CN113432785B - 一种不加载条件下的航空发动机转动惯量测量方法 - Google Patents

一种不加载条件下的航空发动机转动惯量测量方法 Download PDF

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Abstract

本申请属于发动机试验技术领域，特别涉及一种不加载条件下的航空发动机转动惯量测量方法。该方法包括：通过气源控制装置驱动空气涡轮起动机转动，由所述空气涡轮起动机驱动发动机起动，所述功率传动轴上设置有扭矩测量装置；标定发动机起动过程的气源条件，并利用已标定的气源条件，进行发动机起动试验；在发动机起动成功至起动完成时间段内，获取功率传动轴的N个时间节点的的剩余扭矩，以及获取对应的N个时间节点的发动机转速；确定发动机转动惯量。本申请通过对发动机起动过程中多个时间节点的转动惯量的测量，能够更精准的获取发动机起动过程试验数据，为发动机配装用的起动机进行选型提供有力的试验数据支撑。

Description

一种不加载条件下的航空发动机转动惯量测量方法
技术领域
本申请属于发动机试验技术领域，特别涉及一种不加载条件下的航空发动机转动惯量测量方法。
背景技术
航空发动机作为飞机最为重要的装置之一，能够为飞机飞行提供所必须推力。航空发动机从静止状态过渡到工作状态，需要经过起动机的带转，起动机的输出扭矩需要克服发动机自身的转动力矩的影响才能够实现有效的起动。对于飞机起动系统地面试验考核，一般在与发动机进行联试之前需要进行起动系统能力的考核，发动机转动惯量直接影响到飞机起动的加速特性，目前由于难以准确的获得发动机的转动惯量，因此，起动机的考核一般与发动机放在一起进行考核，导致飞机起动系统的研制风险无法提前化解，传统型号设计过程中，起动系统作为重要的考核项目，在GJB 241A-2010、GJB2187A-2015、HB6630-92中都由详细的规定。
在现有的航空发动机起动系统设计过程中，主要是通过测功机的方式模拟起动机的输出功率，起动机带转发动机起动加速过程只能通过地面试验的方式，缺少评判和模拟的相关方法，应用工程经验和试验相结合的方式开展相关的起动系统的设计，主要会存在以下几个方面的难点和问题：
1、由于航空发动机起动过程是一个复杂的动态过程，其内部几何部件的结构参数、转子转动过程中的摩擦力、滑油黏度、发动机点火的油气比、点火能量、供气条件等对发动机转动惯量测量均有直接的影响，如何准确的标定发动机的转动惯量进而获得发动机、起动机与飞机起动负载特性本身就是一个复杂的工程问题；
2、传统采用燃气涡轮起动机进行航空发动机起动，起动机在交付之前会进行性能指标的考核，一般仅考核起动机的输出功率是否达标，无法考核起动机能否在单位的时间带转发动机起动，主要是由于传统起动机达标试验采用飞轮模拟发动机的转动惯量，误差较大，影响指标的考核；
3、传统发动机起动过程中的转动惯量是通过参数化建模开展分析的，在建模过程中往往需要进行相关的假设，将复杂的动态物理过程通过数学模型进行表征，转子的冷、热态间隙、滑油的动力黏度影响、转子的摩擦力、燃油雾化效率等都会造成计算结果偏差较大，无法准确计算给出；
4、在特殊环境使用如高原机场，发动机转动惯量获取对于飞机起动能力的评价至关重要，往往在这些特殊环境下开展大量的地面起动试验进行摸底，无法在常规试验环境下通过模拟发动机特殊环境下的转动惯量等参数进行评价，造成研制周期、研发成本等代价较大。
发明内容
为了解决上述问题，本申请提供了一种不加载条件下的航空发动机转动惯量测量方法，主要包括：
步骤S1、通过气源控制装置驱动空气涡轮起动机转动，由所述空气涡轮起动机驱动附件传动装置的齿轮轴旋转，所述附件传动装置通过功率传动轴连接发动机传动装置，从而带动发动机起动，所述功率传动轴上设置有扭矩测量装置；
步骤S2、标定发动机起动过程的气源条件，并利用已标定的气源条件，进行发动机起动试验；
步骤S3、在发动机起动成功至起动完成时间段内，获取功率传动轴的N个时间节点的的剩余扭矩，以及获取对应的N个时间节点的发动机转速；
步骤S4、确定发动机转动惯量J为：
Figure BDA0003095271180000021
其中，f(ni)是第i个时间节点的剩余扭矩；g(ti)是第i个时间节点的发动机转速。
优选的是，步骤S2中，获取发动机起动控制计划和时序，按照所述发动机起动控制计划和时序进行发动机起动试验。
优选的是，步骤S2中，标定发动机起动过程的气源条件包括标定环境压力、环境温度、气源设备压力、气源设备温度、空气涡轮起动机效率、空气管路效率、空气管路控制阀响应情况。
优选的是，步骤S3进一步包括：
步骤S31、获取所述扭矩测量装置按采样频率采集的多个剩余扭矩；
步骤S32、获取发动机转速随时间变化的第一关系曲线n＝g(t)；
步骤S33、拟合所述剩余扭矩与转速的第二关系曲线M＝f(n)；
步骤S34、在所述第一关系曲线上离散出所述N个时间节点的发动机转速，在所述第二关系曲线上离散出所述N个时间节点的的剩余扭矩。
优选的是，在步骤S33之前，进一步包括去除采集的多个剩余扭矩中的野值点。
优选的是，步骤S3中，N取值为30～50。
本申请的发动机的转动惯量通过试验直接测得，而空气涡轮起动机的输出扭矩特性主要是将空气的能量转换为机械轴功率，不受负载变化的限制，测量精度较高，且不需要给空气涡轮起动机进行供油及控制，且空气涡轮起动机排气的气体温度远低于燃气涡轮起动机的尾气排放温度，试验操作简单便于实现，能够获得真实的发动机转动惯量结果。
本申请通过对发动机起动过程中多个时间节点的转动惯量的测量，能够更精准的获取发动机起动过程试验数据，为发动机配装用的起动机进行选型提供有力的试验数据支撑。
附图说明
图1是本申请不加载条件下的航空发动机转动惯量测量方法的流程图。
图2是发动机转动惯量测量试验流程图。
图3是发动机转动惯量测量试验环境示意图。
图4是发动机剩余扭矩与发动机转速关系示意图。
图5是发动机转速与时间关系示意图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。
本发明提出了一种不加载条件下的航空发动机转动惯量测量方法，如图1所示，主要包括：
步骤S1、通过气源控制装置驱动空气涡轮起动机转动，由所述空气涡轮起动机驱动附件传动装置的齿轮轴旋转，所述附件传动装置通过功率传动轴连接发动机传动装置，从而带动发动机起动，所述功率传动轴上设置有扭矩测量装置。
步骤S2、标定发动机起动过程的气源条件，并利用已标定的气源条件，进行发动机起动试验。
步骤S3、在发动机起动成功至起动完成时间段内，获取功率传动轴的N个时间节点的的剩余扭矩，以及获取对应的N个时间节点的发动机转速。
步骤S4、确定发动机转动惯量J为：
Figure BDA0003095271180000041
其中，f(ni)是第i个时间节点的剩余扭矩；g(ti)是第i个时间节点的发动机转速。
如图2所示，一种不加载条件下的航空发动机转动惯量测量方法，具体方案如下：
第一步：发动机起动基准的标定
针对航空发动机转动惯量测试环境及状态进行标定。具体包括环境压力、环境温度、气源设备的压力、气源设备的温度、空气涡轮起动机效率、空气管路效率、空气管路控制阀响应情况。
第二步：开展发动机起动的试验
如图3所示，利用已标定的气源条件以及试验设备，进行发动机起动试验，利用数据测试系统调节气源参数，给定空气管路控制阀的控制计划，按照发动机的起动控制计划和时序进行起动，按照发动机起动过程进行控制阀开启速率的调节，空气涡轮起动机将空气的气压功率转换为机械轴功率输出，由齿轮轴带动附件传动装置中的齿轮轴旋转，通过功率传动轴将轴功率传递至发动机传动装置，传动装置通过齿轮轴带动发动机转子部件旋转，发动机进入起动状态。若发动机起动未成功，则调节气源参数，直至发动机成功起动。
第三步：数据记录
当发动机成功起动时，由安装在功率传递轴上的扭矩测量装置得到发动机起动过程中不同转速下的总的剩余扭矩值M，记录发动机转速n随时间t变化曲线，如图4所示。直至起动完成，恢复至起动前初始状态，获得发动机的起动特性。
第四步：进行数据处理
在发动机起动过程中，通过安装在功率传递轴上的扭矩测量装置获得空气涡轮起动机带转发动机起动的总的剩余扭矩为：
Figure BDA0003095271180000051
其中，M为发动机起动的总的剩余扭矩，n为发动机转速，t为时间，J为发动机转子转动惯量。
如图5所示，由第三步得到发动机起动总的剩余扭矩M随转速n的变化曲线M＝f(n)及发动机转速n随时间t的变化曲线n＝g(t)。
由
Figure BDA0003095271180000052
可得，
Figure BDA0003095271180000053
Figure BDA0003095271180000054
……
Figure BDA0003095271180000055
因此，发动机转动惯量为
Figure BDA0003095271180000056
在一些可选实施方式中，步骤S3进一步包括：
步骤S31、获取所述扭矩测量装置按采样频率采集的多个剩余扭矩；
步骤S32、获取发动机转速随时间变化的第一关系曲线n＝g(t)；
步骤S33、拟合所述剩余扭矩与转速的第二关系曲线M＝f(n)；
步骤S34、在所述第一关系曲线上离散出所述N个时间节点的发动机转速，在所述第二关系曲线上离散出所述N个时间节点的的剩余扭矩。
可以理解的是，本申请采样取得的若干数据，通过曲线拟合出的平滑曲线，更有利于后期数据的处理与加工，步骤S34中，可以进一步根据需要，通过不同的离散方程离散出多个符合实际情况的时间节点，对后续转动惯量计算提供更加精准的测试数据。
在一些可选实施方式中，在步骤S33之前，进一步包括去除采集的多个剩余扭矩中的野值点。本领域技术人员熟知的是，野值点为采样值的变化梯度在实际系统中一个采样周期内无法达到的点。通过去除野值点使得拟合的曲线更加符合实际情况。
在一些可选实施方式中，步骤S3中，N取值为30～50。本领域技术人员可以理解的是，根据扭矩计算公式可以看出，扭矩的变化斜率对结果影响较大，根据附图4及附图5，发动机起动过程扭矩随转速的变化曲线的斜率不断变化，本申请通过多个取值点能够更精准的反应扭矩的变化，采用这些扭矩值计算的转动惯量更加符合发动机实际起动情况。
传统采用燃气涡轮起动机进行航空发动机起动，起动机在交付之前会进行性能指标的考核，一般仅考核起动机的输出功率是否达标，无法考核起动机能否在单位的时间带转发动机起动，主要是由于传统起动机达标试验采用飞轮模拟发动机的转动惯量，误差较大，影响指标的考核；转动惯量是通过参数化建模开展分析的，在建模过程中往往需要进行相关的假设，将复杂的动态物理过程通过数学模型进行表征，转子的冷、热态间隙、滑油的动力黏度影响、转子的摩擦力、燃油雾化效率等都会造成计算结果偏差较大，无法准确计算给出。
而采用上述方法，发动机的转动惯量是通过试验直接测得。而空气涡轮起动机的输出扭矩特性主要是将空气的能量转换为机械轴功率，不受负载变化的限制，测量精度较高，且不需要给空气涡轮起动机进行供油及控制，且空气涡轮起动机排气的气体温度远低于燃气涡轮起动机的尾气排放温度，试验操作简单便于实现，能够获得真实的发动机转动惯量结果。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种不加载条件下的航空发动机转动惯量测量方法，其特征在于，包括：
步骤S1、通过气源控制装置驱动空气涡轮起动机转动，由所述空气涡轮起动机驱动附件传动装置的齿轮轴旋转，所述附件传动装置通过功率传动轴连接发动机传动装置，从而带动发动机起动，所述功率传动轴上设置有扭矩测量装置；
步骤S2、标定发动机起动过程的气源条件，并利用已标定的气源条件，进行发动机起动试验；
步骤S3、在发动机起动成功至起动完成时间段内，获取功率传动轴的N个时间节点的剩余扭矩，以及获取对应的N个时间节点的发动机转速；
步骤S4、确定发动机转动惯量J为：
Figure FDA0003095271170000011
其中，f(ni)是第i个时间节点的剩余扭矩；g(ti)是第i个时间节点的发动机转速。
2.如权利要求1所述的不加载条件下的航空发动机转动惯量测量方法，其特征在于，步骤S2中，获取发动机起动控制计划和时序，按照所述发动机起动控制计划和时序进行发动机起动试验。
3.如权利要求2所述的不加载条件下的航空发动机转动惯量测量方法，其特征在于，步骤S2中，标定发动机起动过程的气源条件包括标定环境压力、环境温度、气源设备压力、气源设备温度、空气涡轮起动机效率、空气管路效率、空气管路控制阀响应情况。
4.如权利要求1所述的不加载条件下的航空发动机转动惯量测量方法，其特征在于，步骤S3进一步包括：
步骤S31、获取所述扭矩测量装置按采样频率采集的多个剩余扭矩；
步骤S32、获取发动机转速随时间变化的第一关系曲线n＝g(t)；
步骤S33、拟合所述剩余扭矩与转速的第二关系曲线M＝f(n)；
步骤S34、在所述第一关系曲线上离散出所述N个时间节点的发动机转速，在所述第二关系曲线上离散出所述N个时间节点的剩余扭矩。
5.如权利要求4所述的不加载条件下的航空发动机转动惯量测量方法，其特征在于，在步骤S33之前，进一步包括去除采集的多个剩余扭矩中的野值点。
6.如权利要求1所述的不加载条件下的航空发动机转动惯量测量方法，其特征在于，步骤S3中，N取值为30～50。
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