。把试验的情况和供应商进行了交流，关于N2达到18000转/min时，EVMU的输出为零的问题，供应商查了EVMU的接口设计文件，证实EVMU中设置的N2转速最大值是18000转/ min，所以当N2超过18000转时，就跟踪不上了。供应商要对EVMU的软件进行升级来解决这个问题。

涡扇发动机振动监测功能对于保证涡扇发动机健康运行，及时发现发动机振动超标具有重要意义。涡扇发动机振动监测单元必须经过严格试验验证和校准，确保其功能和性能。本文介绍的某型航空民用涡扇发动机振动监测单元验证试验方案实现了对振动监测单元的准确验证，及时发现了存在的问题，对后续型号研制具有较强的指导性。