航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)在本科教學(xué)及科研中的應(yīng)用研究

李勇　韓非非

摘要：文章介紹了航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)的原理、組成及其在教學(xué)、科研中的重要作用。探索了省屬重點(diǎn)高校以?xún)?yōu)勢(shì)特色學(xué)科為基礎(chǔ)，深化教學(xué)改革，將教學(xué)、科研與工程實(shí)踐相結(jié)合，為飛行器動(dòng)力工程類(lèi)本科人才培養(yǎng)提供示范和借鑒。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī);試車(chē)臺(tái);教學(xué)改革;科學(xué)研究;工程實(shí)踐

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1674-9324（2020）16-0152-02

一、航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)系統(tǒng)簡(jiǎn)介、工作原理及組成

1.航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)系統(tǒng)簡(jiǎn)介。隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)不斷地發(fā)展，航空工業(yè)無(wú)論在軍工還是民用上都起著舉足輕重的作用。航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為飛機(jī)的動(dòng)力裝置，是飛機(jī)的核心部件之一，其性能直接決定了飛機(jī)潛力的發(fā)揮。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展對(duì)國(guó)家的科技水平和國(guó)防領(lǐng)域起著重要作用，是一個(gè)國(guó)家科技、工業(yè)和國(guó)防的綜合實(shí)力的重要體現(xiàn)。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制、維修等過(guò)程中，航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)是必不可少的重要設(shè)備。發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)在發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)、控制系統(tǒng)驗(yàn)證試驗(yàn)等過(guò)程中起到了關(guān)鍵作用，不論對(duì)新發(fā)動(dòng)機(jī)研制、定型，還是故障發(fā)動(dòng)機(jī)維修檢測(cè)等試驗(yàn)中都有著重要用途，可用于綜合分析航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能是否達(dá)到其標(biāo)準(zhǔn)要求。由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)屬于復(fù)雜熱力機(jī)械系統(tǒng)，導(dǎo)致其試車(chē)臺(tái)系統(tǒng)的復(fù)雜程度和研制難度也極高。航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)的整個(gè)系統(tǒng)可分為諸多子系統(tǒng)：發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)、電源系統(tǒng)、控制器、燃油系統(tǒng)、機(jī)械液壓作動(dòng)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)等。

2.航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)工作原理。航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)工作原理如下：在離機(jī)狀態(tài)下，將航空發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪起動(dòng)機(jī)固定在發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)上，試車(chē)臺(tái)架上設(shè)有燃油、滑油、控制和測(cè)試等接口，燃?xì)鉁u輪起動(dòng)機(jī)經(jīng)接口與燃油、滑油、控制和測(cè)試等系統(tǒng)連接;由計(jì)算機(jī)控制的燃油供油系統(tǒng)，按控制程序或操作人員指令控制燃油供油量以控制航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)，并且在起動(dòng)過(guò)程控制起動(dòng)供油量;控制裝置控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，以滿(mǎn)足工作需要;測(cè)試系統(tǒng)將傳感器傳輸?shù)男盘?hào)，經(jīng)信號(hào)采集電路至計(jì)算機(jī)，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理由顯示裝置指示發(fā)動(dòng)機(jī)主要工作參數(shù)、工作狀態(tài)等;安全監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、排氣溫度、振動(dòng)值等參數(shù)變化情況，達(dá)到安全限制值時(shí)告警、發(fā)動(dòng)機(jī)并自動(dòng)停車(chē)。

3.航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)組成。航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)可用作航空發(fā)動(dòng)機(jī)教學(xué)實(shí)訓(xùn)臺(tái)和科研試驗(yàn)平臺(tái)，試車(chē)臺(tái)架為懸掛式試車(chē)臺(tái)，由動(dòng)架和定架構(gòu)成，安裝有空氣流量管、推力傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、壓氣機(jī)壓力傳感器、尾噴管溫度傳感器、燃油流量傳感器等高精度傳感器，包含高速計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、ECU控制器、行程操縱及儀表箱、不銹鋼工作臺(tái)、渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，設(shè)有控制電路箱、燃料油路箱、工具箱等，配有參數(shù)可調(diào)的專(zhuān)用軟件。航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)可對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工況進(jìn)行全面測(cè)量?？捎糜跍u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)、100千克推力以下微型航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究試車(chē)、微型航模發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)試、大學(xué)生和研究生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)培訓(xùn)。

二、航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)在教學(xué)中的作用

以國(guó)家、省部級(jí)精品課程建設(shè)為目標(biāo)，發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)主要專(zhuān)業(yè)課程所起作用為例進(jìn)行說(shuō)明。①航空發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)論。發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)可輔助教師對(duì)新生開(kāi)展航空發(fā)動(dòng)機(jī)的入門(mén)教學(xué)，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中所產(chǎn)生的聲、光、熱等媒介，使學(xué)生對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生整體的、直觀的了解，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的外形結(jié)構(gòu)、工作原理及特性有個(gè)初步的認(rèn)識(shí)。②工程熱力學(xué)。通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)采系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)，幫助學(xué)生了解發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵截面氣動(dòng)參數(shù)的變化，進(jìn)而整體掌握在發(fā)動(dòng)機(jī)這一熱力機(jī)械中氣體特性的變化;通過(guò)繪制發(fā)動(dòng)機(jī)P-V圖或T-S圖，加深學(xué)生對(duì)氣體動(dòng)力循環(huán)特別是噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)所涉及的布萊頓循環(huán)的掌握。③航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理。利用發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)采系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況的壓比、耗油率等發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵參數(shù)，繪制實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)圖并與理想循環(huán)進(jìn)行比較，將發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)測(cè)參數(shù)與學(xué)生所計(jì)算的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行比對(duì)、繪制發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)流特性等多種形式，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)原理中涉及的基本概念的理解。④工程測(cè)試技術(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)中涉及了多種傳感器類(lèi)型（如推力傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、空氣流量傳感器、壓氣機(jī)壓力傳感器、尾噴管溫度傳感器、燃油流量傳感器等）、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集等，涵蓋并輻射傳感器的原理及應(yīng)用、電路基礎(chǔ)、數(shù)字信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)等課程，所采集的數(shù)據(jù)也可用作相應(yīng)課程的用例數(shù)據(jù)來(lái)源，切實(shí)加強(qiáng)學(xué)生對(duì)相應(yīng)理論知識(shí)的理解及應(yīng)用能力。⑤航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制。航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制是飛行器動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)本科生高年級(jí)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)核心課程，該課程涉及“航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理”“自動(dòng)控制原理”“計(jì)算機(jī)控制”“電工電子技術(shù)”及“液壓傳動(dòng)與伺服控制”等諸多課程，是從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)工作的專(zhuān)業(yè)核心課程。該課程綜合了大量的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，具有承前啟后的重要作用。相比與其他控制專(zhuān)業(yè)類(lèi)課程，還具有一些顯著的航空發(fā)動(dòng)機(jī)專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)。課程教學(xué)中一項(xiàng)重要內(nèi)容是講解發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理等，在不便于實(shí)物展示的情況下，依靠傳統(tǒng)教學(xué)手段，學(xué)生往往不能直觀深入地理解教學(xué)內(nèi)容。由于課程設(shè)置、教研經(jīng)費(fèi)投入等方面的局限，現(xiàn)有的航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)教學(xué)科研試驗(yàn)平臺(tái)已經(jīng)遠(yuǎn)不能適應(yīng)現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)在要求。對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)這樣一個(gè)復(fù)雜且變化多的熱力機(jī)械過(guò)程如不加以控制，航空發(fā)動(dòng)機(jī)是根本不能正常工作的。該型發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)包括了典型反饋控制系統(tǒng)所涉及的所有部分，如指令給定裝置、控制器、測(cè)量裝置、被控對(duì)象（發(fā)動(dòng)機(jī)），有助于學(xué)生真實(shí)直觀地了解實(shí)際控制系統(tǒng)的構(gòu)成以及具體的控制過(guò)程。

三、航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)在科研中的作用

以項(xiàng)目申報(bào)、基金申報(bào)的條件建設(shè)為目標(biāo)，從航空發(fā)動(dòng)機(jī)總體、控制等專(zhuān)業(yè)所涉及的航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型、基于模型的發(fā)動(dòng)機(jī)控制設(shè)計(jì)等方向出發(fā)，說(shuō)明基于發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)可以進(jìn)一步開(kāi)展的科研工作。①航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)建模。航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)是用以保證發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在任何工作環(huán)境和工作條件下都能穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的復(fù)雜系統(tǒng)。目前在掌握航空發(fā)動(dòng)機(jī)特性的條件下，控制系統(tǒng)多基于發(fā)動(dòng)機(jī)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)。在基于模型的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，控制系統(tǒng)的性能直接取決于發(fā)動(dòng)機(jī)模型的精度，通過(guò)提高建模的準(zhǔn)確性可以顯著提高控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性并改善發(fā)動(dòng)機(jī)的控制性能。借助于數(shù)值計(jì)算方法，可以建立發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型。利用發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)，可對(duì)所建立的發(fā)動(dòng)機(jī)模型開(kāi)展進(jìn)一步修正工作以提高模型的精度;利用修正好的發(fā)動(dòng)機(jī)模型可以開(kāi)展發(fā)動(dòng)機(jī)全飛行包線(xiàn)內(nèi)的高度特性、速度特性、節(jié)流特性研究。借助發(fā)動(dòng)機(jī)模型的發(fā)動(dòng)機(jī)分析研究不同工況下參數(shù)的變化，可進(jìn)一步加深對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作的理解。②基于模型的航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制設(shè)計(jì)?；谀Ｐ偷陌l(fā)動(dòng)機(jī)控制（MBEC）作為現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一種常見(jiàn)方式，可以有效地提高發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率?；诎l(fā)動(dòng)機(jī)模型，可以快速開(kāi)展航空發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)控制器設(shè)計(jì)、過(guò)渡態(tài)控制規(guī)律優(yōu)化、限制保護(hù)器設(shè)計(jì)、控制邏輯設(shè)計(jì)及閉環(huán)控制綜合，能有效地對(duì)所設(shè)計(jì)的控制方案、控制算法等進(jìn)行快速驗(yàn)證。

四、結(jié)論

航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)旨在為飛行器動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)的工科學(xué)生提供技術(shù)領(lǐng)先，性能卓越的創(chuàng)新教學(xué)及科研實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，基于該航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)構(gòu)建的教學(xué)、科研建設(shè)平臺(tái)方案.該航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)應(yīng)用到教學(xué)工作當(dāng)中，可以讓學(xué)生快速直觀地看到基礎(chǔ)理論被驗(yàn)證，控制算法被實(shí)現(xiàn)，在一個(gè)安全形象的環(huán)境當(dāng)中學(xué)習(xí)理論知識(shí)的同時(shí)學(xué)以致用，寓教于樂(lè)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，也有利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、分析和解決問(wèn)題能力、設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新意識(shí)。此外，航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)作為科研基礎(chǔ)條件，為國(guó)家自然科學(xué)基金、省科技廳、教育廳等基金項(xiàng)目的申請(qǐng)和研究也提供了有力的支撐。

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Application of Aeroengine Test-bed in Teaching and Scientific Research of Undergraduate

LI Yong，HAN Fei-fei

（School of Aeronautical Engineering，Zhengzhou University of Aeronautics，Zhengzhou，Henan 450046，China）

Abstract：This paper introduces the principle and composition of aeroengine test bed and its important role in teaching and scientific research.Based on the dominant and characteristic disciplines，key provincial universities are explored to deepen the teaching reform and combine teaching，scientific research and engineering practice to provide demonstration and reference for the training of aircraft power engineering undergraduates.

Key words：aircraft engine;test stand;educational reform;scientific research;engineering practice

收稿日期：2019-05-20

基金項(xiàng)目：鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院教育科學(xué)研究基金（項(xiàng)目編號(hào)Zhjy19-53）

作者簡(jiǎn)介：李勇（1986-），男，河南駐馬店人，講師，博士，主要研究方向是航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、固沖發(fā)動(dòng)機(jī)能量管理、燃?xì)獍l(fā)生器流量調(diào)節(jié)控制方法研究。