CN110793782A - 小型涡轮轴发动机试验与测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航空小型涡轮轴发动机试验与测试技术领域，公开了小型涡轮轴发动机试验与测试装置，包括试验台架及试验与测试控制台；试验台架上安装有用于固定小型涡轮轴发动的发动机支撑座，测试元件包括发动机支撑座与试验台架之间设置的与发动机支撑座接触的压力传感器、分布于小型涡轮轴发动机各特征截面上的温度传感器及燃气压力传感器、用于检测小型涡轮轴发动机转速的转速测量仪以及位于供油管上的燃油流量计；控制台可完成试车过程中的参数测试、数据处理及结果分析。本发明满足了小型涡轮轴发动机动力特性测量的精度、线性和重复性要求，可通过一次点火获得各种转速状态下转速‑扭矩‑功率特性与转速‑耗油率‑各特征截面温度与压力特性。

Description

小型涡轮轴发动机试验与测试装置

技术领域

本发明涉及航空小型涡轮轴发动机试验与测试技术领域，尤其涉及一种小型涡轮轴发动机试验与测试装置。

背景技术

小型涡轮轴发动机具有可靠性高、寿命长（可达上百小时）、功率挖掘潜力大、飞行速度高、功率变化范围广等优点。对于飞行速度、飞行高度、起飞重量都较高的无人机而言，涡轮轴小型涡轮轴发动机是最具潜力的航空动力装置。

目前市面上的测功机、测扭仪等产品的最高转速一般不超过3万转/分，由于现有测功机产品转速较低，欲实现高转速下的发动机性能测量，则需在发动机输出轴与测功机之间增加齿轮变速系统，这将在机械设计上和数据处理系统上大大增加了系统的复杂性，致使无法通过简单改造现有小型涡喷发动机测试台对涡轮轴发动机进行测试。介于以上原因，目前市面上还没有相关输出功率级别的小型涡轮轴发动机测试平台，因此，可借鉴的设计思路极为匮乏，只能根据相关测试理论及经验探索设计方案，极大的增加了小型涡轮轴发动机测试系统的研发难度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小型涡轮轴发动机试验与测试装置，其能够计算10-30kW级小型涡轮轴发动机在各工作状态时的性能参数以评价小型涡轮轴发动机的性能。

本发明提供的小型涡轮轴发动机试验与测试装置包括：用于安装待测试的小型涡轮轴发动机、测试元件的试验台架以及与所述小型涡轮轴发动机、测试元件电连的试验与测试控制台；

所述试验台架上安装有用于固定所述小型涡轮轴发动机的发动机支撑座，所述发动机支撑座通过至少两根竖直设置的支杆安装于所述试验台架上，各支杆与所述发动机支撑座其中一条水平轴线均共面设置，且所述小型涡轮轴发动机安装于所述发动机支撑座上后，其轴线与所述支杆共面设置；所述测试元件包括所述发动机支撑座与所述试验台架之间设置的至少两个压力传感器，所述压力传感器与所述发动机支撑座无压力接触，所述压力传感器以所述支杆所在的竖直平面对称设置。

通过采用上述技术方案，发动机支撑座通过位于其轴线上的支杆与试验台架连接，从而可以使发动机支撑座能够以支杆为支点（即以发动机支撑座轴线为轴心）转动，以使压力传感器获得小型涡轮轴发动机在工作状态下的压力，进而计算出涡轴发动机输出转矩。

在一些实施方式中，所述压力传感器通过压力传感器支座安装于所述试验台架上，所述压力传感器包括应变球头，所述应变球头包括与所述压力传感器支座螺纹连接的螺纹杆，带有螺纹杆的应变球头竖直设置，且顶部球面与所述发动机支撑座无压力接触。

通过采用上述技术方案，应变球头与发动机支撑座点面接触，确保压力传感器采集到的力来自于竖直方向，另外，应变球头通过与压力传感器支座的螺纹连接，实现了其上下位置的可移动性，因此，可通过调成应变球头的位置确保小型涡轮轴发动机的初始状态为水平，同时保证应变球头与压力传感器支座之间始终结构，在小型涡轮轴发动机工作时候有力存在，从而保证能够精确采集到小型涡轮轴发动机扭转所产生的力。

在一些实施方式中，所述发动机支撑座为整体呈“U”形的支架，包括与所述应变球头无压力接触的支承底板及位于支承底板两侧以固定小型涡轮轴发动机的第一支承架及第二支承架。

通过采用上述技术方案，发动机支撑座采用“U”形的支架的结构，从小型涡轮轴发动机的两端支撑住小型涡轮轴发动机，从而提高小型涡轮轴发动机运作时的稳定性，提高测试结果的精度。

在一些实施方式中，所述第一支承架包括用于夹持所述小型涡轮轴发动机的抱箍及连接抱箍与支承底板的支撑柱，所述支承底板上开设有平行于小型涡轮轴发动机轴向的腰形槽，所述支撑柱滑动连接于所述腰形槽内。

通过采用上述技术方案，固定有抱箍的支撑柱可通过腰形槽在支承底板上沿小型涡轮轴发动机轴向移动，同时配合抱箍与小型涡轮轴发动机的活动连接方式，方便调整选择第一支承架与小型涡轮轴发动机的固定位置，从而提高小型涡轮轴发动机运作时的稳定性，提高测试结果的精度。

在一些实施方式中，所述第二支承架包括与所述支承底板连接的支承座，所述支承座远离支承底板的一端开设有U形凹口，所述U形凹口与所述小型涡轮轴发动机功率输出轴相适配，所述支承座与所述小型涡轮轴发动机固定连接。

通过采用上述技术方案，第二支承架与支承底板固定连接且与小型涡轮轴发动机定位连接，实现小型涡轮轴发动机与发动机支撑座的相对固定，从而提高小型涡轮轴发动机运作时的稳定性，提高测试结果的精度。

在一些实施方式中，所述测试元件包括安装于所述小型涡轮轴发动机功率输出轴的吸功装置及位于所述吸功装置转动平面上的转速测量仪。

通过采用上述技术方案，通过吸功装置随小型涡轮轴发动机功率输出轴转动，转速测量仪测量吸功装置的转速，从而间接得到小型涡轮轴发动机功率输出轴的功率。

在一些实施方式中，所述测试元件包括所述小型涡轮轴发动机上安装的温度传感器及用于测试燃气压力的燃气压力传感器，所述温度传感器及燃气压力传感器成环形阵列分布以形成测试截面，所述小型涡轮轴发动机沿其轴向根据小型涡轮轴发动机的特征截面设置若干个测试截面。

通过采用上述技术方案，温度传感器及燃气压力传感器用于测量该小型涡轮轴发动机各特征截面的温度与压力。

在一些实施方式中，所述测试元件包括位于小型涡轮轴发动机供油管的燃油流量计。

通过采用上述技术方案，燃油流量计用于测量燃油流量，从而计算小型涡轮轴发动机的耗油率。

在一些实施方式中，所述试验与测试控制台包括安装于试验与测试控制台台体上的计算机及若干仪表，计算机，与各测试元件连接，用于信号转换与数据采集，实现发动机试车过程中的程序加载、参数测试、数据处理、结果分析；仪表，与计算机电连，用于输出显示各测试元件的测量参数。

通过采用上述技术方案，通过各测试元件采集小型涡轮轴发动机运转时的各参数并发送至计算机，计算机进行信号转换后通过仪表显示。

在一些实施方式中，所述试验与测试控制台还包括安装于试验与测试控制台台体上的EUC控制组件，EUC控制组件与小型涡轮轴发动机电连，用于控制小型涡轮轴发动机的启停、转速调节以及燃油油量的调节。

通过采用上述技术方案，EUC控制组件可以控制以及获取该小型涡轮轴发动机转速。

综上所述，本发明提供的小型涡轮轴发动机试验与测试装置与现有技术相比具有以下优点：

1.通过在发动机支撑座下方设置压力传感器，从而获得小型涡轮轴发动机在工作状态下的压力，进而计算小型涡轮轴发动机的输出转矩；

2.通过设置压力传感器、转速测量仪、温度传感器、燃气压力传感器及燃油流量计，并将各测试元件与试验与测试控制台电连，满足了小型涡轮轴发动机动力特性测量的精度、线性和重复性要求，可通过一次点火获得小型涡轮轴发动机各种转速状态下转速-扭矩-功率特性与转速-耗油率-各特征截面温度与压力特性。

附图说明

图1为本发明提供的小型涡轮轴发动机试验与测试装置的结构示意图；

图2为图1所示的小型涡轮轴发动机试验与测试装置中发动机支撑座的结构示意图；

图3为图1所示的小型涡轮轴发动机试验与测试装置中压力传感器的结构示意图；

图4为本发明提供的小型涡轮轴发动机试验与测试装置中试验与测试控制台的功能模块图。

其中，10、小型涡轮轴发动机；101、供油管；1、试验台架；11、发动机支撑座；110、支承底板；1101、腰形槽；1102、夹板；1103、螺母；1104、螺栓；111、第一支承架；1111、抱箍；1112、支撑柱；112、第二支承架；1120、支承座；1121、U形凹口；1122、支板；1123、撑板；12、支杆；121、支杆支座；2、试验与测试控制台；20、试验与测试控制台台体；21、计算机；22、EUC控制组件；23、仪表；3、压力传感器；30、压力传感器支座；31、应变球头；311、螺纹杆；41、吸功装置；42、转速测量仪；5、温度传感器；6、燃气压力传感器；7、燃油流量计；8、万向轮。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

本发明披露的小型涡轮轴发动机试验与测试装置，如图1所示，包括:用于安装待测试的小型涡轮轴发动机10和测试元件的试验台架1以及与小型涡轮轴发动机10、测试元件电连的试验与测试控制台2，在本发明此实施方式中，试验台架1及试验与测试控制台2连为一体，且底部安装有万向轮8。测试元件用于采集小型涡轮轴发动机10运转时的参数，并发送至试验与测试控制台2，通过试验与测试控制台2显示，同时试验与测试控制台2可用于控制小型涡轮轴发动机10的启停、转速调节以及燃油油量的调节。

如图1所示，试验台架1上安装有用于固定小型涡轮轴发动机10的发动机支撑座11，发动机支撑座11为整体呈“U”形的金属支架，其包括支承底板110及位于支承底板110两侧上方的第一支承架111及第二支承架112，第一支承架111及第二支承架112从小型涡轮轴发动机10的两端固定小型涡轮轴发动机10住小型涡轮轴发动机10，从而提高小型涡轮轴发动机10运作时的稳定性。

如图2所示，第一支承架111包括用于夹持小型涡轮轴发动机10的抱箍1111及连接抱箍1111与支承底板110的支撑柱1112，抱箍1111从上下两侧夹持住小型涡轮轴发动机10，因此，不仅能够实现对小型涡轮轴发动机10的固定，同时方便调整第一支承架111与小型涡轮轴发动机10的固定位置；另外如图2所示，支承底板110上开设有平行于小型涡轮轴发动机10轴向的腰形槽1101，支撑柱1112远离抱箍1111的一端具有与腰形槽1101截面配合的滑块，从而实现了支撑柱1112与腰形槽1101的滑动连接，支承底板110上方设有夹板1102套设于支撑柱1112上，夹板1102上固定有螺母1103，另外设有与螺母1103螺纹连接的螺栓1104贯穿夹板1102，螺栓1104与所述支承底板110抵紧。支撑柱1112通过腰形槽1101在支承底板110上沿小型涡轮轴发动机10轴向移动，同时配合抱箍1111与小型涡轮轴发动机10的活动连接方式，方便调整选择第一支承架111与小型涡轮轴发动机10的固定位置，在第一支承架111调整至合适位置后通过夹板1102实现定位，以此提高小型涡轮轴发动机10运作时的稳定性，提高测试结果的精度。

如图2所示，第二支承架112包括与支承底板110固定连接的支承座1120，固定连接可以是焊接，也可以螺栓连接，在本发明此实施方式中，以焊接为例加以说明。支承座1120包括支板1122及位于支板1122同一面两侧的直角三角形撑板1123，撑板1123的两直角边分别与支板1122及支承底板110连接。如图2所示，支板1122远离支承底板110的一端开设有U形凹口1121，U形凹口1121与小型涡轮轴发动机10功率输出轴相适配，支承座1120与小型涡轮轴发动机10通过螺栓固定连接。第二支承架112与支承底板110固定连接且与小型涡轮轴发动机10定位连接，实现小型涡轮轴发动机10与发动机支撑座11的相对固定，从而提高小型涡轮轴发动机10运作时的稳定性，提高测试结果的精度。

如图1所示，发动机支撑座11通过至少两根竖直设置的支杆12安装于试验台架1上（在本发明此实施方式中以两个支杆12为例加以说明），两个支杆12通过支杆支座121竖直固定于试验台架1上，小型涡轮轴发动机10安装于所述发动机支撑座11上后，两个支杆12、发动机支撑座11的其中一条水平轴以及小型涡轮轴发动机10的轴线位于同一平面内，因此，在小型涡轮轴发动机10安装于所述发动机支撑座11上后，小型涡轮轴发动机10可以支杆12为支点（即以发动机支撑座11轴线为轴心）轻微转动，以便于检测小型涡轮轴发动机在工作状态下的扭力。

如图1所示，测试元件包括发动机支撑座11与试验台架1之间设置的两个压力传感器3，两个压力传感器3通过压力传感器支座30安装于试验台架1上，两个压力传感器3与发动机支撑座11的支承底板110底面无压力接触，压力传感器3以支杆12所在的竖直平面对称设置。发动机支撑座11通过位于其轴线上的支杆12与试验台架1连接，从而可以使发动机支撑座11能够以发动机支撑座11轴线为轴心转动，以使压力传感器3获得小型涡轮轴发动机10在工作状态下的压力，进而计算发动机的扭矩.

如图3所示，压力传感器3包括应变球头31，应变球头31包括与压力传感器支座30螺纹连接的螺纹杆311，带有螺纹杆311的应变球头31竖直设置，且顶部球面与支承底板110底面无压力接触。因此，应变球头31与发动机支撑座11点面接触，确保压力传感器3采集到的力来自于竖直方向，另外，应变球头31通过与压力传感器支座30的螺纹连接，实现了其上下位置的可移动性，因此，可通过调成应变球头31的位置确保小型涡轮轴发动机10的初始状态为水平，同时保证应变球头31与压力传感器支座30之间始终结构，在小型涡轮轴发动机工作时候有力存在，从而保证能够精确采集到小型涡轮轴发动机10扭转所产生的力。

如图1所示，测试元件还包括安装于小型涡轮轴发动机10功率输出轴的吸功装置41及位于吸功装置41转动平面上的转速测量仪42，在本发明此实施方式中，吸功装置41为榉木螺旋桨，转速测量仪42为高精度非接触激光转速测量仪。通过吸功装置41随小型涡轮轴发动机10功率输出轴转动，转速测量仪42测量吸功装置41的转速，从而间接得到小型涡轮轴发动机功率输出轴的功率。

如图1所示，测试元件还包括：

安装于小型涡轮轴发动机10外周的温度传感器5（即热电偶）及燃气压力传感器6，温度传感器5及燃气压力传感器6成环形阵列分布以形成测试截面，小型涡轮轴发动机10沿其轴向根据发动机的特征截面（通常为进气口、压气机、燃烧室、涡轮、尾喷口）设置若干个测试截面。在本发明此实施方式中，在小型涡轮轴发动机10上根据发动机的特征截面布置有5个测试截面，每个测试截面上分别环向布置4个温度传感器5及燃气压力传感器6。温度传感器5及燃气压力传感器6用于测量该小型涡轮轴发动机10各特征截面的温度与压力。

安装于小型涡轮轴发动机10供油管101的燃油流量计7，燃油流量计7采用涡轮燃油流量计。在本发明此实施方式中，小型涡轮轴发动机10通过供油管101连接油箱（图中未示出），供油管101上设有油泵（图中未示出），从而实现燃油供给。燃油流量计7用于测量燃油流量，从而计算小型涡轮轴发动机10的耗油。

如图1和图4所示，试验与测试控制台2包括安装于试验与测试控制台台体20上的计算机21、EUC控制组件22及仪表23。计算机21与各测试元件连接，用于信号转换与数据采集，实现发动机试车过程中的程序加载、参数测试、数据处理、结果分析；仪表23与计算机21电连，用于输出显示各测试元件的测量参数，通过各测试元件采集小型涡轮轴发动机10运转时的各参数并发送至计算机21，计算机21进行信号转换后通过仪表23显示，EUC控制组件22与小型涡轮轴发动机10电连，用于控制小型涡轮轴发动机10的启停、转速调节以及燃油油量的调节。

本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.小型涡轮轴发动机试验与测试装置，其特征在于，包括：用于安装待测试的小型涡轮轴发动机（10）、测试元件的试验台架（1）以及与所述小型涡轮轴发动机（10）、测试元件电连的试验与测试控制台（2）；

所述试验台架（1）上安装有用于固定所述小型涡轮轴发动机（10）的发动机支撑座（11），所述发动机支撑座（11）通过至少两根竖直设置的支杆（12）安装于所述试验台架（1）上，各支杆（12）与所述发动机支撑座（11）其中一条水平轴线均共面设置，且所述小型涡轮轴发动机（10）安装于所述发动机支撑座（11）上后，其轴线与所述支杆（12）共面设置；所述测试元件包括所述发动机支撑座（11）与所述试验台架（1）之间设置的至少两个压力传感器（3），所述压力传感器（3）与所述发动机支撑座（11）无压力接触，所述压力传感器（3）以所述支杆（12）所在的竖直平面对称设置。

2.根据权利要求1所述的小型涡轮轴发动机试验与测试装置，其特征在于，所述压力传感器（3）通过压力传感器支座（30）安装于所述试验台架（1）上，所述压力传感器（3）包括应变球头（31），所述应变球头（31）包括与所述压力传感器支座（30）螺纹连接的螺纹杆（311），带有螺纹杆（311）的应变球头（31）竖直设置，且顶部球面与所述发动机支撑座（11）无压力接触。

3.根据权利要求2所述的小型涡轮轴发动机试验与测试装置，其特征在于，所述发动机支撑座（11）为整体呈“U”形的支架，包括与所述应变球头（31）无压力接触的支承底板（110）及位于支承底板（110）两侧以固定小型涡轮轴发动机（10）的第一支承架（111）及第二支承架（112）。

4.根据权利要求3所述的小型涡轮轴发动机试验与测试装置，其特征在于，所述第一支承架（111）包括用于夹持所述小型涡轮轴发动机（10）的抱箍（1111）及连接抱箍（1111）与支承底板（110）的支撑柱（1112），所述支承底板（110）上开设有平行于小型涡轮轴发动机（10）轴向的腰形槽（1101），所述支撑柱（1112）滑动连接于所述腰形槽（1101）内。

5.根据权利要求4所述的小型涡轮轴发动机试验与测试装置，其特征在于，所述第二支承架（112）包括与所述支承底板（110）连接的支承座（1120），所述支承座（1120）远离支承底板（110）的一端开设有U形凹口（1121），所述U形凹口（1121）与所述小型涡轮轴发动机（10）功率输出轴相适配，所述支承座（1120）与所述小型涡轮轴发动机（10）固定连接。

6.根据权利要求1所述的小型涡轮轴发动机试验与测试装置，其特征在于，所述测试元件包括安装于所述小型涡轮轴发动机（10）功率输出轴的吸功装置（41）及位于所述吸功装置（41）转动平面上的转速测量仪（42）。

7.根据权利要求6所述的小型涡轮轴发动机试验与测试装置，其特征在于，所述测试元件包括所述小型涡轮轴发动机（10）上安装的温度传感器（5）及用于测试燃气压力的燃气压力传感器（6），所述温度传感器（5）及燃气压力传感器（6）成环形阵列分布以形成测试截面，所述小型涡轮轴发动机（10）沿其轴向根据小型涡轮轴发动机的特征截面设置若干个测试截面。

8.根据权利要求7所述的小型涡轮轴发动机试验与测试装置，其特征在于，所述测试元件包括位于小型涡轮轴发动机（10）供油管（101）的燃油流量计（7）。

9.根据权利要求1所述的小型涡轮轴发动机试验与测试装置，其特征在于，所述试验与测试控制台（2）包括安装于试验与测试控制台台体（20）上的计算机（21）及若干仪表（23），

计算机（21），与各测试元件连接，用于信号转换与数据采集，实现发动机试车过程中的程序加载、参数测试、数据处理、结果分析；

仪表（23），与计算机（21）电连，用于输出显示各测试元件的测量参数。

10.根据权利要求9所述的小型涡轮轴发动机试验与测试装置，其特征在于，所述试验与测试控制台（2）还包括安装于试验与测试控制台台体（20）上的EUC控制组件（22），EUC控制组件（22）与小型涡轮轴发动机（10）电连，用于控制小型涡轮轴发动机（10）的启停、转速调节以及燃油油量的调节。

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