發動機原理實驗教學改革的研究

周堯明　王永超　李少偉

摘要：“發動機原理”課程是飛行器設計類專業的一門專業基礎課，文中從課程本身的特點出發，結合多年的教學經驗，分析了發動機原理類課程對實驗教學的需要。在對美國Turbine Technologies公司開發的“MiniLab燃氣輪機動力實驗系統”進行了詳細的調研之后，分析了其主要功能和特點，指出了應用于本專業實驗教學的諸多不足之處。在綜合分析了當前的教學現狀的基礎上，以滿足本專業需求為目標，提出了搭建小型渦噴發動機實驗平臺為核心的教學改革方案。最后詳細描述了實驗平臺的搭建方法，并在此基礎上開發了相應的實驗項目。

關鍵詞：實驗教學；專業需求；教學改革；實驗平臺；實驗項目

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

一、“發動機原理”課程對實驗教學的需要

航空發動機是飛機的“心臟”，在很大程度上決定了航空技術的發展水平。由于航空發動機應用的特殊性，它無疑是集中體現了現代動力機械的最先進水平[1]。眾多的航空發動機原理教材在闡述相關原理和性能的過程中均涉及到大量的推導公式和二維平面插圖，加之發動機中某些結構復雜的三維構型，使得課程內容枯燥難懂[2]。“發動機原理”課程開設的對象是飛行器設計與工程專業本科三年級的學生，其大部分學生畢業后會從事飛行器設計相關的工作。因此，在發動機原理課程的培養要求上與動力工程專業會有根本性的不同。開設“發動機原理”（即將更名為“航空發動機原理與應用”），目的是讓學生對航空發動機的基本工作原理、整體性能乃至飛機的整個動力系統有一定的理解和認識，了解發動機型號的選用方法和選用標準。重點在于“應用”，而非深入研究。

為了改善這種枯燥的教學狀況，“發動機原理”教學團隊利用學校航空航天博物館的資源，增加了實踐參觀的學時，組織學生參觀拆解過的航空發動機實體。從而使學生對發動機整體的構型以及內部主要構件有了直觀、清晰的認識。但是用于評價航空發動機好壞的動態性能和指標難以通過靜態的實物得以體現，而這些恰恰是一個飛行器設計人員所應該了解和掌握的。從多年的教學經驗來看，傳統的教學模式下，教學效果難以得到有效保證[3]。因此，對現有的“發動機原理”實驗課程進行教學改革顯得尤為迫切。要構建具有專業特色的教學體系，就必須結合專業現狀，以滿足專業需求為目標[4]，搭建一套適合于本專業教研情況的實驗平臺。

美國燃機公司（Turbine Technologies）開發的“MiniLab燃氣輪機動力實驗系統”是一套專業的、成熟的研究燃氣輪機循環過程和工作原理的實驗平臺。其有以下幾個主要特點：（1）具有較高的穩定性；（2）在LabView實驗軟件的基礎上，配有“一鍵啟動”按鈕。啟動后，推桿調節油門，各關鍵參數均在主控臺上顯示，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使得可以對動力系統中的壓氣機部件、透平部件、燃燒室部件乃至整個循環中的性能和參數進行定量分析，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。

由于專業需求的差異，如果直接采購MiniLab實驗系統于本課程的教學實驗又存在諸多的不足之處。首先，MiniLab實驗系統本身具有較高的自動化程度，且發動機及其安裝固定結構、進排氣系統、供輸油系統、數據采集系統等均安裝于防護罩內。因此，難以使學生對整個動力系統的各主要組成部分有一個具體、直觀的認識。實驗過程中反映發動機狀態、性能的各關鍵參數是通過內部的軟件分析處理后顯示在主控臺上，而不是學生結合書中的原理公式與實際采集的數據處理得到的，從而難以形成深刻理解和認識。其次，設備的部分功能，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，該設備應用于本課程的教學實驗將不能發揮其最大的價值。此外，該設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、更換也會給教學帶來諸多的不便。

二、實驗平臺搭建

經過對發動機實驗室，微型渦噴發動機及主要零配件、相關測量控制元件的調研，確定了實驗平臺搭建方案。

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

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

2.搭建方案。根據已開發的實驗項目，完成了地面臺架的設計，在此基礎上搭建的實驗平臺整體效果如圖2所示：

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

三、實驗項目開發

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

發動機的推力和耗油率隨發動機轉速而變化的規律，通常稱為轉速特性，也可稱為油門特性。渦輪噴氣發動機在研制、生產過程中需要進行大量的地面臺架試驗以檢驗發動機的轉速特性是否達到設計要求以及是否需要進行調整和修改，否則須采取相應的措施使其達到預定的性能指標。因此，發動機在地面臺架試驗中，錄取發動機的轉速特性，進行分析研究，具有十分重要的意義。在此基礎上，開發了兩個實驗項目。

（一）實驗一

1.實驗目的：獲得發動機轉速與油門的變化關系、推力與油門的變化關系、推力與發動機轉速的變化關系，并與工程實際轉速特性曲線相對比，形成直觀認識。

2.實驗步驟：（1）按照圖2實驗平臺效果圖依次安裝發動機模塊、推力測量模塊、燃油系統模塊，然后完成ECU電子控制單元、終端監控顯示屏、系統電池、數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整為FULL EXPO。（3）完成實驗前檢查，調整油門桿位置到最低，核對確認無誤后，操縱遙控器啟動渦輪噴氣發動機。（4）每次增加油門桿位置10%（遙控器數字顯示油門桿位置），待穩定后，從終端監控顯示屏上讀取發動機轉速，從數顯測力計上讀取發動機推力，并記錄在表1中，直到油門桿位置為100%。（5）遙控器發送指令使發動機停車。（6）將ECU電子控制單元的推力曲線模式調整為LINEAR，重復實驗步驟3～5。（7）實驗完成，處理數據，繪制發動機轉速和推力的關系曲線，油門桿位置與發動機推力的關系曲線，油門桿位置與發動機轉速的關系曲線，其中推力與油門桿位置關系曲線如圖3所示。

（二）實驗二

1.實驗目的：測量發動機耗油率隨轉速變化的關系，發動機推力隨轉速變化的關系，獲得發動機轉速特性曲線，并與工程實際轉速特性曲線相對比，形成直觀認識。

2.實驗步驟：（1）在實驗一已安裝好的實驗裝置基礎上，在油箱側面貼上刻度尺，并再次進行實驗前核對，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整為FULL EXPO。（3）完成實驗前檢查，調整油門桿位置到最低，核對確認無誤后，通過遙控器啟動渦輪噴氣發動機。（4）逐漸推油門桿，將發動機轉速增加至0.55nmax附近，待穩定后開始計時，在表2中記錄油標刻度以及此時的發動機轉速、發動機推力。2分鐘后，再次記錄油標刻度。（5）按照步驟4的方法，重復測量，發動機轉速每次增加0.05nmax，直至nmax，共測量10個測量點的相關數據。

（6）遙控器發送指令使發動機停車。（7）實驗完成，處理數據，繪制發動機轉速特性曲線，如圖4所示。

四、小結

“發動機原理”是對飛行器設計專業本科三年級學生開設的一門專業基礎課，由于課程本身較強的理論性，加之發動機內部結構的復雜性，使得課程抽象難懂。當前教學模式中的實踐參觀環節可以幫助學生對在課堂上難以表達清楚的某些復雜三維構型有一個清晰直觀的認識，但卻依然無助于學生對發動機整體動態性能的把握。在這種背景下，本文提出了搭建小型發動機實驗平臺的教學改革方案，并結合實驗平臺的特性，開發了兩個實驗項目，詳細闡述了實驗項目的流程。利用此實驗平臺，學生在課堂中學到的理論知識將可以得到實驗的印證有助于學生對整個動力系統的組成及整體動態性能形成具體的、直觀的認識。

參考文獻：

[1]王云.航空發動機原理[M].北京航空航天大學出版社，2009：3-15.

[2]張銀波.航空發動機原理與構造教學實踐與探索[J].科技資訊，2013，（34）：149-151.

[3]施永強，楊青真.航空發動機教學實驗仿真平臺設計[J].高校實驗室工作研究，2012，（4）：60-62.

[4]武和全，李岳林，薛盈盈，等.發動機原理課程教學改革的探索與實踐[J].中國科教創新導刊，2011，（16）：62-63.