陳 偉 羅宿明 華繼偉 單曉明 華稱祥

（中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲 412000）

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)在研制、批產(chǎn)、使用全過(guò)程中，試驗(yàn)是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，大多數(shù)的技術(shù)質(zhì)量問題可以在這個(gè)環(huán)節(jié)暴露。一方面，必須按照相應(yīng)規(guī)范和要求，開展大量考核性驗(yàn)證和試驗(yàn)，滿足產(chǎn)品安全性、可靠性和使用壽命的要求；另一方面，由于實(shí)際工作的復(fù)雜性、使用狀態(tài)的差異性、客觀現(xiàn)實(shí)的不適應(yīng)性等原因，目前還不能完全通過(guò)數(shù)值仿真和分析預(yù)測(cè)解決發(fā)動(dòng)機(jī)全包線范圍內(nèi)的所有問題。因此，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，試驗(yàn)及測(cè)試貫穿研制過(guò)程和技術(shù)發(fā)展的各個(gè)環(huán)節(jié)，且占比依然很大[1]。有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以修正和完善航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)理論和數(shù)值仿真計(jì)算模型，不斷推動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展[2-3]。

某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)是中法雙方以“風(fēng)險(xiǎn)共擔(dān)、對(duì)等合作”方式聯(lián)合研制的具有第四代技術(shù)特征的先進(jìn)民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，首裝7 噸級(jí)民用直升機(jī)。該型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)在適航取證階段，需要驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)投入使用后，在3000 小時(shí)的翻修間隔期（TBO）內(nèi)能正常工作，研制團(tuán)隊(duì)通過(guò)采用加速任務(wù)試驗(yàn)的方式進(jìn)行驗(yàn)證，但該加速任務(wù)試驗(yàn)譜復(fù)雜、試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)。綜合考慮后，研制團(tuán)隊(duì)最終確定利用智能化試車系統(tǒng)開展試驗(yàn)[4]。在應(yīng)用智能化試車系統(tǒng)開展試驗(yàn)的過(guò)程中，出現(xiàn)了“動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速超調(diào)過(guò)大”“動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速無(wú)法保持穩(wěn)定”等問題，本文針對(duì)出現(xiàn)的問題，通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)特性、智能化試車系統(tǒng)控制邏輯、發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)特性等進(jìn)行分析研究，分析問題產(chǎn)生的原因，并提出經(jīng)調(diào)試試驗(yàn)驗(yàn)證有效的解決措施，對(duì)智能化試車系統(tǒng)的適用性進(jìn)行有效完善，保證適航取證加速任務(wù)試驗(yàn)的順利完成。

1 智能化試車系統(tǒng)

智能化試車系統(tǒng)是基于某型發(fā)動(dòng)機(jī)加速任務(wù)試驗(yàn)項(xiàng)目需求進(jìn)行開發(fā)的，智能化試車可根據(jù)預(yù)先編制的試驗(yàn)譜進(jìn)行智能化試車，可根據(jù)設(shè)定實(shí)現(xiàn)快速加減速，具備手動(dòng)試車模式和自動(dòng)試車模式切換能力，有效地減少工作人員的誤操作率和工作量，并具有可靠、完善的保護(hù)功能。試驗(yàn)過(guò)程中，智能化試車系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)水力測(cè)功器負(fù)載、發(fā)電功率、引氣量等方式滿足試驗(yàn)譜對(duì)各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)的要求[5]。

智能化試車系統(tǒng)獨(dú)立于試車臺(tái)常規(guī)測(cè)試系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)之外，即在未接入試車臺(tái)時(shí)，車臺(tái)能完成既有的手動(dòng)試車功能。在接入試車臺(tái)后，只需完成通信和硬線接口對(duì)接以及發(fā)動(dòng)機(jī)特性參數(shù)的設(shè)置，即能實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)試車過(guò)程的智能化控制[6]。

智能化試車系統(tǒng)不直接采集數(shù)據(jù)和控制設(shè)備，而是通過(guò)高速以太網(wǎng)通信和硬線信號(hào)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。在正常使用中，通過(guò)與測(cè)試系統(tǒng)通信獲得發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)參數(shù)后，智能化試車系統(tǒng)根據(jù)試驗(yàn)譜設(shè)置的目標(biāo)，計(jì)算得到試車臺(tái)油門桿信號(hào)、引氣閥開度等設(shè)備控制的目標(biāo)值，并將指令發(fā)送給電氣系統(tǒng)執(zhí)行。自動(dòng)試車的過(guò)程中，如果發(fā)生超限報(bào)警等情況，可按試驗(yàn)大綱要求實(shí)施保護(hù)動(dòng)作[7]。

智能化試車系統(tǒng)程序主要包括PLC（可編程邏輯控制器）程序和上位機(jī)程序兩個(gè)部分。PLC 程序完成對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、測(cè)功器以及車臺(tái)設(shè)備等的自動(dòng)控制和保護(hù)；上位機(jī)程序完成自動(dòng)試車的相關(guān)設(shè)置、試驗(yàn)進(jìn)度統(tǒng)計(jì)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)通信和實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能。為確保發(fā)動(dòng)機(jī)安全，智能化試車系統(tǒng)具有超溫、超轉(zhuǎn)、振動(dòng)大、喘振等緊急停車保護(hù)的功能，試車臺(tái)控制原理圖如圖1 所示；具有報(bào)警后自動(dòng)下拉發(fā)動(dòng)機(jī)到慢車且1 分鐘后自動(dòng)停車的功能；具有實(shí)時(shí)監(jiān)視轉(zhuǎn)速、溫度、滑油壓力等參數(shù)，并做出提醒的功能；操作員手動(dòng)油門桿優(yōu)先；手動(dòng)緊急停車優(yōu)先；全方位確保發(fā)動(dòng)機(jī)安全。

圖1 試車臺(tái)控制原理圖

加速任務(wù)試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)采用動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速控制模式（Np 控制模式），即通過(guò)改變水力測(cè)功器負(fù)載控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、溫度等，根據(jù)加速任務(wù)試驗(yàn)大綱要求，試驗(yàn)譜以燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速（Ng）和燃?xì)鉁u輪出口處燃?xì)鉁囟扔?jì)算值（T45REF）為考核指標(biāo)，需兩項(xiàng)指標(biāo)分別或同時(shí)達(dá)到目標(biāo)值。

智能化試車系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速（Np）的控制邏輯：智能化試車系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先編輯的試驗(yàn)譜，讀取動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速目標(biāo)值，然后轉(zhuǎn)換成電位信號(hào)（油門桿角度XPC）。一方面，XPC 信號(hào)傳遞至車臺(tái)水力測(cè)功器，水力測(cè)功器通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)出水閥門開度改變水力測(cè)功器負(fù)載；另一方面，XPC 信號(hào)傳遞至發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制器（EECU），EECU 通過(guò)控制發(fā)動(dòng)機(jī)增減燃油流量（Wf）改變發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的功率。通過(guò)對(duì)水力測(cè)功器負(fù)載和Wf 的調(diào)節(jié)控制Np。

在加速任務(wù)試驗(yàn)的準(zhǔn)備階段，研制團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用智能化試車系統(tǒng)進(jìn)行了多次調(diào)試試車，出現(xiàn)了“動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速超調(diào)過(guò)大”“動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速無(wú)法保持穩(wěn)定”等問題。

2 動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速超調(diào)過(guò)大

2.1 現(xiàn)象

試驗(yàn)過(guò)程中，智能化試車系統(tǒng)控制發(fā)動(dòng)機(jī)切換狀態(tài)時(shí)，Np 會(huì)有較大的超調(diào)，快速上推油門桿（XPC）后，Np 會(huì)短時(shí)間增加，然后穩(wěn)定在Np=100%的目標(biāo)值，經(jīng)查看數(shù)據(jù)，最大超調(diào)量為3.8%，狀態(tài)切換時(shí)Np 超調(diào)曲線圖如圖2 所示。

圖2 狀態(tài)切換時(shí)Np超調(diào)曲線圖

2.2 原因分析及措施

對(duì)當(dāng)次試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，狀態(tài)切換時(shí)Wf、水力測(cè)功器負(fù)載、Np 的曲線圖如圖3 所示。智能化試車系統(tǒng)開始上推油門后，XPC 信號(hào)給出，此時(shí)EECU 控制發(fā)動(dòng)機(jī)開始增加Wf，水力測(cè)功器增加負(fù)載，但水力測(cè)功器負(fù)載的變化相對(duì)于Wf 的增加有延遲（圖3 中的Wf 從724 號(hào)計(jì)時(shí)點(diǎn)開始響應(yīng)，水力測(cè)功器負(fù)載從734 號(hào)計(jì)時(shí)點(diǎn)開始響應(yīng)，考慮到采集頻率為10Hz，所以水力測(cè)功器負(fù)載開始增加的時(shí)間比Wf 開始增加的時(shí)間滯后了1 秒），即發(fā)動(dòng)機(jī)Wf 增加1 秒后，水力測(cè)功器才開始增加負(fù)載，導(dǎo)致水力測(cè)功器負(fù)載在短時(shí)間內(nèi)小于發(fā)動(dòng)機(jī)保持Np=100%所需的負(fù)載，從而動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速超調(diào)較大。

圖3 狀態(tài)切換時(shí)Wf、水力測(cè)功器負(fù)載、Np曲線圖

對(duì)智能化試車系統(tǒng)的信號(hào)傳輸路徑進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，XPC 信號(hào)分兩路傳輸?shù)紼ECU 和水力測(cè)功器。由于EECU有提前增加Wf 的機(jī)制，導(dǎo)致XPC 信號(hào)傳輸?shù)紼ECU 時(shí)，EECU 控制發(fā)動(dòng)機(jī)提前加油，以保證適應(yīng)水力測(cè)功器做出負(fù)載變化；而水力測(cè)功器則在收到XPC 信號(hào)后負(fù)載變化響應(yīng)較慢、跟隨性差，兩種信號(hào)路徑造成的Wf 增加與負(fù)載變化響應(yīng)的時(shí)間差過(guò)大，使開始以后很短的時(shí)間內(nèi)，水力測(cè)功器的負(fù)載增加值會(huì)小于發(fā)動(dòng)機(jī)功率的增加值，造成動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速超調(diào)過(guò)大。

因此，可以通過(guò)調(diào)整XPC 與水力測(cè)功器的匹配性優(yōu)化水力測(cè)功器和發(fā)動(dòng)機(jī)的跟隨性，即使得EECU 根據(jù)XPC 的改變計(jì)算的提前量產(chǎn)生的功率變化和水力測(cè)功器負(fù)載的變化能較好匹配，從而減少Wf 開始增加和水力測(cè)功器負(fù)載開始變化的時(shí)間差。

調(diào)整XPC 與水力測(cè)功器負(fù)載匹配值后，狀態(tài)切換時(shí)Wf、水力測(cè)功器負(fù)載、Np 曲線圖如圖4 所示，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)從空慢狀態(tài)切換到Ng=97.45%時(shí)，XPC 在1 秒內(nèi)改變，當(dāng)XPC 變化后，Wf 在0.3 秒后開始變化，水力測(cè)功器負(fù)載在0.8 秒后開始變化，二者時(shí)間差由之前的1 秒降低到0.5 秒，Np 超調(diào)量則由之前的3.8%降低到本次的1.38%。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，在調(diào)整XPC 與水力測(cè)功器的匹配性后，Np 超調(diào)量明顯降低（降低63.7%），該方式可以有效解決動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速超調(diào)過(guò)大的問題。

圖4 調(diào)整XPC與水力測(cè)功器負(fù)載匹配值后，狀態(tài)切換時(shí)Wf、水力測(cè)功器負(fù)載、Np曲線圖

3 動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速無(wú)法保持穩(wěn)定

3.1 現(xiàn)象

研制團(tuán)隊(duì)利用智能化試車系統(tǒng)，按照加速任務(wù)試驗(yàn)的試驗(yàn)譜進(jìn)行調(diào)試。按照試驗(yàn)譜要求，設(shè)置Np=104%，Ng從97.80%自動(dòng)上推至99.48%，狀態(tài)切換時(shí)，Np 出現(xiàn)了“下降、上升、保持”的現(xiàn)象，兩次出現(xiàn)此現(xiàn)象后，試車員下拉發(fā)動(dòng)機(jī)至飛行慢車，如圖5 所示。

圖5 Np=104%，Ng從97.80%切換至99.48%時(shí)Np無(wú)法穩(wěn)定

但是，當(dāng)設(shè)置Np=90%，Ng 從96.94%自動(dòng)上推至99.34%時(shí)，試驗(yàn)過(guò)程中未出現(xiàn)上述Np 不穩(wěn)定的現(xiàn)象，如圖6 所示。

3.2 原因分析及措施

在圖5 中，當(dāng)智能化試車系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)使EECU 增加Ng 時(shí)，EECU 控制發(fā)動(dòng)機(jī)增加Wf，同時(shí)保持Np 不變，此時(shí)燃?xì)鉁u輪出口處燃?xì)鉁囟葴y(cè)量值（T45M）相應(yīng)增加。當(dāng)T45M 增加到一定值時(shí)，保持該溫度值不再上升，初步判斷此時(shí)是因?yàn)镋ECU 控制軟件設(shè)置了T45M限制值，導(dǎo)致EECU 控制發(fā)動(dòng)機(jī)快速減小了Wf 的增加率，相應(yīng)的Ng 增加緩慢。

但由于智能化試車系統(tǒng)的控制邏輯是通過(guò)控制試車臺(tái)的XPC 角度改變水力測(cè)功器負(fù)載，進(jìn)而依靠發(fā)動(dòng)機(jī)的Np 控制模式使發(fā)動(dòng)機(jī)改變Wf，達(dá)到改變Ng 的目的。在T45M 達(dá)到限制值時(shí)，由于Ng 尚未達(dá)到目標(biāo)值Ng=99.48%，此時(shí)智能化試車系統(tǒng)會(huì)持續(xù)增加XPC 角度，導(dǎo)致水力測(cè)功器負(fù)載持續(xù)增加，但是發(fā)動(dòng)機(jī)Wf 受限于EECU 控制，增加很少，導(dǎo)致此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)功率的增量無(wú)法抵消水力測(cè)功器負(fù)載的增量，從而動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速持續(xù)減小。

在圖5 中Np 第一次“下降、上升、保持”的過(guò)程中，當(dāng)Np 在不斷降低時(shí)，EECU 由于有包含Np 的閉環(huán)控制存在，雖然T45M 有限制，但仍會(huì)控制發(fā)動(dòng)機(jī)不斷緩慢地增加Wf，以提升Np 至設(shè)定值Np=104%，此時(shí)對(duì)應(yīng)的Ng 緩慢上升。從圖5 中可以看出，此次Np“下降、上升”過(guò)程中，Ng 最終緩慢增加到Ng=100.27%，高于智能化試車系統(tǒng)的目標(biāo)值Ng=99.48%，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)Ng 高于目標(biāo)值Ng=99.48%時(shí)，由于智能化試車系統(tǒng)有包含Ng 的閉環(huán)控制存在，系統(tǒng)將控制XPC 下降，以滿足試驗(yàn)譜的Ng=99.48%的目標(biāo)值要求。此時(shí)，隨著XPC 降低，水力測(cè)功器負(fù)載對(duì)應(yīng)降低，Np 逐漸上升。在Np 上升到104%前，EECU 仍會(huì)一直控制發(fā)動(dòng)機(jī)增加Wf，直到最終Np 上升至104%。

整個(gè)Np“下降、上升”過(guò)程中，由于T45M 有限制，在兩個(gè)閉環(huán)控制過(guò)程耦合的情況下，造成了在水力測(cè)功器負(fù)載增加過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法明顯增加Wf，導(dǎo)致Np 出現(xiàn)“先降低后上升”的現(xiàn)象。

在圖6 中可以看到，在達(dá)到Ng 目標(biāo)值Ng=99.34%時(shí)，T45M 不高，說(shuō)明在發(fā)動(dòng)機(jī)T45M 達(dá)到限制值前，智能化試車系統(tǒng)就已經(jīng)完成了狀態(tài)切換，故未造成Np 轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

根據(jù)上述分析結(jié)論，對(duì)EECU 中T45M 限制值進(jìn)行了檢查并修改，在后續(xù)試驗(yàn)中，未再出現(xiàn)Np 無(wú)法保持穩(wěn)定的情況。

4 結(jié)論

本文針對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)在加速任務(wù)試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)用智能化試車系統(tǒng)出現(xiàn)的問題，通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)特性、智能化試車系統(tǒng)控制邏輯、發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)結(jié)構(gòu)及特性等進(jìn)行分析研究，提出了具體的解決措施，有效解決了動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速超調(diào)過(guò)大、動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速無(wú)法保持穩(wěn)定等問題，完善了該智能化試車系統(tǒng)，進(jìn)一步提升了該智能化試車系統(tǒng)的適用性，推進(jìn)了智能化系統(tǒng)的深入應(yīng)用，促進(jìn)了該型發(fā)動(dòng)機(jī)加速任務(wù)試驗(yàn)的順利進(jìn)行。最終，在中國(guó)民航局適航審定中心的見證下，利用智能化試車系統(tǒng)圓滿完成了加速任務(wù)試驗(yàn)，試驗(yàn)控制精度高、試驗(yàn)質(zhì)量得到了良好的保證，有效避免了試驗(yàn)誤操作且大幅減少了試驗(yàn)工作量。

本文中研究的兩個(gè)問題對(duì)其他發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用智能化試車系統(tǒng)開展試驗(yàn)具有一定的借鑒意義。后續(xù)可以繼續(xù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)本體控制系統(tǒng)和智能化試車系統(tǒng)的匹配開展深入研究，進(jìn)一步優(yōu)化智能化試車系統(tǒng)本身的控制邏輯、安全保護(hù)機(jī)制等。