航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)驗(yàn)證設(shè)計(jì)

章 弘

航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)驗(yàn)證設(shè)計(jì)

章 弘

本文介紹了某型航空民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)單元驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，試驗(yàn)實(shí)踐；并對(duì)試驗(yàn)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析比較，試驗(yàn)表明該振動(dòng)監(jiān)測(cè)單元能夠準(zhǔn)確地對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

某型航空民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)和顯示系統(tǒng)如圖1所示。這個(gè)系統(tǒng)用來(lái)監(jiān)測(cè)飛機(jī)在地面試車(chē)和飛行過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)情況并實(shí)時(shí)在駕駛艙顯示，供飛行員讀取。來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)一號(hào)軸承加速度計(jì)信號(hào)ACC1，發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇框架加速度計(jì)信號(hào)ACC2，發(fā)動(dòng)機(jī)低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N1和高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N2輸送給發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)單元（Engine Vibration Monitoring Unit，簡(jiǎn)稱(chēng)EVMU），EVMU對(duì)這四個(gè)信號(hào)進(jìn)行處理，得出發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子振動(dòng)的幅值和相位信息，并把振動(dòng)的信息傳給飛機(jī)的航電系統(tǒng)（航電總線是ARINC總線），航電系統(tǒng)再傳給發(fā)動(dòng)機(jī)的控制器，發(fā)動(dòng)機(jī)的控制器把振動(dòng)的幅值轉(zhuǎn)化為無(wú)量綱的振動(dòng)量，最后再由發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制器通過(guò)航電總線傳到駕駛艙顯示系統(tǒng)顯示。

根據(jù)中國(guó)民航總局的運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)CCAR-25，在飛機(jī)投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)前，要通過(guò)試飛來(lái)驗(yàn)證該監(jiān)測(cè)和顯示系統(tǒng)能否準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)和顯示發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)情況。該發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)和顯示系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件是發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)單元EVMU，它負(fù)責(zé)對(duì)來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的信號(hào)進(jìn)行分析和處理。該部件的供應(yīng)商在交付該產(chǎn)品前，在自己的試車(chē)臺(tái)上對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)單元EVMU做了驗(yàn)證試驗(yàn)，但試車(chē)臺(tái)不是真實(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)，只是模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的高低壓轉(zhuǎn)子。所以在對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行試飛驗(yàn)證試驗(yàn)之前，有必要把真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的加速度和轉(zhuǎn)速信號(hào)輸入給發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)單元EVMU，進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，來(lái)確定發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)單元EVMU能否真實(shí)地對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這樣也能提高整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)和顯示系統(tǒng)驗(yàn)證試驗(yàn)在飛機(jī)試飛過(guò)程中的效率。

發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)單元EVMU接口簡(jiǎn)介

圖2 顯示了EVMU接口圖，EVMU和外界有兩個(gè)接口，一個(gè)是后面板連接器，一個(gè)是前面板維護(hù)口。從發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)來(lái)的轉(zhuǎn)速，加速度信號(hào)，與飛機(jī)航電系統(tǒng)的交互信息，EVMU處理后的振動(dòng)信息，EVMU的供電都在EVMU的后面板連接器上。EVMU的前面板維護(hù)口主要用于維護(hù)和故障診斷，從EVMU前面板維護(hù)口可以得到發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和加速度計(jì)模擬信號(hào)。

試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)與試驗(yàn)條件

從試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)來(lái)說(shuō)，主要從以下兩方面來(lái)驗(yàn)證。

驗(yàn)證EVMU對(duì)來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和加速度信號(hào)采集和處理的正確性。

驗(yàn)證EVMU前面板維護(hù)端口輸出的轉(zhuǎn)速和加速度模擬信號(hào)的正確性。

從試驗(yàn)條件來(lái)說(shuō)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)單元（EVMU）進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，必備的兩個(gè)條件是：1. 要對(duì)真實(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量。2. 要有另外一套精確的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)ADS）對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)單元EVMU進(jìn)行驗(yàn)證。

圖1　發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)和顯示系統(tǒng)

圖2　EVMU 接口

試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和條件都明確了，還要進(jìn)行具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

試驗(yàn)具體任務(wù)如下：

把發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)，加速度計(jì)信號(hào)同時(shí)輸出給ADS和EVMU。把EVMU的ARINC429總線端口輸出的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，振動(dòng)的幅值和相位信號(hào)和經(jīng)過(guò)ADS采集和處理的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，從而判定EVMU轉(zhuǎn)速和振動(dòng)信號(hào)采集和處理的正確性。

把EVMU的前面板端口輸出的轉(zhuǎn)速和加速度計(jì)的模擬信號(hào)經(jīng)ADS采集和處理后和EVMU的ARINC429總線端口輸出的信號(hào)進(jìn)行比較，從而判定EVMU輸出的轉(zhuǎn)速和加速度模擬信號(hào)的正確性。

在真實(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)上，進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，既要考慮要測(cè)到盡可能多的數(shù)據(jù)，又要考慮到試驗(yàn)成本，也就是要在盡可能少的發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)下，完成試驗(yàn)。 根據(jù)試驗(yàn)要求，試驗(yàn)時(shí)，需要同時(shí)把發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)和加速度信號(hào)同時(shí)輸出給發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)單元EVMU和發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)ADS。發(fā)動(dòng)機(jī)上的轉(zhuǎn)速信號(hào)是雙通道輸出的，可以同時(shí)輸出給EVMU和ADS，沒(méi)有問(wèn)題。而加速度計(jì)信號(hào)是單通道的，不能在一次試車(chē)時(shí)，同時(shí)輸出給EVMU和ADS，所以就要進(jìn)行兩次狀態(tài)相同的發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)，第一次試車(chē)把加速度信號(hào)輸送給EVMU，第二次試車(chē)再把加速度信號(hào)輸送給ADS。因?yàn)樵囓?chē)時(shí)，要在發(fā)動(dòng)機(jī)部件上加配重，使其處于不平衡狀態(tài)，這樣還需要在原有的加速度計(jì)附近額外安裝兩個(gè)加速度傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的安全狀態(tài)。

為了提高效率和盡可能多的采集數(shù)據(jù)，第一次試車(chē)時(shí)，把發(fā)動(dòng)機(jī)的一號(hào)軸承加速度計(jì)信號(hào)ACC1，發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇框架加速度計(jì)信號(hào)ACC2，輸給ADS；把另外加裝的兩個(gè)加速度傳感器信號(hào)輸給EVMU。第二次試車(chē)時(shí)，把傳給ADS的加速度信號(hào)傳給EVMU，把傳給EVMU的加速度信號(hào)傳給ADS，就是互換一下加速度信號(hào)，這樣既能達(dá)到兩次試車(chē)，把傳送給EVMU和ADS的信號(hào)采集到，又能讓EVMU或ADS監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的安全狀態(tài)。

發(fā)動(dòng)機(jī)第一次試車(chē)試驗(yàn)配置連接原理如圖3所示。發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓，高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N1，N2同時(shí)輸出給ADS系統(tǒng)和EVMU。發(fā)動(dòng)機(jī)一號(hào)軸承加速度計(jì)信號(hào) FWD CM和風(fēng)扇框架加速度信號(hào)AFT CM輸出給ADS。額外加裝的加速度計(jì)Slave ZVB1A和Slave ZR25M信號(hào)輸出給EVMU。另外，EVMU前面板的維護(hù)口把額外加裝的加速度計(jì)信號(hào)和高低壓轉(zhuǎn)子信號(hào)（模擬量）輸出給ADS。ARINC429總線記錄器從EVMU的總線輸出端口記錄處理后的數(shù)據(jù)。

發(fā)動(dòng)機(jī)第二次試車(chē)試驗(yàn)配置連接原理如圖4所示。發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓，高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N1，N2同時(shí)輸出給ADS系統(tǒng)和EVMU。發(fā)動(dòng)機(jī)一號(hào)軸承加速度計(jì)信號(hào) FWD CM和風(fēng)扇框架加速度信號(hào)AFT CM輸出給EVMU。額外加裝的加速度計(jì)Slave ZVB1A和Slave ZR25M信號(hào)輸出給ADS。另外，EVMU前面板的維護(hù)口把額外加裝的加速度計(jì)信號(hào)和高低壓轉(zhuǎn)子信號(hào)（模擬量）輸出給ADS。ARINC429總線記錄器從EVMU的總線輸出端口記錄數(shù)據(jù)。

圖3　發(fā)動(dòng)機(jī)第一次試車(chē)試驗(yàn)原理

圖4　發(fā)動(dòng)機(jī)第二次試車(chē)試驗(yàn)原理

圖5　ADS和EVMU記錄的發(fā)動(dòng)機(jī)高低壓轉(zhuǎn)子數(shù)據(jù)比較

圖6　發(fā)動(dòng)機(jī)兩次試車(chē)的高低壓轉(zhuǎn)子數(shù)據(jù)比較

兩次試車(chē)，發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)歷的加減速狀態(tài)都保持一致。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)做完之后，對(duì)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。

首先對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)第一次試車(chē)，ADS和EVMU分別記錄的高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，XNLCT1，XNHCT1是ADS記錄的發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓和高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。N1_rotorspeed_e1_evmi， n2_rotorspeed_e2_ evmi是EVMU采集到的發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓和高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。比較結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，在整個(gè)試車(chē)期間，EVM處理的N1和ADS采集到的N1曲線重合，基本一致。而對(duì)于N2，EVMU處理的結(jié)果和ADS采集到的有微小偏差。所以EVMU對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓和高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速能進(jìn)行準(zhǔn)確采集。

圖7　低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N1為跟蹤濾波的轉(zhuǎn)速和振動(dòng)幅值的關(guān)系

圖8　以高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N2為跟蹤濾波的轉(zhuǎn)速和振幅的關(guān)系

圖9　EVMU 處理輸出對(duì)比分析（以N1為跟蹤濾波）

圖10　EVMU處理輸出對(duì)比分析（以N2為跟蹤濾波）

把發(fā)動(dòng)機(jī)兩次試車(chē)的高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)得進(jìn)行了比較，如圖6所示。從圖上可以看出在相對(duì)應(yīng)的時(shí)間段內(nèi)，兩次試車(chē)的高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N1，N2基本一致，這表明兩次試車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)基本一致，所以?xún)纱卧囓?chē)的數(shù)據(jù)具有可比性。

下面就來(lái)著重看一下EVMU對(duì)加速度計(jì)信號(hào)處理是否準(zhǔn)確。把發(fā)動(dòng)機(jī)第一次試車(chē)ADS采集處理得到的振動(dòng)信息和第二次試車(chē)EVMU采集處理得到的振動(dòng)信息進(jìn)行比較。圖7顯示了以低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N1為跟蹤濾波的轉(zhuǎn)速和振動(dòng)幅值的關(guān)系。從圖上可以看出EVMU和ADS采集處理的結(jié)果基本相符。圖8顯示了以高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N2為跟蹤濾波的轉(zhuǎn)速和振幅的關(guān)系，從圖上可以看出EVMU和ADS采集處理的結(jié)果基本相符，但從圖上可以看出當(dāng)N2轉(zhuǎn)速達(dá)到18000轉(zhuǎn)/min時(shí)，EVMU的輸出掉到了零值。從圖7、圖8的分析可以看出，除了當(dāng)N2轉(zhuǎn)速在最大值時(shí)，EVMU輸出不正常外，EVMU能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行正確處理。

對(duì)EVMU前面板維護(hù)口輸出的模擬信號(hào)N1，N2和加速度模擬信號(hào)進(jìn)行分析，并和EVMU采集處理的結(jié)果進(jìn)行比較。以N1為跟蹤濾波的比較如圖9所示，以N2為跟蹤濾波的比較如圖10所示。從圖9可以看出對(duì)N1的振動(dòng)響應(yīng)，兩者的分析結(jié)果一致。從圖10可以看出對(duì)N2的振動(dòng)響應(yīng)，兩者的分析基本一致，但是當(dāng)N2達(dá)到18000轉(zhuǎn)/min時(shí)，EVMU的輸出為零，所以可以判斷出是EVMU中的濾波器邏輯設(shè)置有問(wèn)題。

結(jié)語(yǔ)

從總體試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，EVMU能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行正確采集和處理。把試驗(yàn)的情況和供應(yīng)商進(jìn)行了交流，關(guān)于N2達(dá)到18000轉(zhuǎn)/min時(shí)，EVMU的輸出為零的問(wèn)題，供應(yīng)商查了EVMU的接口設(shè)計(jì)文件，證實(shí)EVMU中設(shè)置的N2轉(zhuǎn)速最大值是18000轉(zhuǎn)/ min，所以當(dāng)N2超過(guò)18000轉(zhuǎn)時(shí)，就跟蹤不上了。 供應(yīng)商要對(duì)EVMU的軟件進(jìn)行升級(jí)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)功能對(duì)于保證渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)健康運(yùn)行，及時(shí)發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)超標(biāo)具有重要意義。渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)單元必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格試驗(yàn)驗(yàn)證和校準(zhǔn)，確保其功能和性能。本文介紹的某型航空民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)單元驗(yàn)證試驗(yàn)方案實(shí)現(xiàn)了對(duì)振動(dòng)監(jiān)測(cè)單元的準(zhǔn)確驗(yàn)證，及時(shí)發(fā)現(xiàn)了存在的問(wèn)題，對(duì)后續(xù)型號(hào)研制具有較強(qiáng)的指導(dǎo)性。

章 弘

上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院

章弘（1977-）男，漢族，天津市，上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，高工，研究生（碩士），飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)和輔助動(dòng)力裝置系統(tǒng)集成和適航驗(yàn)證；飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)和輔助動(dòng)力裝置控制系統(tǒng)綜合。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.07.009