自制航空發(fā)動機VBV防喘系統(tǒng)模擬教學實驗臺

閆 鋒, 石永強

(中國民航飛行學院 航空工程學院, 四川 廣漢 618307)

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自制航空發(fā)動機VBV防喘系統(tǒng)模擬教學實驗臺

閆 鋒, 石永強

(中國民航飛行學院 航空工程學院, 四川 廣漢 618307)

航空發(fā)動機喘振是氣流失穩(wěn)的一種嚴重表現(xiàn),直接威脅到飛行安全。為了輔助專業(yè)課程教學,將這一個抽象的物理現(xiàn)象形象地演示出來,設(shè)計和構(gòu)建了航空發(fā)動機VBV防喘系統(tǒng)教學模擬實驗臺。依據(jù)VBV實物的工作原理,模擬航空發(fā)動機的壓氣機進出口壓力的變化,通過GC30傳感器采集這些信號,并送到事先寫入控制程序的芯片MSP430中,當氣體信號觸發(fā)閥值時微處理器將自動發(fā)出作動舵機的命令,打開放氣活門，實現(xiàn)模擬航空發(fā)動機喘振時VBV打開防喘的過程。反之,放氣活門自動關(guān)閉。通過LabVIEW軟件顯示,實驗臺模擬VBV系統(tǒng)可行。

航空發(fā)動機; 實驗臺； 流場失穩(wěn); VBV; 防喘

喘振是燃氣輪機一種非正常的工作狀態(tài)，對于航空燃氣渦輪發(fā)動機影響同樣巨大,甚至直接影響到飛行安全。喘振相關(guān)理論知識晦澀難懂,防喘措施也很難見到實物和真實的工作過程。為了解決這個問題,提高教學效果,扎實學生專業(yè)基礎(chǔ),激發(fā)學生對枯燥知識的興趣,培訓學生創(chuàng)新意識,開展了該課題的研究工作。

在軸流壓氣機中流動的氣流如果不能穩(wěn)定流動,可能會使得壓氣機出現(xiàn)失穩(wěn)狀態(tài)。喘振是一種嚴重的旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象,由于軸流式壓氣機整體氣流的壓強是沿著軸向增加的,在發(fā)生嚴重的旋轉(zhuǎn)失速的時候造成氣流量下降,若是后來進入的氣流沒有足夠的動能克服氣流回流的趨勢,氣流就會發(fā)生逆向流動;而這樣的流動使得壓氣機后面的氣流減少,消除了原來的壓強差,又開始正向流動;而這時依然是不穩(wěn)定的狀態(tài),又會發(fā)生嚴重的旋轉(zhuǎn)失速,后面的高壓氣體再次沖了回來,造成氣流在壓氣機中來回振蕩,就是喘振現(xiàn)象[1]。

根據(jù)各個防喘措施的機理和特性,防喘措施的應用也有所不同。在常用的三種軸流式壓氣機的防喘措施中,雙(或三)轉(zhuǎn)子發(fā)動機的實際結(jié)構(gòu)比較復雜,特別是三轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的發(fā)動機目前主要英國的羅爾斯·羅伊斯發(fā)動機公司的幾款大發(fā)動機使用;可調(diào)靜子葉片在防喘方面的實際作用和效率都非?？捎^,但是其作動機構(gòu)比較復雜,對偏轉(zhuǎn)角度精要求高,對喘振探測和分析的方法邏輯有比較高的要求;相比而言，放氣活門雖然對于防喘的效率方面比較不如前兩者好,但考慮到喘振發(fā)生的階段對發(fā)動機的性能要求而言一般發(fā)生在發(fā)動機的起動過程當中以及停車中,對其巡航性能影響不大,所以放氣活門依然得到廣泛的應用。對于軸流式壓氣機而言,整個增壓比在不超過4.5的情況下,不論從需要模擬的結(jié)構(gòu)以及模擬的效果來看,雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機和可調(diào)導向葉片對增壓氣體的壓力影響都不如放氣活門[2-4]。為了增加實驗效果的明顯性和方案的可行性,防喘選擇放氣活門是最佳的。

1 實驗臺設(shè)計方案

首先分析防喘信號的測定、傳遞、分析、執(zhí)行防喘方法的整個過程,以確定實驗臺搭建的原理圖,接著對所需的軟硬件進行分別突破,最后用編寫的程序?qū)④浻布Y(jié)合,并且通過對程序的調(diào)試達到預期的模擬效果。

實驗臺的預期目標是模擬發(fā)動機的VBV防喘系統(tǒng)的工作過程,模擬發(fā)動機通過在壓氣機出口對壓力的信號采集、設(shè)定閾值來模擬喘振發(fā)生的信號,通過微處理器自動將信號值與閾值進行比較并發(fā)出打開活門的命令,通過放氣活門的打開/關(guān)閉,改變所測壓力的大小,模擬喘振發(fā)生時退喘的工作過程[5-8]。VBV防喘模擬系統(tǒng)的設(shè)計原理框圖見圖1。

圖1 VBV防喘模擬系統(tǒng)的設(shè)計原理框圖

2 實驗臺硬件

實驗臺的設(shè)備選擇是整個實驗重要部分,這不但關(guān)系到實驗臺搭建的方向,也直接影響搭建實驗臺的成功與否。所以,在實驗的設(shè)備選材方面經(jīng)過了多次的討論分析。對實驗臺搭建設(shè)備中氣源、傳感器、作動機構(gòu)微處理器以及數(shù)據(jù)采集卡的選擇最重要,也是討論最多的部分。

2.1 氣源

考慮到實驗過程中需要對氣源的壓力進行改變來模擬喘振時的氣流變化,因此氣源氣流的改變需要比較方便，同時要保證其安全性和方便性。經(jīng)過篩選，最終選擇了涵道風扇。涵道風扇較同樣直徑的孤立風扇能產(chǎn)生更大的升力,且風扇環(huán)括在涵道內(nèi),既可阻擋風扇氣動聲向外傳播,又結(jié)構(gòu)緊湊,安全性高。本實驗臺選擇的是64 mm無刷(外轉(zhuǎn)電機) F2839-4500-64涵道風扇,如圖2所示，F(xiàn)2839-4500-64規(guī)格參數(shù)：直徑64 mm，電機電壓4.5 V,工作電流40 A左右(3S情況下)全油門最大推力6.9 N。配有獅牌LION POWER 11.1V鋰電池,如圖3所示；藍宇四通道遙控器(專業(yè)通用級),如圖4所示。由以上設(shè)備組成控制組件和電源系統(tǒng)。

圖2 涵道風扇

電池型號LIONPOWER11．1V鋰電池電池類型聚合物充電鋰電池電池容量2200mAh尺寸108mm×34mm×23mm插頭類型T插頭，平衡充插頭設(shè)計持續(xù)電流50A最大電流65A質(zhì)量178g圖3 獅牌LIONPOWER11．1V鋰電池及參數(shù)

名稱電源遙控距離全套設(shè)備藍宇四通道遙控器8節(jié)1．5V5號干電池約500m發(fā)射機1臺接收機1個晶體1對圖4 藍宇四通道遙控器及參數(shù)

2.2 傳感器

傳感器的選擇是在對氣源系統(tǒng)確定之后選擇的,最先開始的時候沒有考慮傳感器的精度,直接選用工業(yè)傳感器,在進行測試的過程當中由于精度和氣源壓力不匹配,造成信號無法采集。通過計算得到涵道風扇對氣流增壓值在Pa級,傳感器的選擇改用量程1～500 Pa、精度為1 Pa、12～24 V直流電源供電的GC30傳感器，如圖5所示。

2.3 作動機構(gòu)

作動機構(gòu)是整個實驗臺的執(zhí)行機構(gòu),需要對活門打開的角度進行控制。在實驗的初期直接選擇步進電機,但是后來通過對氣源的選擇之后決定改用舵機,相比步進電機,舵機驅(qū)動的扭矩能夠達到要求,同時舵機

圖5 GC30傳感器

還有體積小、安裝方便、驅(qū)動角度在程序中容易控制的特點。舵機及參數(shù)如圖6所示。

工作電壓3．5V～6V無負載操作速度0．12s/60°(4．8V)死區(qū)設(shè)定4μs堵轉(zhuǎn)扭矩1．98kg·cm(4．8V)尺寸22．6mm×21．8mm×11．4mm使用溫度-30℃～+60℃圖6 舵機及其參數(shù)

2.4 微處理器

微處理器是對閾值設(shè)定和將閾值與信號比較的處理器件,是實驗臺的大腦部位。由于作動機構(gòu)使用的是舵機,用PWM波的占空比決定舵機的旋轉(zhuǎn)角度,采用可以產(chǎn)生PWM波的MSP-430開發(fā)板,通過編程,實現(xiàn)作動機構(gòu)的要求。圖7是MSP-430開發(fā)板。

MSP430系列單片機的特點:強大的處理能力,MSP430 系列單片機是一個16 位的單片機,采用了精簡指令集(RISC)結(jié)構(gòu),具有豐富的尋址方式(7 種源操作數(shù)尋址、4 種目的操作數(shù)尋址)、簡潔的27條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令;大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器都可參加多種運算;還有高效的查表處理指令;有較高的處理速度,在8 MHz晶體驅(qū)動下指令周期為125 ns,運算能力較快。MSP430單片機之所以有超低的功耗,是因為其在降低芯片的電源電壓及靈活而可控的運行時鐘方面都有其獨到之處。這些特點保證了可編制出高效率的源程序[9-10]。

圖7 微處理器MSP430開發(fā)板

2.5 數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡主要負責將壓力傳感器的信號波形圖進行顯示,顯示平臺的軟件使用的是LabVIEW軟件,所以采集卡必須支持和LabVIEW軟件的連接。

MPS-010501數(shù)據(jù)采集卡(見圖8)是一款基于USB總線的多功能數(shù)據(jù)采集卡,具有4路差分模擬信號采集、1路模擬信號輸出和8路數(shù)字信號輸入/輸出。MPS-010501采用 USB2.0高速總線接口,總線極具易用性,即插即用,是便攜式系統(tǒng)用戶的最佳選擇。MPS-010501可工作在 Win9X/Me、Win2000/XP 等常用操作系統(tǒng)中,并提供可供VB、VC、C++、LabVIEW等常用編程語言調(diào)用的動態(tài)鏈接庫,編程函數(shù)接口簡單易用,易于編寫應用程序。

圖8 MPS-010501數(shù)據(jù)采集卡

搭建成的實驗臺如9圖所示.實驗臺搭建的最終成果。

3 實驗臺的軟件

該實驗平臺的軟件主要分為2個模塊:一是顯示信號波形的LabVIEW軟件,二是對微處理器MSP430開發(fā)板的燒錄工具。對于機械專業(yè)的學生來講,這2個軟件是對非專業(yè)知識的綜合應用。

3.1 LabVIEW軟件

LabVIEW軟件是一種用圖標代替文本行創(chuàng)建應

圖9 航空發(fā)動機VBV防喘系統(tǒng)模擬教學實驗臺

用程序的圖形化編程語言。傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序,而 LabVIEW 則采用數(shù)據(jù)流編程方式,程序框圖中節(jié)點之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。VI指虛擬儀器,是 LabVIEW 的程序模塊。

LabVIEW 提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器(如示波器、萬用表)類似的控件,可用來方便地創(chuàng)建用戶界面。用戶界面在 LabVIEW 中被稱為前面板。使用圖標和連線,可以通過編程對前面板上的對象進行控制。這就是圖形化源代碼,又稱G代碼。LabVIEW 的圖形化源代碼在某種程度上類似于流程圖,因此又被稱作程序框圖代碼。主要特點:盡可能采用了通用的硬件,各種儀器的差異主要是軟件?？沙浞职l(fā)揮計算機的能力,有強大的數(shù)據(jù)處理功能,可以創(chuàng)造出功能更強的儀器。用戶可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器[11-13]。

在本實驗中對傳感器采集到的氣流波形通過采集卡與LabVIEW軟件連接,將波形圖顯示在VI面板上。程序框圖如圖10所示。

圖10 LabVIEW程序框圖

3.2 IAR軟件和MSP430BSL

軟件嵌入式IAR Embedded Workbench是一個非常有效的集成開發(fā)環(huán)境(IDE),它使用戶充分有效地開發(fā)并管理嵌入式應用產(chǎn)品。該軟件提供一個框架,任何可用的工具都可以完整地嵌入其中,IAR工具可以為用于8位、16位以及32位的微處理器。本文用到的高度優(yōu)化的C/C++語言編譯器,IAR編輯頁面和C/C++語言編譯器基本一致。實驗臺控制程序流程圖見圖11。

圖11 實驗臺控制程序流程圖

對于MSP430BSL軟件,首先確定BSL的意義。BSL(bootstrap ioader)是MSP430FLASH系列單片機獨有的一項功能。在程序空間、RAM之外有1 KB左右的引導區(qū),用來存放430的BOOTROM文件(這是一個引導ROM,類似網(wǎng)卡上的BOOTROM)。當外界給芯片提供一種特定的激勵時,芯片內(nèi)的引導程序開始工作,引導外部數(shù)據(jù)寫入片內(nèi)ROM、RAM區(qū),或者是發(fā)送片內(nèi)數(shù)據(jù)到外部。這些都是通過軟件UART來完成的。如果是Flash系列的單片機,則Flash空間包含了ROM和RAM?？刂瞥绦蚴枪袒贐OOTROM空間內(nèi),而且是一個用戶不能直接使用和修改的存儲空間。430BSL的主要原理是通過芯片上電特殊復位后,引導片外代碼燒錄到片內(nèi)Flash中,完成系統(tǒng)編程的。包括一些補丁程序所做的修改,都在REV3.0軟件上做了改進。圖12為MSP430BSL軟件的頁面,通過裝載燒錄文件,將程序?qū)懭氲組SP430中,通過執(zhí)行鍵將載入的程序進行執(zhí)行。

圖12 MSP430BSL軟件的頁面(實驗程序燒錄)

通過以上2個軟件的結(jié)合,將編寫的程序?qū)氲組SP430中,然后對實驗臺進行測試,并且更改程序中的參數(shù),達到穩(wěn)定運行的處預期結(jié)果。

4 實驗結(jié)果與分析

在實驗臺搭建完成之后,對程序做了調(diào)試工作,保證了實驗的效果。

(1) 活門打開情況。開始推動涵道風扇的油門控制桿,涵道風扇的轉(zhuǎn)速不斷升高,壓差傳感器GC30的顯示壓差值不斷升高,在壓差傳感器輸出的模擬值達到2.4 V(通過電壓顯示模塊顯示)時,舵機自動偏轉(zhuǎn)90°進行放氣模擬,大約3 s后舵機自動復位;隨后不斷增加油門,涵道風扇的轉(zhuǎn)速不斷增加,當壓差傳感器GC30的顯示模塊顯示達到450 Pa左右時開始收油門,涵道風扇轉(zhuǎn)速降低,在壓差傳感器輸出的模擬值達到2.4V時,舵機自動偏轉(zhuǎn)90°進行放氣模擬,隨后大約3 s后,舵機自動復位,這是對發(fā)動機停車過程中的喘振的模擬。

(2) LabVIEW軟件顯示情況。在實驗中,LabVIEW軟件通過程序編寫,用來顯示實驗過程當中氣流壓力的變化，如圖13、圖14、圖15所示。圖中X坐標表示時間,Y坐標表示1路差分信號的電壓信號的大小。顯示時根據(jù)設(shè)置自動調(diào)整Y軸坐標,所以相同的長度單位不表示相同的變化量。

圖13 氣流流速穩(wěn)定時的波形圖(起動之時)

圖14 氣流流速快速變化時的波形圖

圖15 氣流流速緩慢變化時的波形圖

5 結(jié)束語

本實驗平臺最終完成了對VBV防喘系統(tǒng)的模擬工作,可以實現(xiàn)在壓力變化到設(shè)定的門檻值的時候,放氣活門能夠在涵道風扇轉(zhuǎn)速上升和下降的過程中的自動打開與關(guān)閉,基本與實驗預期匹配。在整個實驗臺的結(jié)果上可以得到在接收到信號指令時,放氣活門的打開完全能夠?qū)崿F(xiàn)。這雖然是一個簡單的實驗臺,但其功能在實際中依然適用。不論情況多么復雜,只要能夠?qū)⑺枰膶崨r數(shù)據(jù)處理達到技術(shù)要求,就能將防喘的放氣推進到喘振發(fā)生前。不過，實際中所需的算法以及對傳感器的精度等要求都比該實驗臺的高得多,比如現(xiàn)在用到的行波能量法、結(jié)構(gòu)函數(shù)法、小波分析法等對壓力信號進行分析,大多是捕捉失速前的脈尖擾動或模態(tài)擾動,因而需要將各個算法進行集中,能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義的防喘。

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A self-made simulation teaching test bench of aero-engine VBV anti-surge system

Yan Feng, Shi Yongqiang

(Aviation Engineering Institute,Civil Aviation Flight University of China, Guanghan 618307,China)

Surge is one of terrible flow field instabilities for aero-engine,it threats to the flight safety.To aid major courses teaching,and to demonstrate visually abstract physical phenomenon,a teaching simulation bench of VBV anti-surge system is designed and constructed.Depending on real VBV system, this article describes how to simulate compress variation at import and export of compressor of aero-engine,pick up these signals by a GC30 sensor, and deliver these signals to an MSP430 chip with a control program.When air signal triggers threshold microprocessors,it will automatically send actuation servo commands, and open the bleed valve.Finally, it realizes the simulated aircraft engine surge, the VBV opens to remove surge,and vice versa.The obtained results by LabVIEW software show that this test bench of the VBV system simulation is feasible.

aero-engine; test bench; flow field instability;VBV;anti-surge

2014- 06- 09 修改日期：2014- 08- 07

國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(201210624061)；中國民航飛行學院青年基金項目(Q2013-38)

閆鋒(1981—)，男，山東魚臺，碩士，講師，研究方向為民用航空發(fā)動機性能監(jiān)控.

E-mail：yfcafuc@aliyun.com

V235；G484

A

1002-4956(2015)2- 0101- 06