CN103293003B - 涡轴发动机超扭试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种涡轴发动机超扭试验装置及方法。涡轴发动机超扭试验方法包括以下步骤：步骤S1，将测功器的输入轴与被试涡轴发动机的输出轴连接，并启动被试涡轴发动机；步骤S3，检测被试涡轴发动机的滑油温度是否上升至大于或等于滑油温度阈值；步骤S5，检测被试涡轴发动机的燃烧室的出口温度是否上升至大于或等于出口温度阈值；步骤S7，根据测功器测得的功率计算输出轴的扭矩，减小被试涡轴发动机的输出轴的转速，使得输出轴的扭矩大于或等于扭矩阈值；步骤S9，根据被试涡轴发动机的输出轴损坏情况，判定被试涡轴发动机是否适合超扭环境工作。涡轴发动机超扭试验装置包括连接在被试涡轴发动机的输出轴上的测功器。

Description

涡轴发动机超扭试验装置及方法

技术领域

本发明涉及发动机领域，特别地，涉及一种涡轴发动机超扭试验装置及方法。

背景技术

我国现役及已定型的航空涡轴发动机只进行超转、超温单项或双项试验，随着用户对航空涡轴发动机的要求越来越高，涡轴发动机的功能水平也必然要得到提高。欧洲航空安全局的航空涡轴发动机适航标准（CS-E）在验证涡轴发动机转子结构完整性的试验项目中增加了超扭试验要求。而目前受各型号研制需求及试验手段的限制，超扭试验仅停留在理论探讨及方案研究上。

发明内容

本发明目的在于提供一种对涡轴发动机进行超扭试验的装置及方法。

为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种涡轴发动机超扭试验方法，步骤S1，将测功器的输入轴与被试涡轴发动机的输出轴连接，并启动被试涡轴发动机；步骤S3，检测被试涡轴发动机的滑油温度是否上升至大于或等于滑油温度阈值；步骤S5，检测被试涡轴发动机的燃烧室的出口温度是否上升至大于或等于出口温度阈值；步骤S7，在步骤S3的滑油温度大于或等于滑油温度阈值，且步骤S5的出口温度大于或等于出口温度阈值后，根据测功器测得的功率计算输出轴的扭矩，减小被试涡轴发动机的输出轴的转速，使得输出轴的扭矩大于或等于扭矩阈值；步骤S9，在被试涡轴发动机完成步骤S3、步骤S5及步骤S7的条件下运行第一时间后，根据被试涡轴发动机的输出轴损坏情况，判定被试涡轴发动机是否适合超扭环境工作。

进一步地，步骤S5中，通过增加被试涡轴发动机的燃气涡轮的转速，将被试涡轴发动机的滑油温度升至大于或等于滑油温度阈值。

进一步地，步骤S7中，通过降低测功器的转速，以降低被试涡轴发动机的自由涡轮的转速，使被试涡轴发动机的输出轴的扭矩大于或等于扭矩阈值。

进一步地，步骤S1之前还包括步骤S0，检查被试涡轴发动机的滑油测量系统。

进一步地，步骤S1中，启动被试涡轴发动机的步骤包括先将被试涡轴发动机在地面慢车运转第二时间，然后将被试涡轴发动机悬空慢车运转第三时间。

本发明的另一方面还提供了一种上述方法的涡轴发动机超扭试验装置，包括连接在被试涡轴发动机的输出轴上用于吸收并测量被试涡轴发动机功率的测功器。

进一步地，涡轴发动机超扭试验装置还包括测试系统，测试系统包括测试被试涡轴发动机滑油温度的滑油测量系统、测试燃烧室出口温度的燃烧室测温系统及测量被试涡轴发动机转速的测速系统。

进一步地，测速系统与测功器电连接。

进一步地，涡轴发动机超扭试验装置还包括设置在被试涡轴发动机外围的防护装置。

本发明具有以下有益效果：

通过提高被试涡轴发动机的燃气涡轮的转速，将被试涡轴发动机的滑油进口温度升至大于或等于滑油温度阈值，并将被试涡轴发动机的燃烧室的出口温度升至大于或等于出口温度阈值，再通过测功器吸收和测量被试涡轴发动机的功率，根据测功器测量的功率及输出轴的转速得到输出轴的扭矩，并通过降低测功器的转速，以将被试涡轴发动机输出轴的转速降低，将被试涡轴发动机的输出轴的扭矩升至大于或等于扭矩阈值，使得被试涡轴发动机的输出轴在超扭状态下工作，从而根据被试涡轴发动机输出轴的损坏情况，判断该被试涡轴发动机的输出轴能否在超扭状态下工作。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的涡轴发动机超扭试验方法的流程图；以及

图2是本发明优选实施例的涡轴发动机超扭试验装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

参见图1，本发明的优选实施方式提供了一种涡轴发动机超扭试验方法，包括以下步骤：步骤S1，将测功器20的输入轴与被试涡轴发动机10的输出轴连接，并启动被试涡轴发动机10；步骤S3，检测被试涡轴发动机10的滑油温度是否上升至大于或等于滑油温度阈值；步骤S5，检测被试涡轴发动机10的燃烧室的出口温度是否上升至大于或等于出口温度阈值；步骤S7，在步骤S3的滑油温度大于或等于滑油温度阈值，且步骤S5的出口温度大于或等于出口温度阈值后，根据测功器20测得的功率计算输出轴的扭矩，减小被试涡轴发动机10的输出轴的转速，使得输出轴的扭矩大于或等于扭矩阈值；步骤S9，在被试涡轴发动机10完成步骤S3、步骤S5及步骤S7的条件下运行第一时间后，根据被试涡轴发动机10的输出轴损坏情况，判定被试涡轴发动机10是否适合超扭环境工作。

根据本发明的涡轴发动机超扭试验方法，通过提高被试涡轴发动机10的燃气涡轮的转速，将被试涡轴发动机10的滑油进口温度升至大于或等于滑油温度阈值，并将被试涡轴发动机10的燃烧室的出口温度升至大于或等于出口温度阈值，再通过测功器20吸收和测量被试涡轴发动机10的功率，根据测功器20测量的功率得到输出轴的扭矩，并通过降低测功器20的转速，以将被试涡轴发动机10输出轴的转速降低，将被试涡轴发动机10的输出轴的扭矩升至大于或等于扭矩阈值，使得被试涡轴发动机10的输出轴在超扭状态下工作，从而根据被试涡轴发动机10输出轴的损坏情况，判断该被试涡轴发动机10的输出轴能否在超扭状态下工作。本发明的试验方法简单，且能够准确快速的判断被试涡轴发动机10的输出轴能否在超扭状态下工作。

被试涡轴发动机10的燃气涡轮由发动机控制系统控制，被试涡轴发动机10的自由涡轮由负载控制；在本实施方式中，被试涡轴发动机10的自由涡轮是由测功器20控制的。测功器20采用转速模式控制，以能方便快捷的调整测功器20的转速。

被试涡轴发动机10进行超扭试验的具体步骤为：

步骤S0，检查被试涡轴发动机10的滑油测量系统；

在启动被试涡轴发动机10之前，先将被试涡轴发动机10进行冷运转，以检查被试涡轴发动机10的滑油测量系统。冷运转过程中，如果被试涡轴发动机10的滑油测量系统显示滑油压力为正压时，则说明被试涡轴发动机10供油正常。

步骤S1，将测功器20的输入轴与被试涡轴发动机10的输出轴连接，并启动被试涡轴发动机10；

将测功器20的输入轴与被试涡轴发动机10的输出轴通过连接轴30连接后，启动被试涡轴发动机10。启动被试涡轴发动机10时，可先将被试涡轴发动机10在地面慢车工作第二时间，然后将被试涡轴发动机10悬空工作第三时间，以使得被试涡轴发动机10能够平稳地启动和运转。一般地，被试涡轴发动机10在地面慢车工作2～4min，然后将被试涡轴发动机10悬空工作2～4min，被试涡轴发动机10即可平稳地启动。

步骤S3，检测被试涡轴发动机的滑油温度是否上升至大于或等于滑油温度阈值；

被试涡轴发动机10平稳工作时，被试涡轴发动机10的滑油温度为正常的工作温度，其温度小于滑油温度阈值；推动被试涡轴发动机10的油门杆，使得燃气涡轮的转速至1.0状态即额定转速，保持该转速一段时间，使得被试涡轴发动机10的滑油温度升高，检测滑油温度值，直至滑油温度值大于或等于滑油温度阈值；在本实施方式中，滑油温度阈值根据发动机的型号及所使用的滑油的性能决定。

在超扭状态下，被试涡轴发动机10的滑油温度大于或等于滑油温度阈值，因此需检测滑油温度是否在滑油温度阈值以上，以测试被试涡轴发动机10在该状态下的工作状况。

步骤S5，检测被试涡轴发动机的燃烧室的出口温度是否上升至大于或等于出口温度阈值；

在将被试涡轴发动机10的滑油温度升至滑油温度阈值以上后，被试涡轴发动机10的燃烧室的出口温度小于出口温度阈值，被试涡轴发动机10的燃气涡轮由发动机控制系统控制，调节被试涡轴发动机10的控制系统，继续增加被试涡轴发动机10的燃气涡轮的转速，直至出口温度大于或等于出口温度阈值。检测燃烧室的出口温度直至出口温度大于或等于出口温度阈值。不同型号发动机的出口温度阈值不同。

步骤S7，在步骤S3的滑油温度大于或等于滑油温度阈值，且步骤S5的出口温度大于或等于出口温度阈值后，根据测功器测得的功率计算输出轴的扭矩，减小被试涡轴发动机的输出轴的转速，使得输出轴的扭矩大于或等于扭矩阈值；

当被试涡轴发动机10的燃烧室的出口温度大于或等于出口温度阈值后，将被试涡轴发动机10的燃气涡轮的转速恒定，即使得被试涡轴发动机10的输出功率恒定，在被试涡轴发动机10的输出功率恒定的情况下，要增加被试涡轴发动机10的输出轴的扭矩，则需要降低被试涡轴发动机10的输出轴的转速，而被试涡轴发动机10的自由涡轮的转速由测功器20控制，因此只有通过降低测功器20的转速，从而降低被试涡轴发动机10的输出轴的转速，以使得涡轴发动机的输出轴的扭矩大于或等于扭矩阈值；不同型号被试涡轴发动机10的扭矩的扭矩阈值不同。一般地，被试涡轴发动机10的输出轴的扭矩为该型号发动机扭矩阈值的15%至25%。

被试涡轴发动机10的输出轴的扭矩计算公式为：

$P=\frac{n\·T}{9549},$

其中，P为测功器20所测得的功率；n为被试涡轴发动机10输出轴的转速，T为被试涡轴发动机10输出轴的扭矩。

步骤S9，在被试涡轴发动机10完成上述步骤S3、步骤S5及步骤S7的条件下运行第一时间后，根据被试涡轴发动机10的输出轴损坏情况，判定被试涡轴发动机10是否适合超扭环境工作。

当被试涡轴发动机10的输出轴的扭矩大于或等于扭矩阈值后，使得被试涡轴发动机10的自由涡轮的转速恒定，保持上述状态让被试涡轴发动机10工作第一时间后停车，以检测被试涡轴发动机10能否在上述状态下正常工作。不同型号的发动机的第一时间不同，一般地，第一时间为15min至30min。

停车前先将被试涡轴发动机10的燃气涡轮的转速在悬空状态下降低，通过调节测功器20，将自由涡轮的转速升高，使得输出轴的扭矩小于扭矩阈值，保持上述状态3min至6min后，将被试涡轴发动机10地面慢车工作2min至4min，以使得被试涡轴发动机10能够正常运转，然后将被试涡轴发动机10停车。

在被试涡轴发动机10同时满足滑油进口温度大于或等于滑油温度阈值、燃烧室的出口温度大于或等于出口温度阈值及输出轴的扭矩大于或等于扭矩阈值的情况下，判断被试涡轴发动机10输出轴的损坏情况。如果被试涡轴发动机10输出轴被损坏，则说明该被试涡轴发动机10不能满足超扭试验的要求；如果被试涡轴发动机10输出轴没有被损坏，则说明该被试涡轴发动机10能够满足超扭试验的要求。

需要说明的是，在任一转速下，被试涡轴发动机10的工作扭矩应小于或等于该转速下测功器20的额定扭矩，以使得无论被试涡轴发动机10处于何种工作状态，测功器20都能满足被试涡轴发动机10的工作要求。

参见图2，本发明的优选实施例还提供了一种用于上述方法的涡轴发动机超扭试验装置，包括连接在被试涡轴发动机10的输出轴上用于吸收并测量被试涡轴发动机10功率的测功器20。根据本发明的涡轴发动机超扭试验装置，在被试涡轴发动机10的输出轴上连接测功器20，通过测功器20吸收并测量被试涡轴发动机10的输出功率，使得涡轴发动机在超扭状态下工作，以检测涡轴发动机能否在超过超扭状态下工作。

涡轴发动机10包括燃气涡轮和自由涡轮，燃气涡轮的转速由涡轴发动机自身控制，自由涡轮的转速由涡轴发动机的测功器20控制。

测功器20的输入轴通过连接轴30与被试涡轴发动机10的输出轴连接，被试涡轴发动机10带动测功器20运转，以使测功器20吸收并测量被试涡轴发动机10的输出功率；同时，在被试涡轴发动机10的自由涡轮转速由测功器20控制时，通过调节测功器20转子的转速，能够实现调节被试涡轴发动机10的自由涡轮的转速的目的。测功器20的控制模式有位置模式、转速模式、扭矩模式；在本实施方式中，测功器20采用转速模式，通过快速安全的调节测功器20转子的转速，以实现调节被试涡轴发动机10的自由涡轮的转速。优选地，测功器20采用水力测功器，通过水的能量传递来测量和吸收功率，水力测功器由附带的控制盒控制。

本发明的涡轴发动机超扭试验装置还包括用于检测被试涡轴发动机10的工作状况的测试系统（附图未示出）。测试系统包括测试被试涡轴发动机10滑油温度和压力的滑油测量系统、测试燃烧室出口温度的燃烧室测温系统及测量被试涡轴发动机10转速的测速系统。其中，测速系统与测功器20电连接，测功器20将测得的功率传送给测速系统。滑油测量系统包括用于测量滑油温度的传感器以及将该传感器所测得温度显示的第一显示面板；燃烧室测温系统包括用于测量燃烧室出口温度的传感器以及将该传感器所测得温度显示的第二显示面板；测速系统包括测量被试涡轴发动机10的输出轴转速的传感器、与测功器20相藕接的且接收传感器所采集的信号的计算模块、及将所述计算模块的结果显示的第三显示面板。

为了防止被试涡轴发动机10在进行超扭试验时，被试涡轴发动机10的输出轴被扭断或连接轴30的脱落、扭断对人员造成伤害，在被试涡轴发动机10的外围设置防护装置40。防护装置40可以为简单的钢板焊接而成的一端开口的立方体盒，将被试涡轴发动机10及连接轴置于防护装置40内即可。

实施例1：

将测功器20与被试涡轴发动机10的输出轴连接，将被试涡轴发动机10进行冷运转，使被试涡轴发动机10供油正常；启动被试涡轴发动机10，使被试涡轴发动机10在地面慢车工作2min，然后将被试涡轴发动机10悬空工作2min；推动被试涡轴发动机10的油门杆，使得燃气涡轮的转速达到额定转速46889r/m，保持该状态，使被试涡轴发动机10的滑油温度大于或等于115℃；继续增加燃气涡轮的转速，使得被试涡轴发动机10的燃烧室的出口温度大于出口温度阈值1060℃，保持该状态下燃气涡轮的转速，降低测功器20的转速，使得自由涡轮的转速降低，以使得被试涡轴发动机10的输出轴的扭矩大于或等于扭矩阈值1192.5N·m，保持上述状态，让被试涡轴发动机10持续工作15min后停车，判断被试涡轴发动机10的输出轴损坏情况。

实施例2：

将测功器20与被试涡轴发动机10的输出轴连接，将被试涡轴发动机10进行冷运转，使被试涡轴发动机10供油正常；启动被试涡轴发动机10，使被试涡轴发动机10在地面慢车工作3min，然后将被试涡轴发动机10悬空工作3min；推动被试涡轴发动机10的油门杆，使得燃气涡轮的转速达到额定转速39600r/m，保持该状态，使被试涡轴发动机10的滑油温度大于或等于120℃；继续增加燃气涡轮的转速，使得被试涡轴发动机10的燃烧室的出口温度大于出口温度阈值960℃；保持该状态下燃气涡轮的转速，降低测功器20的转速，使得自由涡轮的转速降低，以使得被试涡轴发动机10的输出轴的扭矩大于或等于扭矩阈值523.2N·m保持上述状态，让被试涡轴发动机10持续工作25min后停车，判断被试涡轴发动机10的输出轴损坏情况。

实施例3：

将测功器20与被试涡轴发动机10的输出轴连接，将被试涡轴发动机10进行冷运转，使被试涡轴发动机10供油正常；启动被试涡轴发动机10，使被试涡轴发动机10在地面慢车工作4min，然后将被试涡轴发动机10悬空工作4min；推动被试涡轴发动机10的油门杆，使得燃气涡轮的转速达到额定转速40357r/m，保持该状态，使被试涡轴发动机10的滑油温度大于或等于130℃；继续增加燃气涡轮的转速，使得被试涡轴发动机10的燃烧室的出口温度大于出口温度阈值1115℃保持该状态下燃气涡轮的转速，降低测功器20的转速，使得自由涡轮的转速降低，以使得被试涡轴发动机10的输出轴的扭矩大于或等于扭矩阈值760N·m保持上述状态，让被试涡轴发动机10持续工作30min后停车，判断被试涡轴发动机10的输出轴损坏情况。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

通过提高被试涡轴发动机的燃气涡轮的转速，将被试涡轴发动机的滑油进口温度升至大于或等于滑油温度阈值，并将被试涡轴发动机的燃烧室的出口温度升至大于或等于出口温度阈值，再通过测功器吸收和测量被试涡轴发动机的功率，根据测功器测量的功率及输出轴的转速得到输出轴的扭矩，并通过降低测功器的转速，以将被试涡轴发动机输出轴的转速降低，将被试涡轴发动机的输出轴的扭矩升至大于或等于扭矩阈值，使得被试涡轴发动机的输出轴在超扭状态下工作，从而根据被试涡轴发动机输出轴的损坏情况，判断该被试涡轴发动机的输出轴能否在超扭状态下工作。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种涡轴发动机超扭试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，将测功器(20)的输入轴与被试涡轴发动机(10)的输出轴连接，并启动所述被试涡轴发动机(10)；

步骤S2，检测所述被试涡轴发动机(10)的滑油温度是否上升至大于或等于滑油温度阈值；

步骤S3，检测所述被试涡轴发动机(10)的燃烧室的出口温度是否上升至大于或等于出口温度阈值；

步骤S4，在所述步骤S2的滑油温度大于或等于滑油温度阈值，且所述步骤S3的出口温度大于或等于出口温度阈值后，根据所述测功器(20)测得的功率计算所述输出轴的扭矩，减小所述被试涡轴发动机(10)的输出轴的转速，使得所述输出轴的扭矩大于或等于扭矩阈值；

步骤S5，在所述被试涡轴发动机(10)完成所述步骤S2、所述步骤S3及所述步骤S4之后，所述被试涡轴发动机(10)再运行第一时间，根据所述被试涡轴发动机(10)的输出轴损坏情况，判定所述被试涡轴发动机(10)是否适合超扭环境工作。

2.根据权利要求1所述的涡轴发动机超扭试验方法，其特征在于，

所述步骤S2中，通过增加所述被试涡轴发动机(10)的燃气涡轮的转速，将所述被试涡轴发动机(10)的滑油温度升至大于或等于滑油温度阈值。

3.根据权利要求1所述的涡轴发动机超扭试验方法，其特征在于，

所述步骤S4中，通过降低所述测功器(20)的转速，以降低所述被试涡轴发动机(10)的自由涡轮的转速，使所述被试涡轴发动机(10)的输出轴的扭矩大于或等于扭矩阈值。

4.根据权利要求1所述的涡轴发动机超扭试验方法，其特征在于，

所述步骤S1之前还包括步骤S0，检查所述被试涡轴发动机(10)的滑油测量系统。

5.根据权利要求1所述的涡轴发动机超扭试验方法，其特征在于，

所述步骤S1中，启动所述被试涡轴发动机(10)的步骤包括先将所述被试涡轴发动机(10)在地面慢车运转第二时间，然后将所述被试涡轴发动机(10)悬空慢车运转第三时间。

6.一种使用权利要求1至5任一项所述方法的涡轴发动机超扭试验装置，其特征在于，包括

连接在被试涡轴发动机(10)的输出轴上用于吸收并测量所述被试涡轴发动机(10)功率的测功器(20)。

7.根据权利要求6所述的涡轴发动机超扭试验装置，其特征在于，

所述涡轴发动机超扭试验装置还包括测试系统，所述测试系统包括测试所述被试涡轴发动机(10)滑油温度的滑油测量系统、测试燃烧室出口温度的燃烧室测温系统及测量所述被试涡轴发动机(10)转速的测速系统。

8.根据权利要求7所述的涡轴发动机超扭试验装置，其特征在于，

所述测速系统与所述测功器(20)电连接。

9.根据权利要求6所述的涡轴发动机超扭试验装置，其特征在于，

所述涡轴发动机超扭试验装置还包括设置在所述被试涡轴发动机(10)外围的防护装置(40)。