一种燃气涡轮轴发动机刹车起动扭矩的计算方法、系统和控制方法与流程

1.本发明属于涡轮轴发动机技术领域，具体涉及一种燃气涡轮轴发动机刹车起动扭矩的计算方法、系统和控制方法。


背景技术：

2.舰载直升机在舰面停留时会受到强风、舰船颠簸的影响，容易发生倾倒。特别是在直升机起动和地面慢车过程中，旋翼会持续转动，此时直升机还会受到旋翼升力作用，该作用力加剧了机身的不稳定性，更加容易增大直升机倾倒几率；因此，舰载直升机在到达地面慢车状态之前，一般采用旋翼刹车装置禁锢旋翼，达到地面慢车状态后再松开刹车装置；相较于正常起动，刹车起动的发动机输出轴和直升机传动系统所受扭矩大大增加，如果扭矩超过限制阀值，可能损坏发动机和传动系统，飞行员一般通过燃气发生器转速与刹车起动扭矩的关系，决断松开刹车装置的时机，但是该种方式危险性较大，因此，需在台架完成刹车起动验证试验。
3.为保证试验安全，现有技术中在台架刹车起动试验前一般采取类比分析(与已完成了刹车起动试验的发动机类比气动力、轴强度等)和逐级试验法(分别在30％ng、40％ng、50％ng
···
地面慢车转速松开刹车装置)；但是，类比分析误差较大，逐级试验法耗费较多试验资源，且依旧存在一定未知风险。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种燃气涡轮轴发动机刹车起动扭矩的计算方法，以解决上述背景技术中提出现有的航载直升机在刹车起动试验过程中的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种燃气涡轮轴发动机刹车起动扭矩的计算方法，包括基于航载直升机正常起动和正常停车条件下的试验数据对刹车起动中的刹车扭矩进行计算，所述方法包括：
6.构建正常起动试验条件下，动力涡轮轴所受扭矩和动力涡轮轴起动转速变化率的关系式一；
7.构建正常停车试验条件下，动力涡轮轴所受扭矩和动力涡轮轴停车转速变化率的关系式二；
8.基于刹车起动试验条件下，动力涡轮轴所受扭矩的平衡关系，结合所述关系式一和关系式二，得到所述刹车起动试验条件下，动力涡轮轴刹车扭矩的计算公式。
9.优选的，所述关系式一构成为所述动力涡轮轴起动转速变化率同作用于所述动力涡轮轴的驱动力矩、动力涡轮轴阻力矩以及水力测功器第一力矩的等式。
10.优选的，所述关系式二构成为所述涡轮动力轴停车转速变化率同作用于所述动力涡轮轴的阻力矩和水力测功器第二力矩的等式。
11.优选的，所述动力涡轮轴所受扭矩的平衡关系构成为作用于所述动力涡轮轴刹车
扭矩和驱动力矩的平衡关系。
12.优选的，所述基于刹车起动试验条件下，动力涡轮轴所受扭矩的平衡关系，结合所述关系式一和关系式二，得到所述刹车起动试验条件下，动力涡轮轴刹车扭矩的计算公式包括：
13.基于所述关系式一，得到通过所述动力轴起动转速变化率计算所述驱动力矩的表达式一；
14.基于所述关系式二，得到通过所述动力轴停车转速变化率计算所述阻力矩的表达式二；
15.基于所述表达式一和表达式二，得到通过所述动力轴起动转速变化率和第二转动转速变化率计算所述驱动力矩的表达式三；
16.基于所述驱动力矩和刹车扭矩的平衡关系，通过所述表达式三计算所述刹车扭矩。
17.优选的，所述方法还包括基于所述动力涡轮轴的刹车扭矩和传动系统的传动比对输出轴的扭矩进行计算。
18.一种燃气涡轮轴发动机刹车起动扭矩的控制方法，基于上述方法所获取的刹车扭矩的计算值，对应设置刹车起动时，动力涡轮轴刹车扭矩的保护值
19.优选的，所述保护值为所述计算值的40％-60％。
20.优选的，所述控制方法还包括当所述涡轮动力轴的扭矩达到所述保护值时，数控系统控制涡轮轴发动机停车。
21.一种燃气涡轮轴发动机刹车起动扭矩的计算系统，基于航载直升机正常起动和正常停车条件下的试验数据对刹车起动中的刹车扭矩进行计算，所述系统包括：
22.关系式一构建模块，其配置为构建正常起动试验条件下，动力涡轮轴所受扭矩和动力涡轮轴起动转速变化率的关系式一；
23.关系式二构建模块，其配置为构建正常停车试验条件下，动力涡轮轴所受扭矩和动力涡轮轴停车转速变化率的关系式二；
24.刹车扭矩计算模块，其配置为基于刹车起动试验条件下，动力涡轮轴所受扭矩的平衡关系，结合所述关系式一和关系式二，得到所述刹车起动试验条件下，动力涡轮轴刹车扭矩的计算公式。
25.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
26.本技术通过构建正常起动试验条件下，动力涡轮轴所受扭矩和动力涡轮轴起动转速变化率的关系式一和构建正常停车试验条件下，动力涡轮轴所受扭矩和动力涡轮轴停车转速变化率的关系式二；并基于刹车起动试验条件下，动力涡轮轴所受扭矩的平衡关系，结合所述关系式一和关系式二，从而得到动力涡轮轴刹车扭矩的计算公式，计算误差小且安全性高。
附图说明
27.图1为本发明正常起动时动力涡轮轴受力分析图；
28.图2为本发明刹车起动时动力涡轮轴受力分析图；
29.图3为本发明方法流程图。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.燃气涡轮轴发动机和发动机相配合的传动系统是航载直升机的重要组成部分，为保证航载直升机在运行过程中的安全性，需要对部件的强度进行校准，特别是涡轮发动机的输出轴(以下称动力涡轮轴)和传动系统中轴(以下将动力涡轮轴和传动系统中的轴统称轴系)的强度控制在航载直升机的安全运行中起到至关重要的作用，如在航载直升机起动、飞行和停车过程中，轴系受扭矩的作用，施加于轴系上扭矩超过限制阈值后，就会对发动机和传动系统造成损害，目前针对航载直升机正常运行的轴系扭矩的试验过程比较完善，试验安全性较高，但是刹车起动的发动机输出轴和直升机传动系统所受扭矩大大增加，需要对刹车起动的扭矩先进行计算，以提高刹车起动试验的安全性；
32.针对上述问题，现提出一种燃气涡轮轴发动机刹车起动扭矩的计算方法，该方法基于航载直升机正常起动和正常停车条件下的试验数据对刹车起动中的刹车扭矩进行计算，具体的，参照图3，该方法包括：
33.s100：构建正常起动试验条件下，动力涡轮轴所受扭矩和动力涡轮轴起动转速变化率的关系式一；
34.s200：构建正常停车试验条件下，动力涡轮轴所受扭矩和动力涡轮轴停车转速变化率的关系式二；
35.s300：基于刹车起动试验条件下，动力涡轮轴所受扭矩的平衡关系，结合所述关系式一和关系式二，得到所述刹车起动试验条件下，动力涡轮轴刹车扭矩的计算公式。
36.进一步的，所述关系式一构成为所述动力涡轮轴起动转速变化率同作用于所述动力涡轮轴的驱动力矩、动力涡轮轴阻力矩以及水力测功器第一力矩的等式。
37.进一步的，所述关系式二构成为所述涡轮动力轴停车转速变化率同作用于所述动力涡轮轴的阻力矩和水力测功器第二力矩的等式。
38.进一步的，所述动力涡轮轴所受扭矩的平衡关系构成为作用于所述动力涡轮轴刹车扭矩和驱动力矩的平衡关系。
39.进一步的，所述基于刹车起动试验条件下，动力涡轮轴所受扭矩的平衡关系，结合所述关系式一和关系式二，得到所述刹车起动试验条件下，动力涡轮轴刹车扭矩的计算公式包括：
40.基于所述关系式一，得到通过所述动力轴起动转速变化率计算所述驱动力矩的表达式一；
41.基于所述关系式二，得到通过所述动力轴停车转速变化率计算所述阻力矩的表达式二；
42.基于所述表达式一和表达式二，得到通过所述动力轴起动转速变化率和第二转动转速变化率计算所述驱动力矩的表达式三；
43.基于所述驱动力矩和刹车扭矩的平衡关系，通过所述表达式三计算所述刹车扭矩。
44.本技术还公开了一种燃气涡轮轴发动机刹车起动扭矩的计算系统，该系统基于航载直升机正常起动和正常停车条件下的试验数据对刹车起动中的刹车扭矩进行计算，该系统包括：
45.关系式一构建模块，其配置为构建正常起动试验条件下，动力涡轮轴所受扭矩和动力涡轮轴起动转速变化率的关系式一；
46.关系式二构建模块，其配置为构建正常停车试验条件下，动力涡轮轴所受扭矩和动力涡轮轴停车转速变化率的关系式二；
47.刹车扭矩计算模块，其配置为基于刹车起动试验条件下，动力涡轮轴所受扭矩的平衡关系，结合所述关系式一和关系式二，得到所述刹车起动试验条件下，动力涡轮轴刹车扭矩的计算公式
48.现结合试验系统对上述计算方法进行进一步说明：
49.图1示例性的给出了不具有体内减速器的涡轮发动机试验系统图，该试验系统包括动力涡轮盘、轴和叶片集成以及测功器，其中测功器直接作用于动力涡轮轴；
50.参照图1，为航载直升机正常起动时，动力涡轮轴受力示意图，由图可知，正常起动时，动力涡轮轴承受三种力矩，即高温燃气冲击涡轮叶片产生的驱动力矩mq、涡轮动力轴阻力矩mc和水力测功器力矩m
w1
，其中水力测功器力矩m
w1
可以人为调控并能通过水力测功器的控制面板读取，对应将其记为水力测功器第二力矩，最终作用于动力涡轮轴的总扭矩δm为驱动力矩mq、涡轮动力轴阻力矩mc和水力测功器力矩m
w1
的和，即：
51.mq+mc+m
w1
＝δm
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
52.同时作用于动力涡轮轴的总扭矩δm还可以表示为：
[0053][0054]
式(2)中，j为动力涡轮转子系转动惯量，单位为kg
·
m2；
[0055]np
代表动力涡轮轴转速，单位为r/min，为起动过程中的加速度，即起动转速的变化率；
[0056]
t代表时间，单位为s。
[0057]
结合上述式(1)和(2)，即可得到动力涡轮轴所受扭矩和动力涡轮轴起动转速变化率的关系式一(3)：
[0058][0059]
在航载直升机的正常停车过程中，燃气发生器停止产生燃气，即此时作用于动力涡轮轴的驱动力矩mq变为零，此时仅有涡轮动力轴阻力矩mc和水力测功器力矩m
w2
作用于动力涡轮轴，动力涡轮轴在阻力矩mc和水力测功器力矩m
w2
的作用下逐渐停止转动，上述m
w2
同样可以人为在水力测功器内设定，并通过控制面板读取，对应记为水力测功器的第二力矩，结合上述式(1)和(2)中针对作用于动力涡轮轴总力矩的两种表达方式，即可得到正常停车过程中，作用于动力涡轮轴上的总力矩同动力涡轮轴转速之间的关系式二(4)如下：
[0060][0061]
式(4)中，为停车过程中的减速度，即动力涡轮轴停车转速变化率。
[0062]
在刹车起动过程中，动力涡轮轴被刹车装置束缚，动力涡轮轴所承受的总扭矩处于平衡状态，即驱动力矩mq与刹车扭矩m
s-动力涡轮
平衡，图3示例性地给出了刹车起动过程中，动力涡轮轴的受力分析图，结合上述分析以及正常起动和正常停车过程中动力涡轮轴所受扭矩同转速的关系式(3)和(4)，得到刹车扭矩m
s-动力涡轮
的计算公式，具体的该过程包括
[0063]
基于关系式一，得到通过动力轴起动转速变化率计算驱动力矩的表达式一(5)：
[0064][0065]
基于关系式二，得到通过动力轴停车转速变化率计算阻力矩的表达式二(6)：
[0066][0067]
基于表达式一和二，得到通过动力轴起动转速变化率和停车转速变化率计算驱动力矩的表达式三(7)：
[0068][0069]
基于驱动力矩和刹车扭矩的平衡关系，最终得到动力涡轮轴的刹车扭矩表达式(8)如下：
[0070][0071]
式(4)中，等式右边的变量均可通过正常起动和正常停车的试验得到，从而通过现有试验设备对刹车起动过程中动力涡轮轴扭矩的计算，保证了刹车起动试验的安全性；
[0072]
对于带体内减速器的涡轮轴发动机，在起动试验、停车试验和刹车起动试验的过程中，由于水力测功器不直接与动力涡轮轴连接，即水力测功器不直接作用于动力涡轮轴，对于上式(1)、(2)、(3)和(4)，，式中水力测功器作用于动力涡轮轴的扭矩发生变化，若动力涡轮轴至输出轴的减速比为i，此时水力测功器作用于输出轴的力矩分别为m
w1
和m
w2
，则作用于动力涡轮轴(系)的力矩分别为和
[0073]
则此时作用于动力涡轮轴的刹车扭矩表达式(8)如下：：
[0074][0075]
对应的，水力测功器直接作用的输出轴刹车扭矩计算公式(9)如下：
[0076][0077]
示例性地，假设带体内减涡轴发动机动力涡轮至输出轴的减速比为6，动力涡轮转子传动系转动惯量为6*10-2
kg
·
m2。
[0078]
某次正常起动n
p
加速率、停车过程n
p
减速率、起动和停车过程中水力测功器扭矩变化等参数如表2所示，表中ng表示燃气涡轮转速，同时表中n
p
和ng数值为各自当前转速和额定转速的比值，根据以上条件可得出动力涡轮刹车扭矩和输出轴刹车扭矩，详见表3：
[0079]
表2正常起动参数示例
[0080][0081]
表3刹车起动计算示例
[0082][0083][0084]
本技术还公开了一种燃气涡轮轴发动机刹车起动扭矩的控制方法，该控制方法基于上述计算方法所计算得出的刹车扭矩的计算值，对应设置刹车起动时，动力涡轮轴刹车扭矩的保护值，在控制方法的一些实施例中，该保护值设定为计算值的40％-60％,当所述涡轮动力轴的扭矩达到所述保护值时，数控系统控制涡轮轴发动机停车。
[0085]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换
和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种燃气涡轮轴发动机刹车起动扭矩的计算方法，其特征在于：基于航载直升机正常起动和正常停车条件下的试验数据对刹车起动中的刹车扭矩进行计算，所述方法包括：构建正常起动试验条件下，动力涡轮轴所受扭矩和动力涡轮轴起动转速变化率的关系式一；构建正常停车试验条件下，动力涡轮轴所受扭矩和动力涡轮轴停车转速变化率的关系式二；基于刹车起动试验条件下，动力涡轮轴所受扭矩的平衡关系，结合所述关系式一和关系式二，得到所述刹车起动试验条件下，动力涡轮轴刹车扭矩的计算公式。2.根据权利要求1所述的一种燃气涡轮轴发动机刹车起动扭矩的计算方法，其特征在于：所述关系式一构成为所述动力涡轮轴起动转速变化率同作用于所述动力涡轮轴的驱动力矩、动力涡轮轴阻力矩以及水力测功器第一力矩的等式。3.根据权利要求2所述的一种燃气涡轮轴发动机刹车起动扭矩的计算方法，其特征在于：所述关系式二构成为所述涡轮动力轴停车转速变化率同作用于所述动力涡轮轴的阻力矩和水力测功器第二力矩的等式。4.根据权利要求3所述的一种燃气涡轮轴发动机刹车起动扭矩的计算方法，其特征在于：所述动力涡轮轴所受扭矩的平衡关系构成为作用于所述动力涡轮轴刹车扭矩和驱动力矩的平衡关系。5.根据权利要求4所述的一种燃气涡轮轴发动机刹车起动扭矩的计算方法，其特征在于：所述基于刹车起动试验条件下，动力涡轮轴所受扭矩的平衡关系，结合所述关系式一和关系式二，得到所述刹车起动试验条件下，动力涡轮轴刹车扭矩的计算公式包括：基于所述关系式一，得到通过所述动力轴起动转速变化率计算所述驱动力矩的表达式一；基于所述关系式二，得到通过所述动力轴停车转速变化率计算所述阻力矩的表达式二；基于所述表达式一和表达式二，得到通过所述动力轴起动转速变化率和第二转动转速变化率计算所述驱动力矩的表达式三；基于所述驱动力矩和刹车扭矩的平衡关系，通过所述表达式三计算所述刹车扭矩。6.根据权利要求1或5所述的一种燃气涡轮轴发动机刹车起动扭矩的计算方法，其特征在于：所述方法还包括基于所述动力涡轮轴的刹车扭矩和传动系统的传动比对输出轴的扭矩进行计算。7.一种燃气涡轮轴发动机刹车起动扭矩的控制方法，其特征在于：基于权利要求1-6中任一项所述的方法所获取的刹车扭矩的计算值，对应设置刹车起动时，动力涡轮轴刹车扭矩的保护值。8.根据权利要求7所述的一种燃气涡轮轴发动机刹车起动扭矩的控制方法，其特征在于：所述保护值为所述计算值的40％-60％。9.根据权利要求所述的一种燃气涡轮轴发动机刹车起动扭矩的控制方法，其特征在于：所述控制方法还包括当所述涡轮动力轴的扭矩达到所述保护值时，数控系统控制涡轮轴发动机停车。10.一种燃气涡轮轴发动机刹车起动扭矩的计算系统，其特征在于：基于航载直升机正
常起动和正常停车条件下的试验数据对刹车起动中的刹车扭矩进行计算，所述系统包括：关系式一构建模块，其配置为构建正常起动试验条件下，动力涡轮轴所受扭矩和动力涡轮轴起动转速变化率的关系式一；关系式二构建模块，其配置为构建正常停车试验条件下，动力涡轮轴所受扭矩和动力涡轮轴停车转速变化率的关系式二；刹车扭矩计算模块，其配置为基于刹车起动试验条件下，动力涡轮轴所受扭矩的平衡关系，结合所述关系式一和关系式二，得到所述刹车起动试验条件下，动力涡轮轴刹车扭矩的计算公式。

技术总结
本发明公开了一种燃气涡轮轴发动机刹车起动扭矩的计算方法、系统和控制方法，属于涡轮轴发动机技术领域，该一种燃气涡轮轴发动机刹车起动扭矩的计算方法，包括构建正常起动试验条件下，动力涡轮轴所受扭矩和动力涡轮轴起动转速变化率的关系式一；构建正常停车试验条件下，动力涡轮轴所受扭矩和动力涡轮轴停车转速变化率的关系式二。通过构建关系式的方式，从而得到动力涡轮轴刹车扭矩的计算公式，计算误差小且安全性高。误差小且安全性高。误差小且安全性高。


技术研发人员：邹黎 皮星 王旭 陈岗 张波 朱明勇
受保护的技术使用者：中国航发湖南动力机械研究所
技术研发日：2023.03.29
技术公布日：2023/8/9