渦輪噴氣發(fā)動機冷態(tài)運轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)設(shè)計

袁書生，蒙禮功

（廣州民航職業(yè)技術(shù)學院飛機維修工程學院，廣東 廣州510403）

0 引言

高職院校航空機務維修專業(yè)主要面向民用航空器維修企業(yè)，培養(yǎng)從事民用飛機機械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和動力裝置一線維修工作的高素質(zhì)技能型專門人才。根據(jù)專業(yè)對應工作崗位群的技能要求，機務維修專業(yè)應該開設(shè)航空發(fā)動機試車實訓課程[1]。

航空發(fā)動機試車培訓是一個綜合性培訓項目，要求學員必須具備相關(guān)的飛機和發(fā)動機知識[2]。高職院校學生剛剛開始系統(tǒng)學習飛機和發(fā)動機的知識，基礎(chǔ)知識尚不牢固，如果使用虛擬設(shè)備來進行發(fā)動機試車實訓教學，在沒有實物的情況下“紙上談兵”會使學生理解起來很困難甚至無法理解。對于復雜事物的學習，按照“從易到難，從具體到抽象”的方式會取得好的學習效果，反之必然會造成學習困難和效率低下[3-5]。因此，高職院校的航空發(fā)動機試車實訓課程應該采用真實的發(fā)動機來進行初始試車培訓。

發(fā)動機熱態(tài)工作時噪音很大、運行成本高、并且存在很大的安全風險，不適合用于學校教學[6]。為了達到校園環(huán)境下的使用要求，可以對發(fā)動機進行適當改裝，使發(fā)動機能夠進入冷態(tài)的恒速運轉(zhuǎn)狀態(tài)，以這種狀態(tài)來模擬發(fā)動機起動后的運行狀態(tài)，從而實現(xiàn)使用真實發(fā)動機進行試車教學的目標。

1 冷態(tài)運轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)設(shè)計實例

1.1 起動機類型選擇

冷態(tài)運轉(zhuǎn)是發(fā)動機在起動機驅(qū)動下進行的運轉(zhuǎn)。根據(jù)發(fā)動機和飛機的不同要求，起動機的種類和功率來源也不同，燃氣渦輪發(fā)動機常用的起動機主要有三種類型：空氣渦輪起動機、電動起動機、燃氣渦輪起動機。不同類型的起動機工作特點不同，需要配套的設(shè)備也不同，由于校園環(huán)境下使用的特殊性，需要先選擇起動機類型，再根據(jù)起動機類型去選擇適合的發(fā)動機。燃氣渦輪起動機運行時噪音大，無法在校園環(huán)境下使用；空氣渦輪起動機需要有氣源才能工作，當發(fā)動機在地面臺架上進行試車時，需要配備價格昂貴的地面氣源車才能進行起動，配套成本太高，也不適合用于高校教學；電動起動機可由地面電瓶供電，配套設(shè)備的成本較低，工作時噪音小，適合在校園環(huán)境下使用?？梢姡l(fā)動機試車實訓教學應該采用使用電動起動機的發(fā)動機。電動起動機主要用于小推力/功率發(fā)動機，這類發(fā)動機也是國內(nèi)高職院校實訓教學廣泛使用的發(fā)動機。

1.2 冷態(tài)運轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)設(shè)計方案

某型渦噴發(fā)動機是國內(nèi)航空院校實訓教學中使用最廣泛的機型之一，它的起動機為電動起動機，下面以這種型號發(fā)動機作為實例，說明發(fā)動機冷態(tài)恒速運轉(zhuǎn)的實現(xiàn)方法。

該型號發(fā)動機的主要部件見圖1，起動發(fā)電機既是起動機又是發(fā)電機，它通過附件傳動機匣傳動發(fā)動機轉(zhuǎn)子。電動起動機是一臺直流電動馬達，通過附件傳動機匣內(nèi)的減速齒輪、棘輪機構(gòu)、離合器與發(fā)動機連接，當發(fā)動機達到自維持轉(zhuǎn)速后能自動脫機。在起動過程中，由起動箱按照規(guī)定的時間程序，自動控制各接觸器、繼電器的工作給起動發(fā)動機供電，無論起動成功與否，30 s后自動切斷起動發(fā)電機供電，見圖2.

圖1 渦噴發(fā)動機的主要部件

發(fā)動機冷態(tài)運轉(zhuǎn)的實現(xiàn)方案是在發(fā)動機原有起動電路的基礎(chǔ)上加裝一個超控電路，電源可以不經(jīng)過起動箱直接給起動發(fā)電機供電，繼續(xù)帶動發(fā)動機至恒速運轉(zhuǎn)狀態(tài)。使用繼電器控制超控電路接入時間點和運行時間，保護起動發(fā)電機不會因起動扭矩過大或工作時間過長而損壞[7]。圖2為改裝后的發(fā)動機起動電路圖。

圖2 改裝后的起動電路原理圖

1.3 超控電路的工作過程

發(fā)動機啟動時，K4電門閉合（由試車臺上的啟動電門控制），28 V電源和12 V電源分別給發(fā)動機原有啟動電路和超控電路供電。起動發(fā)電機在起動箱的控制下進入正常起動程序，同時時間繼電器JS1、JS2開始觸發(fā)并計時。在K4電門閉合后30 s內(nèi)，將K5電門閉合，地面電瓶經(jīng)過電門K5、繼電器JS2給繼電器JS3供電，使其常開觸點吸合，電源供電至繼電器JS1的觸點，此時超控電路未接通。K4電門閉合后30 s時，繼電器JS1的觸點吸合，電源供電至繼電器J3，并使其常開觸點吸合，超控電路接通。地面電源直接通過繼電器J3給起動發(fā)電機供電，完成對起動箱的超控，發(fā)動機進入冷態(tài)恒速運轉(zhuǎn)狀態(tài)。

發(fā)動機進入冷態(tài)恒速運轉(zhuǎn)狀態(tài)后，有兩種停車方式。一是把電門K5斷開時，繼電器J3常開觸點隨之斷開，切斷超控電路，發(fā)動機停車。二是自動停車，繼電器JS1觸點在（30+T）s后自動斷開，繼電器J3常開觸點隨之斷開，切斷超控電路，發(fā)動機停車。

1.4 超控電路接入時間點的控制

發(fā)動機原有的起動電路采用了分級起動的方式來起動發(fā)動機，在起動的過程中采用降壓起動、電源串并聯(lián)轉(zhuǎn)換等方式，避免起動功率過大損壞起動發(fā)電機。而加裝的超控電路則是直接給起動發(fā)電機供電，不能單獨使用，必須和原有啟動電路配合使用。即必須由發(fā)動機原有起動電路完成起動后再接入供電，過早或過晚接入供電，都可能會損壞起動發(fā)電機或傳動裝置。因此必須準確控制超控電路接入的時間點。

超控電路接入的時間點由繼電器JS1、JS2、JS3來控制。電門K5接通超控電路才能啟用，正確的操作是在電門K4閉合后30 s內(nèi)接通電門K5，此時繼電器JS3接通，繼電器JS1控制超控電路的接入時間。繼電器JS1設(shè)置為觸點在電門K4閉合30 s后吸合（發(fā)動機原有起動電路已經(jīng)完成起動），使超控電路不能過早接通。如果出現(xiàn)錯誤操作，在電門K4閉合30 s后才接通電門K5，超控電路接入就存在損壞起動發(fā)電機的風險，繼電器JS2、JS3的作用是使電路不能接通。此時繼電器JS2的觸點已經(jīng)斷開，繼電器JS3的觸點無法吸合，電路不通，避免了超控電路過晚接通。

1.5 起動發(fā)電機連續(xù)工作時間控制

起動發(fā)電機連續(xù)工作時間是有限制的，超過規(guī)定時間就會損壞起動發(fā)電機。起動發(fā)電機單次連續(xù)工作時間由繼電器JS1控制，繼電器JS1的觸點在觸發(fā)后30 s接通、（30+T）s后自動斷開，起動發(fā)電機單次連續(xù)工作時間最長為（30+T）s.T的具體數(shù)值根據(jù)發(fā)動機試車手冊的規(guī)定進行設(shè)置，該型渦噴發(fā)動機的起動發(fā)電機連續(xù)工作時間不能超過5 min，減去正常起動的時間30 s，T的最大值為270 s.

2 發(fā)動機冷態(tài)運轉(zhuǎn)測試

2.1 測試條件

發(fā)動機進行了起動系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)的改裝。改裝后的發(fā)動機安裝到配套的冷態(tài)運轉(zhuǎn)試車臺上，控制電路、指示系統(tǒng)與試車臺上的設(shè)備連接，由28 W的地面電瓶組給起動系統(tǒng)供電，試車臺可以對發(fā)動機進行控制，并顯示發(fā)動機的參數(shù)，見圖3.

圖3 測試發(fā)動機與試車臺

2.2 冷運轉(zhuǎn)測試

（1）干冷轉(zhuǎn)測試

將發(fā)動機起動方式設(shè)置為干冷轉(zhuǎn)，把起動電門旋轉(zhuǎn)到起動位，發(fā)動機執(zhí)行冷運轉(zhuǎn)程序，運轉(zhuǎn)正常，30 s完成起動循環(huán)，自動停車。發(fā)動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速最高達到1 000 r/min，聲音低沉，在現(xiàn)場稍有震撼感，不會對校園內(nèi)老師和學生的工作、學習、生活造成影響。

（2）超控運轉(zhuǎn)測試

超控運轉(zhuǎn)測試進行兩次，JS1的參數(shù)T分別設(shè)置為120 s和240 s.

第一次測試起動發(fā)電機運行時間為2′30″，發(fā)動機的起動電路與超控電路在起動30 s后順利交接，接替工作時發(fā)動機運行平穩(wěn)，未感覺到發(fā)動機的運行狀態(tài)發(fā)生明顯變化，發(fā)動機加速至1 000 r/min后維持在這一轉(zhuǎn)速下運行，聲音低沉，無噪音污染。運行至2′30″由時間繼電器JS1自動切斷供電停車。

第二次測試發(fā)動機運行狀態(tài)與第一次測試基本一致，當發(fā)動機運行至4′15″時，試車人員將電門K5斷開，起動發(fā)電機超控電路斷電，發(fā)動機減速停車。

2.3 教學應用說明

在發(fā)動機上能夠進行起動前的準備和檢查項目教學。在演練試車程序時，操作者在試車臺上完成所有的操作，能夠像在飛機駕駛艙內(nèi)一樣控制發(fā)動機的運轉(zhuǎn)（冷態(tài)運轉(zhuǎn)替代熱態(tài)運轉(zhuǎn)），達到基本相同的視聽效果。具體操作主要是在試車臺上完成，故不再累述。發(fā)動機單次可連續(xù)運行5 min，能夠完成一個或多個教學子項目，停車后需要的冷卻時間也不長，因此能夠滿足試車教學的需要。

3 結(jié)論

本文通過在渦輪噴氣發(fā)動機起動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計和加裝超控電路，實現(xiàn)了發(fā)動機的恒速冷態(tài)運轉(zhuǎn)，同時設(shè)計了保護電路模塊，保護起動發(fā)電機不會因誤操作而損壞。發(fā)動機運行時只消耗電能，運行成本低、操作安全、沒有噪音污染，適合在校園環(huán)境下的使用。為高職院校使用真實發(fā)動機開展試車實訓教學提供了可行的解決方案。