朱 宇,牟錦輝,原 博
(中國飛行試驗(yàn)研究院,西安 710089)
渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是利用螺旋槳將燃?xì)獯蟛糠挚捎媚芰哭D(zhuǎn)換成推進(jìn)功率,即有效功85%~90%傳遞給螺旋槳產(chǎn)生拉力,渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)效率近似等于螺旋槳的有效效率。因此,槳葉角是渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)的重要參數(shù)之一,測量的準(zhǔn)確與否不但直接影響對發(fā)動(dòng)機(jī)性能(拉力、推進(jìn)效率等)評(píng)定,而且是檢查螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)順槳、回槳、反槳等的位置標(biāo)志。所以,設(shè)計(jì)1套具有較高準(zhǔn)確度的槳葉角測試系統(tǒng)對渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)飛行試驗(yàn)具有十分重要的意義。
作為渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)飛行試驗(yàn)技術(shù)的經(jīng)典內(nèi)容,螺旋槳槳葉角的測量難度很大,中國一直沒有開展相關(guān)研究和試驗(yàn)。其難點(diǎn)在于:螺旋槳為高速旋轉(zhuǎn)部件,難以在其上安裝現(xiàn)有的成品測試傳感器;螺旋槳上加裝傳感器和遙測裝置不能影響螺旋槳的正常功能,并滿足動(dòng)、靜平衡和振動(dòng)環(huán)境要求;由于螺旋槳高速旋轉(zhuǎn),正常的“傳感器-導(dǎo)線-采集器”送電模式不可能實(shí)現(xiàn);測試后的信號(hào)必須以無線傳輸?shù)姆绞絺鬏斨翜y試記錄系統(tǒng)。
本文通過地面試驗(yàn)和飛行試驗(yàn),驗(yàn)證了螺旋槳空中調(diào)節(jié)和運(yùn)行規(guī)律,掌握了高空高速旋轉(zhuǎn)件螺旋槳槳葉角測量試驗(yàn)技術(shù)。
本次飛行試驗(yàn)測試對象是新型復(fù)合材料螺旋槳。由于在高速旋轉(zhuǎn)的螺旋槳槳轂上安裝成品角位移或線位移傳感器是不可取的,因此,必須針對螺旋槳槳轂形狀,研制1個(gè)形狀特殊的弧線位移傳感器安裝在槳袖上,以提供測試信號(hào)。
傳感器的選取需滿足以下原則:重復(fù)性、線性度好;溫漂、滯后??;具有良好的頻響特性,要求其截止頻率遠(yuǎn)高于螺旋槳轉(zhuǎn)速的8倍頻率,以滿足動(dòng)態(tài)測量的要求;傳感器對離心力和慣性力不敏感;傳感器體積小、質(zhì)量輕。
槳葉角傳感器主要技術(shù)數(shù)據(jù)為:測量角度范圍0°~90°;阻值<1 kΩ;輸出誤差(非線性誤差、遲滯誤差、重復(fù)性誤差等)≤±1%。
槳葉角傳感器型號(hào)為GJY-4,外形如圖1所示,內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。在內(nèi)部結(jié)構(gòu)中,滑動(dòng)電刷組件通過滑塊組件帶動(dòng)沿傳感器滑槽移動(dòng),以防止滑動(dòng)電刷組件側(cè)扭,提高測量精度。輸出引線為3線制,分別為+5 V直流、輸出端和地線。所有內(nèi)部電路封閉在金屬殼體、電位器座和蓋板中,避免油污、雜質(zhì)等侵入,并形成電磁屏蔽。
傳感器標(biāo)定在裝配平臺(tái)上進(jìn)行,并與測試系統(tǒng)連接,采用靜標(biāo)定方法,檢驗(yàn)輸出和給定角度之間的關(guān)系。得到傳感器輸入-輸出特性曲線,如圖3所示。結(jié)果完全滿足測試要求,線性度、重復(fù)性良好。
槳葉角傳感器在槳轂上的安裝固定采取了強(qiáng)化設(shè)計(jì)。由廠家設(shè)計(jì)1個(gè)“Ω”形卡環(huán),其兩端安裝在槳轂上的槳帽支撐盤固定支柱與槳轂間的連接螺栓上?!唉浮毙慰ōh(huán)表面鉆孔,內(nèi)側(cè)劃窩,槳葉角傳感器內(nèi)凹面攻有螺紋孔,2者靠埋頭螺釘緊固,并且緊固前結(jié)合面涂膠粘合。傳感器滑塊組件通過固定在螺旋槳槳葉根部夾緊箍上的撥桿來帶動(dòng)。這樣的安裝方式可有效地抵抗螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)對槳葉角傳感器產(chǎn)生的離心力,保證安裝牢固、可靠。
螺旋槳測試系統(tǒng)包含遙測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集/記錄系統(tǒng)。遙測系統(tǒng)的動(dòng)部件和靜部件由德國德泰遙測公司(Datatel)研制,為40通道應(yīng)變、槳葉角遙測系統(tǒng),具有抗干擾能力強(qiáng)、信號(hào)質(zhì)量好、數(shù)據(jù)精度高、使用維護(hù)方便的特點(diǎn)。機(jī)載數(shù)據(jù)采集/記錄系統(tǒng)由德國雷卡公司(Heim System GmbH)提供。該機(jī)載采集/記錄器可滿足同時(shí)記錄40通道信號(hào),并具有數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳、機(jī)上實(shí)時(shí)監(jiān)視功能。
遙測系統(tǒng)由動(dòng)部件和靜部件組成。動(dòng)部件即固定在螺旋槳槳轂上的遙測盤,包含采集和發(fā)射模塊、(DC-DC)電壓變換模塊、蓄電池供電模塊以及柱狀發(fā)射天線,與螺旋槳槳葉上應(yīng)變片和槳轂上槳葉角傳感器相連,組成了無線遙測發(fā)射系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)螺旋槳槳葉應(yīng)變信號(hào)和槳葉角測試信號(hào)的無線傳輸。由于槳葉角傳感器在螺旋槳穩(wěn)定狀態(tài)工作時(shí)其輸出信號(hào)理論上為直流,信號(hào)響應(yīng)完全適應(yīng)應(yīng)變測量要求,為螺旋槳槳葉角測量提供了保證。
動(dòng)部件在螺旋槳槳轂上的固定如圖4所示??梢钥吹?,遙測盤通過螺栓安裝在螺旋槳槳轂上,槳葉角傳感器則固定在靠近槳葉根部的槳袖上。柱狀發(fā)射天線安裝在螺旋槳槳帽內(nèi)支撐件上,天線體從槳帽頭部伸出。靜部件包括片狀接收天線、耦合分頻器和接收機(jī)。接收天線安裝在飛機(jī)機(jī)身側(cè)面蒙皮結(jié)構(gòu)上,其余部分安裝在飛機(jī)機(jī)艙內(nèi)。動(dòng)部件依靠從螺旋槳防冰導(dǎo)電環(huán)獲得的28 V DC供電,DC/DC模塊進(jìn)行整流穩(wěn)壓,具有過壓和欠壓保護(hù)功能和防瞬間掉電供電能力,如果掉電時(shí)間過長,系統(tǒng)能自動(dòng)切換蓄電池供電模塊供電。靜部件依靠飛機(jī)系統(tǒng)電源供電。
測試信號(hào)在遙測系統(tǒng)中的變換過程如圖5所示。
槳葉角測試系統(tǒng)安裝到載機(jī)上后,先后完成了10多架次飛行試驗(yàn)。選擇了典型的飛行試驗(yàn)剖面,分別進(jìn)行了穩(wěn)定平飛,等馬赫數(shù)平飛,盤旋、側(cè)滑、平飛拉起、平飛加減速、復(fù)飛等機(jī)動(dòng)飛行,以及大載重飛行,獲得了寶貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù),為研究螺旋槳運(yùn)行規(guī)律奠定了基礎(chǔ)。典型試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線如圖6~8所示。
保持飛行高度不變、發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)不變,進(jìn)行加減速平飛試驗(yàn),得到渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)螺旋槳槳葉角跟速度的關(guān)系。減速過程中槳葉角的變化趨勢如圖6所示。
隨著飛行速度的增大,發(fā)動(dòng)機(jī)總增壓比增大,渦輪中的焓降也加大,同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量隨飛行速度的增大而增大,因此發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率增大。為了保持發(fā)動(dòng)機(jī)恒轉(zhuǎn)速,發(fā)動(dòng)機(jī)槳葉角增大。
保持發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)不變,進(jìn)行等速爬升飛行試驗(yàn)。槳葉角隨高度的變化如圖7所示。
隨著飛行高度的增加,大氣壓力下降造成空氣流量大幅減小,雖然溫度下降造成單位功率的增大,但并不能抵消空氣流量下降而造成的輸出功率的減小,所以,發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率是減小的。同時(shí),隨著飛行高度的增加,空氣密度減小很快,雖然發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率減小,但螺旋槳需用扭矩也同時(shí)減小,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速仍然有增大的趨勢,為了保持發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速恒定,發(fā)動(dòng)機(jī)槳葉角隨高度的增加而增大[1]。
飛行高度和飛行速度不變時(shí)螺旋槳槳葉角隨發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的變化趨勢如圖8所示。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)油門角度的增大,發(fā)動(dòng)機(jī)油耗增大,發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸功率也同時(shí)增大,為了保持等轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié),螺旋槳槳葉角增大。
(1)通過試驗(yàn),較為準(zhǔn)確地掌握了螺旋槳空中調(diào)節(jié)和運(yùn)行規(guī)律,為該螺旋槳的設(shè)計(jì)定型提供了寶貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù);
(2)從試驗(yàn)過程和試驗(yàn)結(jié)果可知,為了獲得準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù),槳葉角傳感器設(shè)計(jì)、加工和安裝的質(zhì)量是非常關(guān)鍵的因素。
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