發(fā)動機原理實驗教學(xué)改革的研究

周堯明　王永超　李少偉

摘要：“發(fā)動機原理”課程是飛行器設(shè)計類專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，文中從課程本身的特點出發(fā)，結(jié)合多年的教學(xué)經(jīng)驗，分析了發(fā)動機原理類課程對實驗教學(xué)的需要。在對美國Turbine Technologies公司開發(fā)的“MiniLab燃?xì)廨啓C動力實驗系統(tǒng)”進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)研之后，分析了其主要功能和特點，指出了應(yīng)用于本專業(yè)實驗教學(xué)的諸多不足之處。在綜合分析了當(dāng)前的教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，以滿足本專業(yè)需求為目標(biāo)，提出了搭建小型渦噴發(fā)動機實驗平臺為核心的教學(xué)改革方案。最后詳細(xì)描述了實驗平臺的搭建方法，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了相應(yīng)的實驗項目。

關(guān)鍵詞：實驗教學(xué)；專業(yè)需求；教學(xué)改革；實驗平臺；實驗項目

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）11-0094-03

一、“發(fā)動機原理”課程對實驗教學(xué)的需要

航空發(fā)動機是飛機的“心臟”，在很大程度上決定了航空技術(shù)的發(fā)展水平。由于航空發(fā)動機應(yīng)用的特殊性，它無疑是集中體現(xiàn)了現(xiàn)代動力機械的最先進(jìn)水平[1]。眾多的航空發(fā)動機原理教材在闡述相關(guān)原理和性能的過程中均涉及到大量的推導(dǎo)公式和二維平面插圖，加之發(fā)動機中某些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的三維構(gòu)型，使得課程內(nèi)容枯燥難懂[2]?！鞍l(fā)動機原理”課程開設(shè)的對象是飛行器設(shè)計與工程專業(yè)本科三年級的學(xué)生，其大部分學(xué)生畢業(yè)后會從事飛行器設(shè)計相關(guān)的工作。因此，在發(fā)動機原理課程的培養(yǎng)要求上與動力工程專業(yè)會有根本性的不同。開設(shè)“發(fā)動機原理”（即將更名為“航空發(fā)動機原理與應(yīng)用”），目的是讓學(xué)生對航空發(fā)動機的基本工作原理、整體性能乃至飛機的整個動力系統(tǒng)有一定的理解和認(rèn)識，了解發(fā)動機型號的選用方法和選用標(biāo)準(zhǔn)。重點在于“應(yīng)用”，而非深入研究。

為了改善這種枯燥的教學(xué)狀況，“發(fā)動機原理”教學(xué)團(tuán)隊利用學(xué)校航空航天博物館的資源，增加了實踐參觀的學(xué)時，組織學(xué)生參觀拆解過的航空發(fā)動機實體。從而使學(xué)生對發(fā)動機整體的構(gòu)型以及內(nèi)部主要構(gòu)件有了直觀、清晰的認(rèn)識。但是用于評價航空發(fā)動機好壞的動態(tài)性能和指標(biāo)難以通過靜態(tài)的實物得以體現(xiàn)，而這些恰恰是一個飛行器設(shè)計人員所應(yīng)該了解和掌握的。從多年的教學(xué)經(jīng)驗來看，傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，教學(xué)效果難以得到有效保證[3]。因此，對現(xiàn)有的“發(fā)動機原理”實驗課程進(jìn)行教學(xué)改革顯得尤為迫切。要構(gòu)建具有專業(yè)特色的教學(xué)體系，就必須結(jié)合專業(yè)現(xiàn)狀，以滿足專業(yè)需求為目標(biāo)[4]，搭建一套適合于本專業(yè)教研情況的實驗平臺。

美國燃機公司（Turbine Technologies）開發(fā)的“MiniLab燃?xì)廨啓C動力實驗系統(tǒng)”是一套專業(yè)的、成熟的研究燃?xì)廨啓C循環(huán)過程和工作原理的實驗平臺。其有以下幾個主要特點：（1）具有較高的穩(wěn)定性；（2）在LabView實驗軟件的基礎(chǔ)上，配有“一鍵啟動”按鈕。啟動后，推桿調(diào)節(jié)油門，各關(guān)鍵參數(shù)均在主控臺上顯示，方便快捷，具有較高的自動化程度；（3）完備的傳感器量測系統(tǒng)使得可以對動力系統(tǒng)中的壓氣機部件、透平部件、燃燒室部件乃至整個循環(huán)中的性能和參數(shù)進(jìn)行定量分析，并最終通過主控臺顯示；（4）如果配置消音器的話，可用于噪聲研究。

由于專業(yè)需求的差異，如果直接采購MiniLab實驗系統(tǒng)于本課程的教學(xué)實驗又存在諸多的不足之處。首先，MiniLab實驗系統(tǒng)本身具有較高的自動化程度，且發(fā)動機及其安裝固定結(jié)構(gòu)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、供輸油系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等均安裝于防護(hù)罩內(nèi)。因此，難以使學(xué)生對整個動力系統(tǒng)的各主要組成部分有一個具體、直觀的認(rèn)識。實驗過程中反映發(fā)動機狀態(tài)、性能的各關(guān)鍵參數(shù)是通過內(nèi)部的軟件分析處理后顯示在主控臺上，而不是學(xué)生結(jié)合書中的原理公式與實際采集的數(shù)據(jù)處理得到的，從而難以形成深刻理解和認(rèn)識。其次，設(shè)備的部分功能，例如對于透平部件、燃燒室部件的分析太過于深入，對本課程來說是不必要的，其對噪聲的研究也可以說是多余的。因此，該設(shè)備應(yīng)用于本課程的教學(xué)實驗將不能發(fā)揮其最大的價值。此外，該設(shè)備的主要部件及零件均為美國制造，除了其高昂的成本之外，對于失效零件的采購、更換也會給教學(xué)帶來諸多的不便。

二、實驗平臺搭建

經(jīng)過對發(fā)動機實驗室，微型渦噴發(fā)動機及主要零配件、相關(guān)測量控制元件的調(diào)研，確定了實驗平臺搭建方案。

1.設(shè)備選型。首先確定微型渦噴發(fā)動機一臺（套組），型號：Kingtech K60G（推力60N），如圖1所示。

在此基礎(chǔ)上選用的其他主要零配件以及相關(guān)的測量控制元件包括：ECU電子控制單元、遙控器和接收機、數(shù)顯推力計、燃油泵、油箱、防氣泡油箱、油慮、關(guān)斷閥、皮托管式進(jìn)氣道、收斂性尾噴管、終端監(jiān)控顯示屏、進(jìn)氣口過濾網(wǎng)、系統(tǒng)電池、線材/油管若干。

2.搭建方案。根據(jù)已開發(fā)的實驗項目，完成了地面臺架的設(shè)計，在此基礎(chǔ)上搭建的實驗平臺整體效果如圖2所示：

圖2中可以看出，微型渦噴發(fā)動機固定在臺架上，整個臺架可以在滑軌上自由滑動。數(shù)顯推力計固定于實驗臺面。當(dāng)發(fā)動機啟動后，發(fā)動機尾噴口噴出高溫高壓的燃?xì)?，推動渦噴發(fā)動機向相反的方向運動，當(dāng)臺架接觸數(shù)顯測力計后，測力計開始測量，從而測定發(fā)動機產(chǎn)生的推力。

三、實驗項目開發(fā)

單軸渦輪噴氣發(fā)動機在使用中大部分時間是在推力小于最大值的狀態(tài)下工作的，對于流道幾何面積不可調(diào)節(jié)的單軸渦輪噴氣發(fā)動機，減小推力的最簡單的辦法是通過減少供油量來降低發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。供油量的改變可由駕駛員操縱油門桿來實現(xiàn)。

發(fā)動機的推力和耗油率隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速而變化的規(guī)律，通常稱為轉(zhuǎn)速特性，也可稱為油門特性。渦輪噴氣發(fā)動機在研制、生產(chǎn)過程中需要進(jìn)行大量的地面臺架試驗以檢驗發(fā)動機的轉(zhuǎn)速特性是否達(dá)到設(shè)計要求以及是否需要進(jìn)行調(diào)整和修改，否則須采取相應(yīng)的措施使其達(dá)到預(yù)定的性能指標(biāo)。因此，發(fā)動機在地面臺架試驗中，錄取發(fā)動機的轉(zhuǎn)速特性，進(jìn)行分析研究，具有十分重要的意義。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)了兩個實驗項目。

（一）實驗一

1.實驗?zāi)康模韩@得發(fā)動機轉(zhuǎn)速與油門的變化關(guān)系、推力與油門的變化關(guān)系、推力與發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系，并與工程實際轉(zhuǎn)速特性曲線相對比，形成直觀認(rèn)識。

2.實驗步驟：（1）按照圖2實驗平臺效果圖依次安裝發(fā)動機模塊、推力測量模塊、燃油系統(tǒng)模塊，然后完成ECU電子控制單元、終端監(jiān)控顯示屏、系統(tǒng)電池、數(shù)顯測力計等測量模塊以及遙控器等控制模塊間的接線。（2）向油箱加注燃油，將ECU電子控制單元的推力曲線模式調(diào)整為FULL EXPO。（3）完成實驗前檢查，調(diào)整油門桿位置到最低，核對確認(rèn)無誤后，操縱遙控器啟動渦輪噴氣發(fā)動機。（4）每次增加油門桿位置10%（遙控器數(shù)字顯示油門桿位置），待穩(wěn)定后，從終端監(jiān)控顯示屏上讀取發(fā)動機轉(zhuǎn)速，從數(shù)顯測力計上讀取發(fā)動機推力，并記錄在表1中，直到油門桿位置為100%。（5）遙控器發(fā)送指令使發(fā)動機停車。（6）將ECU電子控制單元的推力曲線模式調(diào)整為LINEAR，重復(fù)實驗步驟3～5。（7）實驗完成，處理數(shù)據(jù)，繪制發(fā)動機轉(zhuǎn)速和推力的關(guān)系曲線，油門桿位置與發(fā)動機推力的關(guān)系曲線，油門桿位置與發(fā)動機轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線，其中推力與油門桿位置關(guān)系曲線如圖3所示。

（二）實驗二

1.實驗?zāi)康模簻y量發(fā)動機耗油率隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系，發(fā)動機推力隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系，獲得發(fā)動機轉(zhuǎn)速特性曲線，并與工程實際轉(zhuǎn)速特性曲線相對比，形成直觀認(rèn)識。

2.實驗步驟：（1）在實驗一已安裝好的實驗裝置基礎(chǔ)上，在油箱側(cè)面貼上刻度尺，并再次進(jìn)行實驗前核對，檢測油路，接線等。（2）向油箱加注燃油，將ECU電子控制單元的推力曲線模式調(diào)整為FULL EXPO。（3）完成實驗前檢查，調(diào)整油門桿位置到最低，核對確認(rèn)無誤后，通過遙控器啟動渦輪噴氣發(fā)動機。（4）逐漸推油門桿，將發(fā)動機轉(zhuǎn)速增加至0.55nmax附近，待穩(wěn)定后開始計時，在表2中記錄油標(biāo)刻度以及此時的發(fā)動機轉(zhuǎn)速、發(fā)動機推力。2分鐘后，再次記錄油標(biāo)刻度。（5）按照步驟4的方法，重復(fù)測量，發(fā)動機轉(zhuǎn)速每次增加0.05nmax，直至nmax，共測量10個測量點的相關(guān)數(shù)據(jù)。

（6）遙控器發(fā)送指令使發(fā)動機停車。（7）實驗完成，處理數(shù)據(jù)，繪制發(fā)動機轉(zhuǎn)速特性曲線，如圖4所示。

四、小結(jié)

“發(fā)動機原理”是對飛行器設(shè)計專業(yè)本科三年級學(xué)生開設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，由于課程本身較強的理論性，加之發(fā)動機內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，使得課程抽象難懂。當(dāng)前教學(xué)模式中的實踐參觀環(huán)節(jié)可以幫助學(xué)生對在課堂上難以表達(dá)清楚的某些復(fù)雜三維構(gòu)型有一個清晰直觀的認(rèn)識，但卻依然無助于學(xué)生對發(fā)動機整體動態(tài)性能的把握。在這種背景下，本文提出了搭建小型發(fā)動機實驗平臺的教學(xué)改革方案，并結(jié)合實驗平臺的特性，開發(fā)了兩個實驗項目，詳細(xì)闡述了實驗項目的流程。利用此實驗平臺，學(xué)生在課堂中學(xué)到的理論知識將可以得到實驗的印證有助于學(xué)生對整個動力系統(tǒng)的組成及整體動態(tài)性能形成具體的、直觀的認(rèn)識。

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