Φ3m直升機(jī)旋翼氣動(dòng)噪聲試驗(yàn)臺(tái)動(dòng)力系統(tǒng)研制

雷紅勝，劉曉林,王 璽，彭先敏，張衛(wèi)國

(1.中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心,四川 綿陽 621000；2.西安微電機(jī)研究所,西安 710000)

0 引 言

旋翼噪聲作為直升機(jī)主要噪聲源之一，由于其機(jī)理復(fù)雜，涉及多學(xué)科交叉，是直升機(jī)氣動(dòng)噪聲研究的重要方向之一。其試驗(yàn)分為風(fēng)洞試驗(yàn)和外場(chǎng)飛行試驗(yàn)兩種[1-2]。5.5m×4m航空聲學(xué)風(fēng)洞于2013年建成并投入運(yùn)行，為國內(nèi)開展直升機(jī)噪聲機(jī)理和降噪措施研究提供了風(fēng)洞基礎(chǔ)條件，為此配套了Φ3米翼身一體旋翼氣動(dòng)噪聲試驗(yàn)臺(tái)。

動(dòng)力系統(tǒng)作為試驗(yàn)臺(tái)關(guān)鍵子系統(tǒng)，為旋翼提供動(dòng)力支持。其主要由120 kW永磁交流伺服電機(jī)及輔機(jī)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)器、監(jiān)控系統(tǒng)等組成?？紤]到該試驗(yàn)臺(tái)的尾撐支撐形式，驅(qū)動(dòng)電機(jī)內(nèi)置于模型內(nèi)部，空間有限，同時(shí)旋翼試驗(yàn)具有一定的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)、線路布置、驅(qū)動(dòng)選型、安全監(jiān)控、電磁干擾等都提出了較高的要求。本文將著重對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)研制中涉及的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行分析。

1 主要技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)需要，試驗(yàn)臺(tái)動(dòng)力系統(tǒng)主要指標(biāo)如下：

供電電壓：3 P 380 VAC；

電機(jī)額定輸出功率：120 kW；

電機(jī)額定輸出扭矩：195 Nm；

額定轉(zhuǎn)速：5880 r/min；

最大轉(zhuǎn)速：8000 r/min，0-8000 r/min可調(diào)；

轉(zhuǎn)速控制精度：≤±3 r/min；

調(diào)速時(shí)間：0-30 s可調(diào)；

工作制及溫升：S3斷續(xù)工作制，額定轉(zhuǎn)速下連續(xù)運(yùn)行40 min，溫升小于40℃；

電磁兼容性好，不影響其它弱電系統(tǒng)工作等。

2 總體方案

該系統(tǒng)采用永磁交流伺服電機(jī)變頻調(diào)速方案。如圖1所示。其中內(nèi)置旋變模塊的永磁交流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過配套CT公司的UnidriveSPM模塊式驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)電機(jī)的平穩(wěn)無級(jí)閉環(huán)高精度調(diào)速。監(jiān)控系統(tǒng)采用西門子S7-300PLC系列，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)潤滑冷卻系統(tǒng)、減速箱潤滑冷卻控制(其它系統(tǒng))的現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)采用兩級(jí)通信總線，監(jiān)控上位機(jī)與主控PLC之間通過以太網(wǎng)通信，主控PLC與各子系統(tǒng)(從站)之間通過Profibus-Dp通訊。

圖1 動(dòng)力系統(tǒng)主要架構(gòu)

3 關(guān)鍵技術(shù)問題分析

為了保證系統(tǒng)的整體性能達(dá)到技術(shù)指標(biāo)，需要對(duì)研制的主要環(huán)節(jié)進(jìn)行梳理分析，并對(duì)存在的技術(shù)問題進(jìn)行充分考量，制定相應(yīng)的策略。下面進(jìn)行分析介紹。

3.1 高功率密度電機(jī)設(shè)計(jì)

由于模型內(nèi)部電機(jī)安裝空間受限，電機(jī)功率120 kW，扭矩195 Nm，功率密度較高，具備一定的研制難度。本項(xiàng)目采用永磁交流伺服電機(jī)，永磁材料選用高性能的釹鐵硼38UH永磁體。該電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子、位置傳感器組成，其中位置傳感器反饋電機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子位置提供給驅(qū)動(dòng)控制電路。設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)、冷卻方式及參數(shù)優(yōu)化、工藝設(shè)計(jì)(鐵心與機(jī)殼固定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式及動(dòng)平衡、軸承選擇、引線方式等)、電機(jī)密封設(shè)計(jì)等。

(1)文獻(xiàn)[3]給出了電機(jī)參數(shù)之間的關(guān)系，指出在電機(jī)功率和轉(zhuǎn)速一定的情況下，增加電機(jī)鐵心長(zhǎng)度及增大電樞直徑可以降低電機(jī)的電磁負(fù)荷，減少電機(jī)的發(fā)熱量。由于電機(jī)外形和安裝尺寸固定，考慮到軛部磁路的非均勻性和機(jī)殼的強(qiáng)度及剛度，在確保定子磁密滿足設(shè)計(jì)要求的條件下，使電機(jī)定子鐵心外徑貼合電機(jī)機(jī)殼內(nèi)部，并且盡量選擇較長(zhǎng)的電機(jī)鐵心。同時(shí)通過對(duì)電機(jī)的反電勢(shì)、電密、線負(fù)荷、熱負(fù)荷以及油摩擦損耗等的分析，提出6極27槽配合提高電機(jī)效率，頻率達(dá)到300 Hz，電流285 A，并通過Ansoft電磁分析軟件進(jìn)行了仿真，初步設(shè)計(jì)結(jié)果表明滿足要求。另外，旋變采用軸向長(zhǎng)度短的無刷旋轉(zhuǎn)變壓器。

(2)由于電機(jī)損耗發(fā)熱以及模型內(nèi)部散熱困難，結(jié)合電機(jī)尺寸，采用單進(jìn)單出浸油式冷卻方式，適當(dāng)增加進(jìn)油壓力，并在出油回路中考慮真空泵回油，保證油流效果。

(3)電機(jī)鐵心與機(jī)殼之間采用熱套方案。轉(zhuǎn)子采用成熟的轉(zhuǎn)軸—鐵心—磁鋼的結(jié)構(gòu)形式?？紤]到轉(zhuǎn)子在油中的高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子外圓須為均勻的回轉(zhuǎn)體，并在轉(zhuǎn)子兩側(cè)增加配重塊，以降低油沖擊繞組的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)降低轉(zhuǎn)子損耗。電機(jī)引出線采用2根16 mm2鍍銀線纜并成一相，并加密封墊，其它信號(hào)引出線采用密封航空插頭引出，管線均從尾端出。

(4)電機(jī)冷卻方式?jīng)Q定了其密封設(shè)計(jì)至關(guān)重要，為動(dòng)靜復(fù)合密封結(jié)構(gòu)。電機(jī)軸伸端為動(dòng)密封，采用氟橡膠油封密封，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，通過縮小電機(jī)的軸徑來降低動(dòng)密封的線速度，保證電機(jī)壽命。引出線為靜密封，采取外部用密封圈壓緊的方式密封，并通過工藝壓緊引出線接線端子密封防止?jié)B油。電機(jī)端蓋、旋變端蓋等采用O型圈或密封膠密封。通過一系列的方式，電機(jī)密封得到極大改善，滲油問題得到較好處理。

3.2 驅(qū)動(dòng)器選型及配套

驅(qū)動(dòng)器除了滿足永磁交流伺服電機(jī)的正常調(diào)速控制以外，還需要滿足直升機(jī)旋翼調(diào)速的特殊要求。主要有以下幾點(diǎn)：

1)自然無風(fēng)條件下正常啟動(dòng)至指定轉(zhuǎn)速，在有風(fēng)載(風(fēng)洞來流)以及轉(zhuǎn)矩變化時(shí)保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定；

2)在風(fēng)載或轉(zhuǎn)矩變化時(shí)，能進(jìn)行正常調(diào)速；

3)為防止共振，要求驅(qū)動(dòng)器可根據(jù)試驗(yàn)需要設(shè)置至少三個(gè)回避頻帶/轉(zhuǎn)速帶，保證系統(tǒng)能迅速跨越所設(shè)置的頻帶/速度帶(起風(fēng)或者停機(jī)過程中)。

系統(tǒng)配選CT(Control Techniques)公司的UnidriveSPM模塊式驅(qū)動(dòng)器。該系列驅(qū)動(dòng)器采用模塊化設(shè)計(jì)，應(yīng)用靈活，可根據(jù)功能需要進(jìn)行模塊優(yōu)化選型，并配套相應(yīng)的附件，進(jìn)行系統(tǒng)集成，構(gòu)成交流伺服系統(tǒng)，滿足45至1900 kW驅(qū)動(dòng)要求。同時(shí)該系列驅(qū)動(dòng)器通過多脈沖整流系統(tǒng)減少諧波或者配置AFE套件，構(gòu)建AFE驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)諧波消除和能量再生。

在具體模塊選型時(shí)，需要考慮電機(jī)額定頻率/電流(直接決定驅(qū)動(dòng)器載荷匹配)、驅(qū)動(dòng)器預(yù)計(jì)最高載波頻率(較高的載波頻率將帶來驅(qū)動(dòng)器的降容)、輸入電抗器(輸入電壓穩(wěn)定)和輸出濾波器(提高輸出質(zhì)量)匹配以及其它轉(zhuǎn)速反饋、通訊等模塊，以保證系統(tǒng)的高可靠性。本系統(tǒng)具體選型如下：

額定功率：350 kW(輕載)，315 kW(重載)，綜合考慮電機(jī)運(yùn)行頻率以及損耗，驅(qū)動(dòng)器并聯(lián)降額使用等因素；

驅(qū)動(dòng)器集成配置如下：

驅(qū)動(dòng)器： SPMD1404-2L，配套SPMC2402整流模塊;

操作鍵盤：SM-Keypad；

旋變接口模塊：SM-Resolver；

可編程控制：SM-Application；

快速熔斷器：NGT0-500A/660V；

輸入電抗器：1臺(tái)INL412；

輸出濾波器(電抗器)： 2×OTL404；

通訊模塊： SM Ethernet模塊及通訊線纜；

其它必須的輔助配件等。驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)集成示意圖如圖2所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)器集成示意圖

這里需要說明的是，按照標(biāo)準(zhǔn)要求，輸出濾波器只需要選用1個(gè)OTL404，但前期使用中發(fā)熱較為嚴(yán)重，影響系統(tǒng)安全運(yùn)行，在本項(xiàng)目中選擇在每個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊輸出均配置濾波器，發(fā)熱問題得到良好解決。

3.3 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括硬件和軟件兩部分。其主要功能在于實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制；完成對(duì)冷卻系統(tǒng)的全方位監(jiān)控；完成電機(jī)驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)獲取，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)器的監(jiān)控；完成驅(qū)動(dòng)器控制及電機(jī)、冷卻系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視；完成運(yùn)行數(shù)據(jù)的記錄等。該系統(tǒng)同時(shí)完成了對(duì)減速箱子系統(tǒng)(以S7-200 smart為控制平臺(tái))的通訊控制。

圖3 監(jiān)控界面圖

硬件部分采用工業(yè)上成熟使用的S7-300為主控PLC，CPU選用同時(shí)具備以太網(wǎng)和DP接口315-2PN/DP模塊，與上位機(jī)和其它子系統(tǒng)進(jìn)行通訊。電機(jī)冷卻系統(tǒng)采用ET200M，進(jìn)行油溫/壓力/流量等信號(hào)的采集以及制冷機(jī)、給油泵、回油泵的啟停控制。

軟件部分分別采用Simatic Protal和Labview2015編寫PLC下位機(jī)和上位機(jī)程序，PLC程序與上位機(jī)之間通過OPC通訊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫。

在保證系統(tǒng)基本操作功能如本地手動(dòng)/遠(yuǎn)程自動(dòng)、正/反轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上，為了保證系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行和故障的快速診斷，需要進(jìn)行一系列的軟硬件設(shè)置。主要有以下幾點(diǎn)：①在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)、控制柜、測(cè)控間分別設(shè)置急停按鈕；②制定嚴(yán)格的運(yùn)行邏輯，如油站運(yùn)行才能啟動(dòng)電機(jī)等，以保證在各系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上有序開展各項(xiàng)工作；③統(tǒng)計(jì)電機(jī)單次和累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，以方便維護(hù)；④在軟件內(nèi)核中設(shè)計(jì)主要參數(shù)的安全閾值，如電機(jī)溫度、油站油溫/壓力/流量、減速箱油溫/油壓/流量等，根據(jù)不同的值設(shè)定相應(yīng)的處理方式，報(bào)警或者停機(jī)；⑤對(duì)電機(jī)運(yùn)行過程中的主要參數(shù)，如轉(zhuǎn)速、電壓、電流、溫度、油站/減速箱供油參數(shù)，進(jìn)行記錄保存；⑥對(duì)驅(qū)動(dòng)器主要控制參數(shù)進(jìn)行通訊讀取，以方便實(shí)時(shí)監(jiān)控和設(shè)置。

3.4 電磁抗干擾設(shè)計(jì)

由于含有變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)控制柜自身元器件具有一定的干擾，同時(shí)在電機(jī)附近及線路沿線有溫度、旋變以及天平等弱電信號(hào)傳輸，而電機(jī)運(yùn)行電流較大，產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾，為了保證系統(tǒng)準(zhǔn)確運(yùn)行和弱電信號(hào)的采集，必需考慮電磁抗干擾設(shè)計(jì)。主要從電源、屏蔽、接地幾個(gè)方面進(jìn)行考慮：

1)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性。為了保證系統(tǒng)正常工作，抑制線路干擾，合理分配24 V電源，I/O摸塊接口24 V電源和伺服驅(qū)動(dòng)器控制24 V電源分離，提高系統(tǒng)抗干擾能力。為了提高系統(tǒng)顯示精度和轉(zhuǎn)速模擬給定信號(hào)精度，供電電源選用線性電源。

2)所有信號(hào)線纜均選用雙絞雙屏蔽線纜，并進(jìn)行單端接地，以保證信號(hào)準(zhǔn)確采集。

3)驅(qū)動(dòng)器輸入電源和變頻輸出線纜均采用屏蔽線纜，并進(jìn)行可靠接地，同時(shí)電機(jī)殼體亦進(jìn)行接地，以保證一定的抗干擾性能和人身設(shè)備安全。

4)驅(qū)動(dòng)器為國際知名品牌，內(nèi)部線路設(shè)計(jì)對(duì)電磁干擾做了充分考慮，同時(shí)在系統(tǒng)集成時(shí)，強(qiáng)弱線路分開布置，合理接地。

綜合以上措施，系統(tǒng)總體運(yùn)行平穩(wěn)，信號(hào)穩(wěn)定。

4 系統(tǒng)調(diào)試

該系統(tǒng)的研制重點(diǎn)在于高功率密度電機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，在出廠前已經(jīng)進(jìn)行了120 kW功率和195 Nm的扭矩測(cè)功實(shí)驗(yàn)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)調(diào)試主要分為地面空載調(diào)試以及帶載調(diào)試。該部分調(diào)試在氣動(dòng)中心低速所直升機(jī)聲學(xué)試驗(yàn)臺(tái)上開展，該平臺(tái)具備完善的直升機(jī)風(fēng)洞試驗(yàn)相關(guān)的機(jī)構(gòu)控制和監(jiān)控手段。

地面空載調(diào)試主要有三個(gè)方面的內(nèi)容：一是針對(duì)軟硬件配置進(jìn)行自我診斷，試錯(cuò)等，以保證系統(tǒng)能夠按照預(yù)期設(shè)計(jì)要求進(jìn)行相應(yīng)的操作和控制；二是合理設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)器參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)速范圍、轉(zhuǎn)速控制精度、電機(jī)溫升、電機(jī)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行考核，看是否達(dá)到指標(biāo)要求；三是針對(duì)調(diào)試中可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行全面整改。

帶載調(diào)試分為輕載調(diào)試和大負(fù)載調(diào)試兩項(xiàng)內(nèi)容。輕載調(diào)試主要是帶減速箱運(yùn)行，在空載調(diào)試的基礎(chǔ)上，對(duì)減速箱性能以及裝配進(jìn)行運(yùn)行考核；大負(fù)載調(diào)試為帶旋翼運(yùn)行，并調(diào)整總距角，在額定轉(zhuǎn)速工況下進(jìn)行性能考核。

由于系統(tǒng)在電機(jī)設(shè)計(jì)、主要設(shè)備選型以及控制策略上的充分考慮，系統(tǒng)運(yùn)行可靠。部分參數(shù)見表1。

表1 動(dòng)力系統(tǒng)部分性能調(diào)試結(jié)果

在大負(fù)載調(diào)試時(shí)，當(dāng)旋翼達(dá)到額定轉(zhuǎn)速(對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速5880 r/min)，總距(直升機(jī)旋翼槳葉橫切面中心線與水平線之間的夾角)為12°時(shí)，旋翼效率已達(dá)到最大值，本系統(tǒng)完全滿足試驗(yàn)需求，并有較大的能力拓展空間。

5 結(jié) 語

本文介紹了直升機(jī)旋翼氣動(dòng)噪聲試驗(yàn)臺(tái)動(dòng)力系統(tǒng)研制中涉及到的主要關(guān)鍵技術(shù)，并進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析解決。通過采用永磁交流伺服電機(jī)，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證了高功率密度電機(jī)的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)合理選用高性能的模塊化配置驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的高精度運(yùn)行控制。在系統(tǒng)集成過程中，通過一系列的軟硬件設(shè)計(jì)和線路設(shè)計(jì)，使得整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠，抗干擾性能強(qiáng)，達(dá)到了預(yù)期研制目的，為直升機(jī)旋翼氣動(dòng)噪聲研究提供了動(dòng)力支撐。