16-某型机悬停性能问题的排查方法(1室 徐玉貌)-(6).doc

第二十六届（2010年）全国直升机年会论文某型机悬停性能问题的排查方法徐玉貌1 姜滨2 林逸平3 孟胜学4（中国直升机设计研究所，景德镇，333001）摘 要：某型机试飞时发现，直升机悬停时的起飞重量，比理论计算值低150kg以上，比国外类似机种飞行手册中的数据低约220kg。文章详细介绍了排查该型机悬停性能问题的方法和具体所做的工作，给出排查的结果，提出了一些改进建议，可以为国内其它机型解决类似问题提供参考。关键词：悬停性能；需用功率；可用功率；发动机；扭矩；测试1 引言近年来，随着国内研制的直升机数量的增多，暴露的设计、制造、试验等问题也不断增加，而国内各专业由于经验的缺乏，解决这些问题通常要花费大量的精力和时间，有时事倍功半。为此，本文针对某型机悬停性能不如国内外相似机型的问题，详细分析了问题产生的可能原因，介绍了采取的排查措施和排查结果，提出了今后工作的建议。2 某型机悬停性能问题现象某型机科研试飞时发现，直升机悬停时的起飞重量，比理论计算值低150kg以上，比国外类似机种飞行手册中的数据低约220kg。根据试飞数据分析，直升机悬停时的需用功率，比国外类似机种飞行手册中的需用功率数据高8%以上。3 可能的原因初步分析直升机性能变差通常有以下几种可能原因：直升机需用功率增加，发动机可用功率减小和测试仪器问题。直升机悬停需用功率主要与旋翼、尾桨消耗功率，传动系统传动损失，传动系统附件提取功率等因素有关。发动机可用功率通常与发动机出厂性能及发动机使用时间有关。测试仪器问题会影响直升机悬停性能的主要参数有发动机扭矩、发动机燃气发生器转速，涡轮间温度，压力高度、大气温度和飞行重量等。考虑该型直升机的旋翼、尾桨和传动系统是引进国外专利生产的，因此性能应与国外件相当，而理论估算表明相比国外类似机型传动系统附件损耗的变化很小，可以忽略。虽然国内的制造水平可能会使旋翼、尾桨和传动系统的效率降低，但通常不会变化这么大，而且以前其它类似型号的试飞结果表明，采用国内生产的旋翼、尾桨和传动系统不会带来如此明显的性能下降，因此初步排除制造的原因。通过查阅改机发动机履历本，得出在标准大气，发动机出厂台架性能数据满足发动机最低保证性能要求，且发动机出厂使用时间并不长，分析认为短期内发动机性能急剧下降的可能性很小，因此初步排除该原因。由于相同重量直升机的需用功率（通过测试的扭矩算出）比国外相似机型高8%以上，在直升机重新称重（排除重量问题）后，分析认为发动机扭矩的测量偏高可能是主要原因。另外，从试飞数据中发动机换算转速（Ng）与换算功率的关系曲线可知，该机左右发实测功率均比发动机台架功率高，这也证明可能是发动机扭矩测量偏高引起的。因此初步锁定问题的主要原因是测试系统问题。4 测试问题排查为了排查测试系统问题，尤其是排查发动机扭矩测量问题，下面详细介绍排查所做的工作。4.1 发动机扭矩传感器和机上采集显示线路测试检查为排除发动机扭矩压力传感器和发参采集显示系统机上线路工作不正常带来的影响，科研人员按发动机履历本上的扭矩压力数据对发动机扭矩传感器和采集显示系统进行了测试检查。通过对发动机扭矩传感器加压的方法确认了发动机扭矩传感器和发参采集显示系统工作正常。测试检查后，试飞结果表明悬停需用功率试飞值比国外相似机型仍偏高8%以上。4.2 机上测试系统同步测试扭矩，与发参测量的扭矩进行比较为进一步检测机上发动机扭矩显示系统的正确性，利用机上加装的测试系统，对发动机扭矩传感器输出的信号进行同步测量，与发参显示的扭矩值进行对比。结果表明测试系统测试的总扭矩值和发参显示的总扭矩值两者仅相差0.3%0.4%，即机上发参系统对扭矩传感器输出的扭矩信号的采集显示是正确的。4.3 加装其它型号扭矩传感器的同步对比试飞通过分析发现，该型机发动机扭矩传感器（以下简称CY1）是新设计定型的产品，与原国内其它类似机型的传感器（以下简称CY2）型号不同，为排除CY1扭矩传感器不准确的问题。安排了两种扭矩传感器装机进行同步对比试飞，其中CY1装于M01单元体，CY2装于M05单元体，由于左发安装不太方便，先进行了右发的对比。试飞结果表明，采用CY1扭矩传感器测出的扭矩值，比CY2扭矩传感器测出的扭矩值，在悬停时平均高约4.03%（单台），前飞时平均高约2.98%（单台）,地面开车时平均高约4.06%（单台）。根据发动机厂外场服务人员提供的信息和查阅相关记录，发现该架机右发在试验前曾经更换了M05单元体，新更换的M05单元体履历本上的额定扭矩压力应为0.359Mpa（原M05单元体的压力为0.35Mpa）。但M01单元体上的扭矩传感器并未根据发动机维护手册的规定，按新M05单元体的扭矩压力进行重新标校，会带来测量误差。4.5 重新标校后两种扭矩传感器的同步对比试飞在对扭矩传感器按新M05单元体的扭矩压力进行重新标校后，该架机左、右发均加装了CY1、CY2扭矩传感器进行了对比试飞。结果表明采用CY1扭矩传感器（M01单元体）给出的扭矩相比采用CY2的发参显示扭矩（M05单元体）,在悬停时左发平均高约1.47%，右发平均高约2.57%，双发总扭矩平均高约4.04%。前飞时在低高度偏大，但随着高度增加扭矩反而变小了，这是不合理的。表1 不同传感器扭矩测量值的比较项目压力高度（m）大气温度()M01单元体 (%)M05单元体 (%)差别(M01-M05) (%)左发右发左发右发左发右发总和悬停1507.93145.6341.944.0939.31.542.64.141527.82845.6842.244.2839.671.42.533.93平均1.472.574.04前飞6293.41524.6123.724.3723.10.240.60.846333.98929.6228.4129.527.590.120.820.946294.47533.734.1833.5533.50.150.680.836394.89244.944.6944.9343.78-0.030.910.88平均0.12 0.75 0.87前飞1172-1.52219.5718.8920.5719.46-1-0.57-1.5711510.466745.7345.0446.6945.04-0.960-0.96平均-0.98-0.285-1.265前飞1688-5.95221.4521.2623.2522.49-1.8-1.23-3.031704-4.4243.7742.8845.5243.46-1.75-0.58-2.33平均-1.78 -0.91 -2.69前飞2185-6.3422.1921.6824.5423.62-2.35-1.94-4.292181-4.95340.5139.7643.0341.55-2.52-1.79-4.31平均-2.44 -1.87 -4.31前飞2668-7.5122.821.5125.8224.18-3.02-2.67-5.692660-6.40537.4436.5940.6839.16-3.24-2.57-5.81平均-3.13-2.62-5.75前飞3140-10.6421.9421.3225.7724.78-3.83-3.46-7.293130-9.41935.0634.4238.9637.66-3.9-3.24-7.14平均-3.87 -3.35 -7.22经过分析发现，CY1传感器为绝压型传感器，以真空为压力参考点（固定值），传感器所测的发动机滑油压力为相对真空的压力差。而发动机输出的滑油压力为相对大气的压力，以当前压力为参考点（压力随高度变化而变化），应采用表压型传感器进行测量（CY2传感器即为该类型），以当前压力为参考点来测量发动机滑油压力。采用绝压型传感器进行测量，发动机的扭矩值将受高度的影响，这种传感器不能用于发动机的扭矩测量。为此，厂家决定对CY1传感器进行更改设计，将其改为表压型传感器。4.6 扭矩传感器更改设计后扭矩对比试飞对CY1发动机扭矩传感器进行改进后（改为表压型），补充安排了CY1发动机扭矩传感器和CY2扭矩传感器的对比试飞，检查其改进效果。试飞结果见表2。可以看出，采用CY1传感器的总扭矩测量值比采用CY2传感器的总扭矩测量值，在悬停状态平均高约2.25%，在前飞状态平均高约1.2%2.21%，随高度和速度的变化不明显，说明CY1扭矩传感器随高度变化而产生较大测量误差的问题已基本解决。虽然两传感器所测扭矩仍有所偏差，但差值稍有减小（悬停时原偏差约4.04%）。表2 扭矩测量值的比较项目压力高度（m）大气温度()M01单元体 (%)M05单元体 (%)差别(M01-M05) (%)左发右发左发右发左发右发总和地面开车238.128.4210.0210.068.498.551.531.513.04悬停223.828.0341.5738.8740.4737.131.11.742.84234.726.8346.4742.4445.341.171.171.272.44246.726.250.2843.8749.3943.30.890.571.46平均1.051.192.25前飞510.622.4627.3425.425.9424.311.41.092.49514.122.9827.324.3126.0223.131.281.182.46503.523.1829.1926.627.9425.391.251.212.46508.923.5233.0731.9332.1330.780.941.152.09519.623.7336.5635.2535.8334.130.731.121.85504.72545.6244.845.143.420.521.381.90平均1.021.192.21前飞102819.0426.5426.4925.4925.731.050.761.81101219.7727.3426.6326.3825.550.961.082.04999.320.0133.3634.4932.4933.320.871.172.04995.920.436.136.4735.4535.440.651.031.6899821.1344.7143.844.2642.540.451.261.71平均0.801.061.86前飞207813.552725.626.2124.570.791.031.82207014.128.4827.4827.826.550.680.931.61206214.9333.7533.2233.1932.150.561.071.63204115.4640.8940.8240.539.620.391.21.59平均0.611.061.66前飞30126.4526.8926.1426.5425.290.350.851.2030076.89228.3326.9927.8226.150.510.841.3530157.14731.2530.2730.8329.520.420.751.1730047.64836.7836.7536.5135.960.270.791.06平均0.390.811.204.7 扭矩传感器更改设计后悬停性能对比试飞两种发动机扭矩传感器对比试飞后，在风速小于3m/s时，安排了专门的悬停性能试验，并进行了拆除外挂梁前后的悬停性能对比试飞。试飞数据换算后无地效悬停需用功率试飞值比国外类似机型手册数据平均高5%左右,有挂梁比无挂梁悬停需用功率增加2%左右。考虑国外类似机型是无挂梁状态,如按相同外挂形式对比，需用功率只比国外类似机型高3%左右。4.8 发动机参数采集显示系统发动机台架试验为进一步排查传感器问题，在发动机厂安排了发动机台架与发参采集显示系统联合试验，在发动机不同功率状态下，用发动机台架测试系统的测量值与发参采集显示系统的测量值作比较，查找机上扭矩测量偏差的原因。CY1扭矩传感器分别装于M01和M05单元体的试验数据见表3和表4。试验结果表明： 发参采集显示系统所测量的发动机Ng值与台架测试系统基本一致；发参采集显示系统对扭矩传感器输出信号的采集和显示是正确的；CY1扭矩传感器装于M01单元体时，其扭矩测量值比试车台测量值平均高约1.22%（两发约2.44%）；装于M05单元体时，其扭矩测量值比试车台测量值平均高约1.46%（两发约2.92%）。分析认为主要原因是车台测量滑油压力的位置与M05单元体尚有一段管路，这段管路会带来一定的滑油压力损失，致使CY1压力传感器和车台扭矩压力传感器对压力的测量有偏差。 表3 CY1传感器装于M01单元体的试验结果试车台发参（M01）差值（发参-试车台）扭矩（Nm）对应直升机的扭矩()NG转速（%）M05单元体扭矩压力（kPa）NG转速（%）扭矩（%）NG转速（%）扭矩（%）1509.5381.6372.3381.7111.1280.081.6020012.7183.6196.383.8214.360.211.6530019.0787.18143.887.3120.6660.131.6040025.4290.03189.390.426.8520.371.4350231.9091.65235.191.7933.0550.141.1660038.1393.99281.5594.2239.2290.231.1076048.3097.56354.297.5649.1800.8880050.8598.7372.6798.9151.5680.210.7285054.02100.51395.19100.5954.8790.080.86平均0.161.22表4 CY1传感器装于M05单元体的试验结果试车台发参（M05）差值（发参-试车台）扭矩（Nm）对应直升机的扭矩()NG转速（%）M05单元体扭矩压力（kPa）NG转速（%）扭矩（%）NG转速（%）扭矩（%）1479.3481.4671.1581.5210.7750.061.4420012.7183.6597.383.8214.3170.171.6130019.0787.16144.387.0920.801-0.071.7340025.4290.12188.590.1726.8440.051.4250031.7791.7234.891.7933.1780.091.4160038.1394281.293.9739.52-0.031.3976048.3097.56355.597.5649.58301.2880050.8598.8373.1498.9152.3050.111.4685054.02100.57395.5100.8755.3850.31.36平均0.081.464.9发动机机上扭矩调整后性能试飞根据发动机台架与发参采集显示系统联合试验结果，我们根据台架试验的数据对机上扭矩进行了调整（按较保守的M01单元体试验结果，即对应扭矩760 Nm机上扭矩减小1.8%），并进行了悬停试飞，试飞结果表明，该机无地效悬停需用功率试飞值比国外类似机型手册数据高约3%，如按无挂梁状态比较只高约1%，比理论计算需用功率高不到1%，标准大气（ISA）起飞重量比国外机型低约90kg，比理论计算起飞重量低不到30kg。但试飞时也发现，在高温ISA+20时，虽然需用功率只比理论计算值高不到1%，但起飞重量却比理论计算值低约90kg，这主要是由于该发动机在高温时Ng限制值（起飞状态）大大低于低温时的限制值，而该发动机安装手册并没有明确，且手册中给出的不同温度起飞功率数值没有考虑Ng限制的变化，致使直升机性能计算时采用的发动机可用功率高于发动机最低保证性能。5 结论综上所述，某型机悬停性能变差主要有两方面的原因：一是发动机扭矩测量偏高，二是由于发动机安装手册标注不准确导致直升机性能计算时采用的发动机可用功率高于发动机最低保证性能。而发动机扭矩测量偏高主要由三部分组成：a） 发动机外场更换了M05单元体，但发动机扭矩并没有按新更换单元体的额定扭矩压力重新标定；b） 扭矩传感器采用了绝压型传感器，该传感器测量的精度会随大气压力的变化而变化；c） 车台测量滑油压力的位置与M05单元体尚有一段管路，这段管路会带来一定的滑油压力损失，致使CY1压力传感器和车台扭矩压力传感器对压力的测量有偏差，从而带来扭矩偏差。6 存在的问题和建议由于发动机试车台标定扭矩压力传感器时测量的额定扭矩压力为M05单元体的压力，而机上扭矩传感器采用的额定扭矩压力为M01单元体的压力，其中M05单元体和M01单元体压力差通常按理论值估计，实际每台发动机会有所不同，这会给发动机扭矩测量产生一定偏差。由表3可以看出，随着发动机扭矩的变化，发参和试车台扭矩的测量偏差从0.72%1.65%，相应双发总扭矩的测量偏差则为1.44%3.33%，这么大的偏差会给试飞数据处理带来较大的误差，相应直升机最大起飞重量有约40kg100kg的偏差。鉴于发动机扭矩测量的精度直接影响直升机的性能，建议装于该型号直升机的每台发动机出厂前应进行发动机台架与发参采集显示系统联合试验，以进行发动机扭矩的校准。参 考 文 献1 7210任务编写组. 直升机气动力手册M. 北京：国防工业出版社，19782 直升机飞行性能计算方法手册M. 航空