直升机空中异常筛振现象分析

沈安澜,侯宝红, 李 平, 薛 晨

(1.中国直升机设计研究所,江西 景德镇 333001;2. 解放军66350部队,河北 保定 071000;3.昌河飞机工业集团有限责任公司,江西 景德镇 333000)

0 引言

直升机动部件多,振源多,而且频率范围较宽,导致引起直升机振动的原因较为复杂,影响因素多[1-4],如局部结构固有频率不佳导致的局部结构振动偏大[5],当两个相近频率的振幅相当时形成的拍频振动[6],由于气动原因导致的低频振动问题[7]以及由于高频混叠导致出现异常的低频振动信号[8]等。由于直升机振动影响因素多,在处理直升机异常振动问题时,快速准确地确定异常振动原因就显得尤为重要[6,7]。

本文针对一次典型的直升机机体侧向异常低频筛振(低频振动)现象开展分析。为了确定引起机体侧向异常筛振的原因,基于飞行振动数据,通过频谱分析、滤波分析等方法,确定了引起筛振现象的振动频率为3 Hz;结合飞参和发参数据进一步分析,确定了导致空中明显低频筛振的原因为PAO现象[9](飞行员辅助振荡)。根据分析结果,提出了相应的改善建议。经再次飞行验证,空中低频筛振现象得到明显改善。

1 低频筛振现象

直升机某次正常飞行过程中,曾因出现典型的空中低频筛振问题而提前中断飞行。根据飞行员反馈,该次空中低频筛振现象的主要表现:空中飞行时,特别是在下滑和转弯阶段容易出现机体侧向低频筛振的现象;当机体出现侧向低频筛振时,双发输出扭矩信号存在跳变的情况,而且机体侧向低频筛振的振感强烈,振幅呈现逐渐增大再减小的变化趋势,且持续时间较长。

2 数据分析

根据飞行员反馈的机体侧向低频筛振现象,利用频谱和滤波等方法对飞行振动数据进行分析,结果如表1和图1、图2所示。飞行振动数据分析结果显示:当该机出现低频筛振时,其机体侧向0～10 Hz频段内出现较为明显的3 Hz左右的振动响应;座舱地板Y向、尾减速器机匣Y向以及尾传动轴平台Y向等位置处的振动水平均比主减机匣Y向振动水平高;尾减速器机匣Y向振幅最高为0.12g;直升机主、尾桨等主要激励频率振幅则基本保持稳定。

图1 机体侧向4 Hz低通滤波时域曲线

图2 机体主要测点侧向频谱曲线

表1 各测点侧向3 Hz振动水平

根据飞行振动频谱数据分析结果,确定引起该起空中低频筛振的主要来源为机体侧向3 Hz振动。而3 Hz为直升机动力传动链固有频率,且根据飞行员反馈当出现空中低频筛振时伴随着双发输出扭矩跳变,因此进一步对发参和飞参数据进行分析,结果如图3和图4所示。飞行振动数据分析结果以及飞参、发参数据分析结果显示,当空中低频筛振时,直升机正处于转弯平飞状态,机体出现明显3 Hz低频振动响应的同时,双发输出扭矩也出现同频波动,右发排气活门存在频繁开闭的情况;另外横向周期变距杆位移信号中存在3 Hz左右的波动,横滚角有较大幅度变化;其他参数如发动机自由涡轮转速和燃气涡轮转速基本恒定,飞行速度基本保持恒定,旋翼转速基本保持恒定,飞行高度基本保持恒定。

图3 发动机主要参数变化趋势

图4 飞参主要参数变化趋势

3 原因分析

基于飞行振动数据、飞参和发参数据分析结果,研究认为导致该起空中出现筛振的主要原因是在直升机空中飞行时,飞行状态变化等因素导致了右发放气活门频繁开闭,进一步引起发动机输出扭矩出现较大幅度波动;发动机输出扭矩大幅波动并持续激励动力传动链,从而引起直升机动力传动链3 Hz扭振,并引起机体3 Hz低频振动;机体侧向3 Hz低频振动又通过飞行员传递至横向周期变距杆的操纵信号中,导致机体侧向3 Hz振动水平进一步增大。

根据发动机工作原理,当发动机P3压力处在放气活门打开和关闭压力区间附近时,发动机放气活门会出现频繁打开和关闭的情况。放气活门的打开和关闭会使流经发动机的空气流量相应地减少和增大。空气流量的脉动使发动机输出扭矩也随之波动。同时,发动机控制系统为保持双发扭矩匹配,会不断调整发动机燃油供油量,发动机燃气发生器转速等参数也会出现相应的波动。

从动力传动链扭振机理角度分析可见,直升机尾桨/旋翼/动力传动链等旋转部件构成了一个耦合扭转动力学系统,其扭振固有频率为3 Hz。机械扭转动力学系统与发动机电调系统相互耦合。当直升机动力传动链受到较强的干扰(操纵、突风、发动机输出扭矩波动等),在一定程度上会激起直升机动力传动链3 Hz扭振响应,使得发动机转速或输出扭矩信号中会存在相应频率的扭振响应(3 Hz)。虽然在设计中增加了凹陷滤波器的设计,可以极大地降低该频率响应的幅值,但并不会完全消除该频率的响应。当扭振频率响应信号进入电调控制系统增益和控制,会导致发动机输出扭矩含有3 Hz分量,并进一步引起动力传动链扭振响应;同时旋翼转速中也会存在同频分量,导致机体出现相应频率的振动。当动力传动链扭振现象发生时,旋翼表现为集合型摆振,而阻尼器可以提供的阻尼相对较小;虽然旋翼、尾桨可以提供一定的气动阻尼,但是对直升机动力传动链扭振系统来说仍然较小。所以,动力传动链扭振一旦被激励起来,其振动响应衰减速度相对较慢。

4 改善建议

基于飞参、振动以及发参数据分析得出结论:该机空中筛振的原因为放气活门频繁开闭导致发动机输出扭矩波动,激励起动力传动链扭振;另外由于叠加了 PAO作用,进一步导致直升机空中出现3 Hz低频筛振,振幅持续增大,持续时间较长。针对该起由动力传动链扭振叠加PAO共同引起的空中筛振问题,提出了相应的改善建议:

1)飞行过程中,若机体出现3 Hz低频振动,同时发动机存在放气活门频繁打开和关闭的情况,建议按照相关的要求,迅速改出该飞行状态,避免直升机在放气活门打开、关闭的飞行状态附近长时间停留;

2)飞行过程中如果出现类似的低频筛振情况,保持总距稳定并轻握杆,避免出现PAO现象而导致机体低频振动幅值进一步加剧。

随后开展了飞行试验工作,飞行员反馈直升机状态良好,未出现明显的体感筛振现象;对飞行振动数据以及飞参、发参数据进行分析,未发现存在明显的3 Hz低频振动响应。结果如图5-图7所示。

图5 机体侧向4Hz低通滤波时域曲线

图6 飞参主要参数变化趋势

图7 发动机主要参数变化趋势

5 结论

基于飞行振动数据、飞参数据以及发参数据,针对该起典型的空中低频筛振问题进行分析,确定了问题原因,提出了改善建议,并为后续类似问题的分析处理提供了思虑和借鉴。研究得出了如下结论:

1)该起空中低频筛振现象是一起典型的动力传动链扭振叠加PAO作用而导致的机体侧向低频筛振现象;

2)直升机空中出现低频振动(筛振),不仅与旋翼、尾桨等直升机主要振源振动有关,还有可能与直升机动力传动链扭振相关,因此在进行数据分析时需要基于飞行振动、飞参以及发参数据进行综合分析;

3)发动机放气活门频繁开闭,在一定程度上会对直升机动力传动链产生激励,有可能导致动力传动链出现扭振现象,因此需要注意避免直升机长时间处于发动机放气活门开闭状态下飞行。