直升機(jī)地面氣源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

祝澤強(qiáng) 吳雙金 馬子生

（中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所 江西省景德鎮(zhèn)市 333001）

1 引言

作為極具特色的旋翼航空器，直升機(jī)以能進(jìn)行低空、低速、高機(jī)動(dòng)性飛行和垂直起降等突出特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于軍民領(lǐng)域品；而且，隨著直升機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及市場(chǎng)需求的不斷增長，直升機(jī)逐漸受到社會(huì)公共事業(yè)、民眾生產(chǎn)生活等諸多領(lǐng)域的重視[1]。作為直升機(jī)重要系統(tǒng)之一，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)對(duì)直升機(jī)的使用性、安全性等性能有著至關(guān)重要的影響，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)分為兩類：一類是電起動(dòng)系統(tǒng)，另一類是空氣起動(dòng)系統(tǒng)。對(duì)于無人直升機(jī)、較小功率或較小噸位的直升機(jī)而言，一般采用電起動(dòng)系統(tǒng)，使用28V 地面電源作為電起動(dòng)動(dòng)力, 地面電源失效后，可以使用蓄電池進(jìn)行代替使用[2]；對(duì)于大噸位大功率的直升機(jī)而言，采用空氣起動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過輔助動(dòng)力裝置APU（Auxiliary Power Unit）或者地面氣源站提供起動(dòng)機(jī)所需要高溫高壓的氣體，將發(fā)動(dòng)機(jī)帶轉(zhuǎn)到慢車狀態(tài)[3]。

直升機(jī)地面氣源站系統(tǒng)是屬于直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)的專用保障設(shè)備，地面氣源站只有在APU 啟動(dòng)損壞或失效的前提下才會(huì)使用，實(shí)現(xiàn)通過氣源正常啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的功能，保障發(fā)動(dòng)機(jī)通過高溫高壓氣壓完成正常啟動(dòng)工作[4]。發(fā)動(dòng)機(jī)快速、可靠地起動(dòng)是直升機(jī)正常運(yùn)行以及安全飛行的重要前提，發(fā)動(dòng)機(jī)的地面起動(dòng)性能直接影響著直升機(jī)的整體性能[5]。所以無論是直升機(jī)機(jī)場(chǎng)、停機(jī)坪，還是地面聯(lián)合試驗(yàn)臺(tái)都需要配置相應(yīng)地面氣源站，以保證直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的正常起動(dòng)，而控制系統(tǒng)直接決定了地面氣源站的功能及性能，因此進(jìn)行直升機(jī)地面氣源站控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有著必要性。本文以某型號(hào)直升機(jī)的地面聯(lián)合試驗(yàn)臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)為對(duì)象，進(jìn)行地面氣源站控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)行實(shí)測(cè)結(jié)果分析，保證控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效果。

2 地面氣源控制系統(tǒng)原理

地面氣源站系統(tǒng)的工作方式是地面氣源站與發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)使用供氣軟管通過單向閥接口進(jìn)行連接，為發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)提供一定流量和壓力的穩(wěn)定氣流，帶動(dòng)起動(dòng)機(jī)工作，起動(dòng)機(jī)再通過齒輪箱帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作，從而使得直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)正常起動(dòng)[6]。地面氣源站控制系統(tǒng)由氣壓系統(tǒng)、油路系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)組成，核心組成設(shè)備包括螺桿式變頻空壓機(jī)、離心式油氣分離器、空氣加熱器、西門子可編程控制器（PLC）、液晶觸摸屏以及上位機(jī)等。

氣壓系統(tǒng)是地面氣源站的重要部分，其功能是提供具有一定溫度和一定壓力的穩(wěn)定氣源，其工作原理是空氣通過空氣過濾器濾清空氣中的雜質(zhì)，通過進(jìn)氣閥到達(dá)螺桿式變頻空壓機(jī)，氣壓壓力升高后與潤滑油形成油氣混合物，經(jīng)過止逆閥進(jìn)入離心式油氣分離器，分離過后氣體經(jīng)過三級(jí)精密過濾器逐級(jí)過濾后再進(jìn)行干燥、加熱，最終形成滿足技術(shù)要求的氣源供給起動(dòng)系統(tǒng)，工作流程如圖1 所示；油路系統(tǒng)主要起到潤滑、密封和冷卻的作用，其工作流程是在空壓機(jī)內(nèi)與凈化后的空氣形成油氣混合物，經(jīng)由油水分離器分離后通過兩級(jí)過濾器和冷卻器回到空壓機(jī)主機(jī)內(nèi)，最終形成閉環(huán)油路，油路系統(tǒng)工作原理如圖2 所示?？刂葡到y(tǒng)是地面氣源站的核心系統(tǒng)，其主要功能是完成對(duì)地面氣源站電機(jī)和各類控制閥的邏輯控制、完成各個(gè)傳感器信號(hào)（如：壓力、溫度等）相關(guān)參數(shù)的采集和顯示，過溫、過壓等報(bào)警功能。

圖1：氣壓系統(tǒng)工作流程圖

圖2：油路系統(tǒng)工作原理圖

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖3：程序流程圖

直升機(jī)地面氣源車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括氣壓控制系統(tǒng)、油路控制系統(tǒng)、控制軟件三大部分的設(shè)計(jì)，主要是控制系統(tǒng)的氣源流量、氣壓和溫度，以保證提供的氣源能滿足直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)要求，以某型號(hào)直升機(jī)地面聯(lián)合試驗(yàn)臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)為設(shè)計(jì)對(duì)象，根據(jù)該型號(hào)起動(dòng)系統(tǒng)地面氣源站的技術(shù)要求指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，判斷地面氣源站設(shè)計(jì)成功與否的指標(biāo)為燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速能達(dá)到20000rpm 以上，并且發(fā)動(dòng)機(jī)能在1 分鐘之內(nèi)正常起動(dòng)。地面氣源站技術(shù)要求如表1 所示，其中容積流量、質(zhì)量流量、工作壓力以及出口溫度是系統(tǒng)設(shè)計(jì)最為關(guān)注的性能指標(biāo)，直接決定了地面氣源站系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成功與否。此外，還要求地面氣源站能滿足一定的安全性和可靠性要求。該套控制系統(tǒng)由工控機(jī)、以太網(wǎng)交換機(jī)和西門子可編程控制器組成，工控機(jī)通過以太網(wǎng)交換機(jī)與PLC 連接，可以完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視[7]。

3.1 氣路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)起動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)要求以及氣路系統(tǒng)的工作流程進(jìn)行氣路系統(tǒng)設(shè)計(jì)， 氣路系統(tǒng)主要由空氣過濾器、螺桿式變頻空壓機(jī)、止逆閥、油氣分離器、三級(jí)精密過濾器、干燥器、緩沖罐、加熱器以及流量計(jì)組成,需要控制進(jìn)氣閥的開關(guān)狀態(tài)、空壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、干燥器以及加熱器的工作狀態(tài)，監(jiān)控油氣分離器最小壓力閥狀態(tài)、三級(jí)過濾器等閥件的工作情況。氣路控制系統(tǒng)主要完成螺桿式空壓機(jī)和各類控制閥的邏輯控制，完成各個(gè)傳感器信號(hào)相關(guān)參數(shù)的采集和顯示，還應(yīng)具有過溫、過壓、報(bào)警等功能。

3.2 油路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

油路系統(tǒng)主要包括油氣分離器、粗過濾器、油泵、溢流閥、溫控閥、油冷卻器以及油過濾器等組成，油路控制系統(tǒng)主要控制油泵的啟停、油路的溫度以及油冷卻器的運(yùn)行狀態(tài)，保證潤滑油的純凈度以及潤滑效果。溢流閥能根據(jù)壓力自動(dòng)切換開關(guān)狀態(tài)，溫控閥是一個(gè)三通閥，當(dāng)油溫溫度高于設(shè)定值能自動(dòng)將油路旁通到油冷卻器中進(jìn)行冷卻，以保證潤滑油溫度是在允許范圍內(nèi)，保證潤滑冷卻的效果，兩級(jí)過濾器保證潤滑油的純凈度，進(jìn)而保證壓縮空氣的純凈度以及保護(hù)空壓機(jī)和油氣分離器。

表1：設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)表

表2：預(yù)調(diào)試實(shí)測(cè)結(jié)果表

表3：發(fā)動(dòng)機(jī)冷轉(zhuǎn)試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果表

表4：發(fā)動(dòng)機(jī)地慢試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果表

3.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件編程采用的是LabVIEW 編程軟件，利用其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理分析能力和良好的編程環(huán)境以及與PLC 的友好兼容特性，可以大大縮短軟件開發(fā)時(shí)間[8]。本控制系統(tǒng)的核心是可編程邏輯控制器PLC，通過模擬量采集模塊接入到PLC 中進(jìn)行信號(hào)的采集，再通過以太網(wǎng)建立OPC 服務(wù)器與PLC S7 的連接，組態(tài)成功后在LabVIEW 內(nèi)綁定變量地址，實(shí)現(xiàn)改變上位機(jī)變量狀態(tài)，達(dá)到遠(yuǎn)程控制目的[9]。程序流程如圖3 所示。

前面板是人機(jī)交互的界面，操作者可以通過前面板對(duì)地面氣源系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作以及監(jiān)控，對(duì)運(yùn)行結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行保存以備后續(xù)分析使用。另外，還需具有報(bào)警和緊急停止功能。前面板設(shè)計(jì)包括控制方式區(qū)、設(shè)備控制參數(shù)輸入?yún)^(qū)以及監(jiān)視窗口區(qū)，控制方式區(qū)中可以選擇氣路系統(tǒng)的控制方式，一般選擇自動(dòng)控制方式，手動(dòng)控制需改變空壓機(jī)變頻器的參數(shù)，有一定風(fēng)險(xiǎn)，除特殊情況不要選用手動(dòng)控制方式；設(shè)備控制參數(shù)輸入?yún)^(qū)中可以設(shè)定變頻器工作壓力、風(fēng)機(jī)啟停溫度、干燥器啟停濕度、加熱器目標(biāo)溫度、油冷卻器運(yùn)行溫度等參數(shù)；監(jiān)視窗口區(qū)中可監(jiān)控系統(tǒng)中各設(shè)備的運(yùn)行狀況以及出口處氣源壓力、流量和溫度實(shí)時(shí)變化表。前面板設(shè)計(jì)如圖4、5 所示。

圖4：軟件前面板（手動(dòng)運(yùn)行）

圖5：軟件前面板（自動(dòng)運(yùn)行）

4 系統(tǒng)實(shí)測(cè)結(jié)果

完成軟件開發(fā)后，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。為了保護(hù)直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和人身安全，首先進(jìn)行不接起動(dòng)機(jī)的預(yù)調(diào)試試驗(yàn)，預(yù)調(diào)試實(shí)測(cè)結(jié)果如表2 所示。

根據(jù)預(yù)調(diào)試實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，系統(tǒng)能穩(wěn)定工作，能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，將地面氣源站系統(tǒng)接入直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，首先進(jìn)行地面氣源啟動(dòng)冷轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，根據(jù)燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速選定合適的氣源壓力（0.38MPa）和溫度（120℃），再進(jìn)行地面氣源啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)地慢試驗(yàn)，實(shí)測(cè)結(jié)果分別如表3、表4 所示。實(shí)測(cè)值中的流量為換算成標(biāo)況下的流量。

選定合適的氣源壓力和溫度進(jìn)行三次發(fā)動(dòng)機(jī)地慢試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間分別為54s、52s 和52s，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間范圍要求（小于1min）；燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速分別為20588rpm、20746rpm 和20876 rpm，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)速要求范圍（大于20000rpm）。綜上所述，地面氣源啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)地慢試驗(yàn)成功，該地面氣源站設(shè)計(jì)成功，能滿足直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)要求。

5 結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了直升機(jī)地面氣源控制系統(tǒng)的組成、工作流程和原理。在設(shè)計(jì)中，采用PLC 作為系統(tǒng)的控制單元，使用LabVIEW作為編程軟件，兩者通過OPC 進(jìn)行通訊，對(duì)油路進(jìn)行閉環(huán)自動(dòng)控制，氣路采用自動(dòng)和手動(dòng)控制兩種方式，完成軟硬件的設(shè)計(jì)后，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果顯示該地面氣源系統(tǒng)能滿足起動(dòng)要求。并且，該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某型號(hào)直升機(jī)地面聯(lián)合試驗(yàn)，系統(tǒng)準(zhǔn)確可靠，能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定起動(dòng)，且系統(tǒng)將具有很好的通用性和拓展性，具有很好的應(yīng)用前景。