CN109708893A - 一种航空发动机用交流发电机型测功系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航空发动机用电机型测功系统，包括交流发电机、航空发动机附件轴功率调节控制系统和电机效率试验平台。交流发电机由航空发动机带转发电，发电量由航空发动机附件轴功率调节控制系统控制和测量，能量最终由电阻负载发热消耗。电机效率测量平台是为系统提供电机效率。本发明特征在于使用高转速悬挂安装的交流发电机通过电机加载的方式设定并测量航空发动机附件输出轴功率，本发明能设定并测量飞机附件输出轴功率，结合附件效率值，完整传递了发动机输出的真实功率。解决了随着附件长期工作中效率因素降低造成发动机工作负荷变大，从而发动机功率提取工况下考核失真的问题。本发明属于军民通用、航空发动机附件加载试验技术领域，研究技术可应用于航空发动机功率提取试验。

Description

一种航空发动机用交流发电机型测功系统

技术领域

本发明属于航空发动机地面台架功率提取试验技术领域，涉及测量航空发动机功率提取的方法研究。

背景技术

航空发动机功率提取考核试验是航空发动机研制过程中的重要研究项目。发动机的功率提取主要通过飞机附件工作将功率传递给飞机，为飞机的航电、液压等系统提供功率。航空发动机在悬挂式试车台上的功率提取试验对航空发动机定型和批产直观重要。而在实际发动机试验中往往存在飞机附件研制周期长、研制费用高等问题。试验中往往会因为功率提取要求不同，往复更换飞机附件并改造加载设备。这样就造成生产效率低，并浪费大量加载设备资源。

另外，航空发动机功率提取试验中，随着飞机附件的长时间使用，其效率值可能衰减。但附件要求加载参数值不变。这就造成发动机实际输出功率随着飞机附件工作效率下降而不断增大，隐形地加大了发动机工作负担，并造成发动机功率损失，对产品性能分析结果造成影响。

现有悬挂式试车台航空发动机功率提取方法是：选择交流发交流发电机、液压泵等航空附件直接进行装机加载。交流发交流发电机端的功率提取考核参数是交流发电机输出的电压和电流，液压泵端的功率提取考核参数是工作压差与泵输出流量。通过测量相关参数，对其进行分析计算得到附件输出功率值，再使用飞机附件规定的效率值，进行换算后得到附件从发动机提取出的功率值。未检索到国内外基于悬挂式试车台的使用发交流发电机测量航空发动机输出功率的技术文献。

发明内容

发明目的

本发明研究设计了一套交流发电机加载系统进行加载试验，并测量发动机附件输出轴的功率。

发明技术解决方案

为了实现上述发明目的，本发明采用下述的技术方案：一种航空发动机用交流发电机型测功系统，包括航空发动机附件轴功率调节控制系统和电机效率试验平台；

航空发动机附件轴功率调节控制系统包括：交流发电机、电气控制柜；电气控制柜包括交流发电机加载软件，平板工控机，负载控制单元，交流测量模块，直流测量模块，功率测量表，PLC，扭矩和转速测量模块，温度测量表；交流发电机加载软件用于显示交流发交流发电机侧交流电参数、控制柜整流输出直流电参数、交流发电机前端参数、交流发电机内部温度参数值，具有功率控制功能及远程控制功能；平板工控机是控制系统软件运行平台，实现负载控制单元、功率测量表、PLC、扭矩和转速测量模块、温度测量表的参数汇总采集，发送控制指令，与交流发电机加载软件进行数据通讯；交流发交流发电机产生的三相交流电进入交流测量模块中，交流测量模块测量的交流电功率输入功率测量表，功率测量表即可测量出交流发电机发出的交流电功率；负载控制单元将来自交流测量模块的三相交流电通过整流斩波变成直流电并可调整电流电压；负载控制单元与直流测量模块连接，直流测量模块用于测量直流负载电压和电流；扭矩和转速测量模块用于测量发动机传递给交流发交流发电机的轴功率，其测量的轴功率输入PLC；PLC用于采集扭矩和转速测量模块中的扭矩传感器输出电压、交流发电机润滑油箱开关量信号；温度测量表用于测量交流发交流发电机的内部温度；

电机效率试验平台包括一台电动机，电动机与航空发动机附件轴功率调节控制系统的交流发电机之间由扭矩传感器连接；电动机为电机效率试验的动力源，电动机通过扭矩传感器带动交流发电机，交流发电机转动发电；通过扭矩传感器测量交流发电机的轴功率、通过航空发动机附件轴功率调节控制系统测得的交流发电机输出功率，再经过换算得到交流发电机效率值。

优选的，交流测量模块中包括三相交流接触器，三相交流接触器与高频电流电流电压互感器连接；高频电流电流电压互感器测量的发交流发电机发出的交流电功率。

优选的，负载控制单元包括整流模块、斩波模块和直流测量模块。

优选的，交流发电机加载软件包括显示模块，控制模块和监测模块；

显示模块用于显示扭矩转速测量模块测量得到的交流发电机扭矩、交流发电机转速、交流发电机功率，交流发电机温度采集测量得到的交流发电机绕组温度、交流发电机轴承温度；交流和直流测量模块测得的交流发电机线电压、交流发电机线电流，直流负载电压和电流，功率测量表测得的交流发电机输出功率；控制模块通过交流发电机加载软件界面上的交流发电机加载允许开关、交流发电机卸载开关和加载功率调节器控制由PLC实现的交流发电机接入负载状态；

监测模块用于监测交流发电机电流，实现过流报警；监测交流发电机温度，实现温度过高报警；监测交流发电机电压，实现过压报警；监测交流发电机滑油位，实现低限报警。

优选的，交流发电机采用永磁体交流发电机。

优选的，电机效率试验平台中的两台电机采用对拖安装。

本发明的优点

本发明的优点在于：能测量飞机附件输出轴功率，结合附件效率值，完整传递了发动机输出的真实功率。解决了随着附件长期工作中效率因素降低造成发动机工作负荷变大，从而发动机功率提取工况下考核失真的问题。本发明的测功系统工作范围广，适用范围广，可运用到多型航空发动机功率提取试验中。

附图说明

图1为本发明的工作原理流程。

图2为本发明的航空发动机附件轴功率调节控制系统工作流程。

图3为本发明的电机效率试验平台组成。

图4为本发明的交流发电机加载软件部分界面。

图中：1-电动机，2-转接轴，3-扭矩传感器，4-发电机。

具体实施方式

结合发明内容概述和附图，详细说明本发明的具体实施方式。

(1)设计制造航空发动机用发交流发电机：发交流发电机的工作转速需要满足航空发动机输出转速，最大加载功率需满足航空发动机的交流发电机加载要求。首先统计分析航空发动机的交流发电机加载工作转速和加载功率，整合出最大值。结合试车台安装环境，提出交流发电机技术条件。本发明选用的是永磁体发交流发电机类型，该发交流发电机的工作范围较宽，满足航空发动机的交流发电机加载要求。

(2)设计制造交流发电机悬臂安装结构：交流发电机的工作范围较宽，交流发电机自身质量更大。需要对交流发电机悬臂安装结构进行强度分析。首先使用强度分析软件进行仿真计算，计算交流发电机的静载荷和4倍过载情况下的安装结构强度。标记出应力集中分布区，在交流发电机装机后进行贴应变片片测量。保证交流发电机悬臂安装安全可靠。

(3)搭建交流发电机效率试验平台：该平台分为两个方面。第一，设计制造一套交流发电机轴功率测试装置：该装置为扭矩测量装置，装置中含有转接轴2和扭矩传感器3，整个装置体积小，自身重量要求严格，并在高转速转速下转动。运用动平衡软件进行仿真计算，并在附件装机之前进行低速到高速转动验证。第二，得到交流发电机在特定转速和输出功率下的效率值，该效率值是通过两台交流发电机对拖运转实现的，一台交流发电机作为电动机1，一台交流发电机作为发电机4，两台交流发电机之间安装扭矩测量装置，通过测量交流发电机的轴功率、交流发电机输出功率，再经过换算得到交流发电机效率值。

(4)设计制作航空发动机附件轴功率调节控制系统：航空发动机功率输出是由交流发电机做功实现的。将交流发电机悬臂安装在航空发动机的飞机附件机匣上，航空动机高压转子带转交流发电机转动，交流发电机被带动后发电输出功率，输出功率大小由电气控制柜进行设定控制。

航空发动机附件轴功率调节控制系统包括：交流发电机、电气控制柜；电气控制柜包括交流发电机加载软件，平板工控机，负载控制单元，交流测量模块，直流测量模块，功率测量表，PLC，扭矩和转速测量模块，温度测量表；交流发电机加载软件用于显示交流发交流发电机侧交流电参数、控制柜整流输出直流电参数、交流发电机前端参数、交流发电机内部温度参数值，具有功率控制功能及远程控制功能；平板工控机是控制系统软件运行平台，实现负载控制单元、功率测量表、PLC、扭矩和转速测量模块、温度测量表的参数汇总采集，发送控制指令，与交流发电机加载软件进行数据通讯；交流发交流发电机产生的三相交流电进入交流测量模块中，交流测量模块测量的交流电功率输入功率测量表，功率测量表即可测量出交流发电机发出的交流电功率；负载控制单元将来自交流测量模块的三相交流电通过整流斩波变成直流电并可调整电流电压；负载控制单元与直流测量模块连接，直流测量模块用于测量直流负载电压和电流；扭矩和转速测量模块用于测量发动机传递给交流发交流发电机的轴功率，其测量的轴功率输入PLC；PLC用于采集扭矩和转速测量模块中的扭矩传感器输出电压、交流发电机润滑油箱开关量信号；温度测量表用于测量交流发交流发电机的内部温度；

交流发电机加载软件嵌入平板工控机，平板工控机采用Windows系统并具有存储功能，交流发电机加载软件包括显示模块，控制模块和监测模块；显示模块用于显示扭矩转速测量模块测量得到的交流发电机扭矩、交流发电机转速、交流发电机功率，交流发电机温度采集测量得到的交流发电机绕组温度、交流发电机轴承温度；交流和直流测量模块测得的交流发电机线电压、交流发电机线电流，直流负载电压和电流，功率测量表测得的交流发电机输出功率；控制模块通过交流发电机加载软件界面上的交流发电机加载允许开关、交流发电机卸载开关和加载功率调节器控制由PLC实现的交流发电机接入负载状态；监测模块用于监测交流发电机电流，实现过流报警；监测交流发电机温度，实现温度过高报警；监测交流发电机电压，实现过压报警；监测交流发电机滑油位，实现低限报警。

由交流发电机自身效率值，经计算可得到航空发动机由交流发电机端测得的输出功率。

(5)航空发动机与交流发电机匹配验证：航空发动机有多种工作状态，当发动机进行加速性、减速性、大小油门检查时。对发交流发电机输出转速急升或急降进行考核。在交流发电机加载调试阶段，模拟发动机工作状态，考核发交流发电机地面运转可靠性。在航空发动机与发交流发电机整机匹配调试中考核交流发电机转速变化和加载功率变化情况。

本发明的工作原理是：本发明是基于悬挂式试车台的航空发动机输出功率测量技术。该技术首先计算了交流发电机选型要求，满足了交流发电机悬臂安装、适应多型航空发动机工作的条件。通过强度和动平衡等技术分析。满足了交流发电机悬臂安装并高转速运转的可靠性条件。本发明提出了一套完整的测量航空发动机输出功率的方法，首先航空发动机通过带动悬臂安装的交流发电机做功，交流发电机发出的电量通过调控后由后端电阻箱消耗。控制柜测得交流发电机输出功率，由交流发电机自身真实效率值，进行换算得到交流发电机输入轴功率，即发动机输出功率。此方法能在交流发电机效率变化的情况下，依然准确测量发动机输出功率。

实施例

设计制造航空发动机用发交流发电机：发交流发电机的工作转速需要满足发动机输出转速19000rpm，最大加载功率需满足多型号航空发动机的交流发电机加载要求。首先统计分析各型航空发动机的交流发电机加载工作转速和加载功率，整合出最大值，经计算单台交流发电机最大功率输出为100kW，所以要求交流发电机在2000rpm时交流发电机输出功率达到100kW。结合试车台安装环境，提出交流发电机技术条件，因对交流发电机安装空间要求严格，交流发电机外径不大于φ210mm，总长不大于430mm(转接座端面到交流发电机末端不超过600mm)。

设计制造交流发电机悬臂安装结构：交流发电机的工作范围较宽，交流发电机附件更重。需要对交流发电机悬臂安装结构进行强度分析。首先使用强度分析软件进行仿真计算，计算附件的静载荷、1.5倍和4倍过载情况下的安装结构强度。经计算重力载荷下的壳体强度，得出壳体上最大Mises应力为25MPa，最大主应力为32MPa。考虑到振动的影响，在1.5g过载下得出壳体上最大Mises应力为37MPa,最大主应力为48MPa；在4g过载下得出壳体上最大Mises应力为97MPa,最大主应力为126MPa,。经计算，壳体所受应力均小于壳体材料许用屈服应力181MPa。

标记出应力集中分布区，在交流发电机装机后进行贴片测量。经测量飞机附件机匣最大应力值为5.62MPa，小于壳体材料许用屈服应力181MPa。机匣右挂点最大应力值为5.66MPa，小于吊挂材料在150℃的屈服极限880MPa。交流发电机满足悬臂安装要求。

悬臂安装强度满足要求，按设计思路，航空发动机用交流发电机可运用至多型航空发动机。需要通过机械改造接口连接到航空发动机上。交流发电机接口处采用可拆卸安装边设计，并设计可换装不同尺寸的花键轴。实现一型交流发电机适用多型发动机，当前可实现XX12、XX12A航空发动机的交流发电机机械接口。

搭建交流发电机效率试验平台：首先得到交流发电机转子动平衡分析，交流发电机转子在22000r/min转速下，转子最大振幅为0.03mm。其次，在特定转速和输出功率下测量交流发电机的效率值，该效率值是通过两台交流发电机对拖运转实现的，在12100rpm转速下，一台交流发电机作为电动机，一台交流发电机作为发交流发电机，两台交流发电机之间安装扭矩传感器，通过测量交流发电机的轴功率19.6807kW、交流发电机输出功率17.992kW，再经过换算得到交流发电机效率值0.914196。

设计制作航空发动机附件轴功率调节控制系统:航空发动机功率输出是由交流发电机做功实现的，将交流发电机安装在航空发动机。交流发电机的功率调节流程见附图2，其中的斩波模块是使用PWM技术触发信号控制IGBT的通断，使加载电阻箱两端的电压在0～100％之间可调，进而实现交流发电机发电功率调节。在发动机MC状态下，交流发电机转速为12100rpm。而交流发电机的输出功率可由后端的功率测量仪表计算得出。通过反算，代入同转速下的交流发电机效率值0.914196，可得到航空发动机由交流发电机端测得的输出功率。

航空发动机与交流发电机匹配验证：航空发动机有多种工作状态，当发动机进行加速性、减速性、大小油门检查时。对发交流发电机输出转速急升或急降进行考核。在交流发电机加载调试阶段，模拟发动机工作状态，考核发交流发电机地面运转可靠性。在航空发动机与发交流发电机整机匹配调试中考核交流发电机转速变化和加载功率变化情况。发动机MC状态下要求调整电机输出功率Pjf,sc,1＝18kW、Pjf,sc,2＝18kW，其中功率调整界面见附图3，实际加载输出功率为Pjf,sc,1＝18.04kW、Pjf,sc,2＝17.80kW，1号交流发电机加载从0到18.04kW调整时间为6s，2号交流发电机加载从0到17.56kW调整时间为3s。两台交流发电机输出功率控制精度为±0.4kW。两台交流发电机加载输出平稳。发动机nH＝82％状态下要求调整Pjf,sc,1＝26kW、Pjf,sc,2＝26kW，实际加载输出功率为Pjf,sc,1＝26.23kW、Pjf,sc,2＝25.92kW,两台交流发电机输出功率控制精度满足±0.4kW。两台交流发电机发电输出平稳连续。

Claims (6)

1.一种航空发动机用交流发电机型测功系统，其特征在于：包括航空发动机附件轴功率调节控制系统和电机效率试验平台；

航空发动机附件轴功率调节控制系统包括：交流发电机、电气控制柜；电气控制柜包括交流发电机加载软件，平板工控机，负载控制单元，交流测量模块，直流测量模块，功率测量表，PLC，扭矩和转速测量模块，温度测量表；交流发电机加载软件用于显示交流发交流发电机侧交流电参数、控制柜整流输出直流电参数、交流发电机前端参数、交流发电机内部温度参数值，具有功率控制功能及远程控制功能；平板工控机是控制系统软件运行平台，实现负载控制单元、功率测量表、PLC、扭矩和转速测量模块、温度测量表的参数汇总采集，发送控制指令，与交流发电机加载软件进行数据通讯；交流发交流发电机产生的三相交流电进入交流测量模块中，交流测量模块测量的交流电功率输入功率测量表，功率测量表即可测量出交流发电机发出的交流电功率；负载控制单元将来自交流测量模块的三相交流电通过整流斩波变成直流电并可调整电流电压；负载控制单元与直流测量模块连接，直流测量模块用于测量直流负载电压和电流；扭矩和转速测量模块用于测量发动机传递给交流发交流发电机的轴功率，其测量的轴功率输入PLC；PLC用于采集扭矩和转速测量模块中的扭矩传感器输出电压、交流发电机润滑油箱开关量信号；温度测量表用于测量交流发交流发电机的内部温度；

电机效率试验平台包括一台电动机，电动机与航空发动机附件轴功率调节控制系统的交流发电机之间由扭矩传感器连接；电动机为电机效率试验的动力源，电动机通过扭矩传感器带动交流发电机，交流发电机转动发电；通过扭矩传感器测量交流发电机的轴功率、通过航空发动机附件轴功率调节控制系统测得的交流发电机输出功率，再经过换算得到交流发电机效率值。

2.如权利要求1所述的一种航空发动机用交流发电机型测功系统，其特征在于：交流测量模块中包括三相交流接触器，三相交流接触器与高频电流电流电压互感器连接；高频电流电流电压互感器测量的发交流发电机发出的交流电功率。

3.如权利要求1所述的一种航空发动机用交流发电机型测功系统，其特征在于：负载控制单元包括整流模块、斩波模块和直流测量模块。

4.如权利要求1所述的一种航空发动机用交流发电机型测功系统，其特征在于：交流发电机加载软件包括显示模块，控制模块和监测模块；

显示模块用于显示扭矩转速测量模块测量得到的交流发电机扭矩、交流发电机转速、交流发电机功率，交流发电机温度采集测量得到的交流发电机绕组温度、交流发电机轴承温度；交流和直流测量模块测得的交流发电机线电压、交流发电机线电流，直流负载电压和电流，功率测量表测得的交流发电机输出功率；控制模块通过交流发电机加载软件界面上的交流发电机加载允许开关、交流发电机卸载开关和加载功率调节器控制由PLC实现的交流发电机接入负载状态；

监测模块用于监测交流发电机电流，实现过流报警；监测交流发电机温度，实现温度过高报警；监测交流发电机电压，实现过压报警；监测交流发电机滑油位，实现低限报警。

5.如权利要求1所述的一种航空发动机用交流发电机型测功系统，其特征在于：交流发电机采用永磁体交流发电机。

6.如权利要求1所述的一种航空发动机用交流发电机型测功系统，其特征在于：电机效率试验平台中的两台电机采用对拖安装。