裝甲車輛燃氣輪機工作狀態精確監測與實時控制

劉健，魏曙光

（陸軍裝甲兵學院 兵器與控制系，北京 100072）

隨著裝甲車輛全電化的不斷推進，車內用電模塊的功率大幅度增加，電壓等級與供電模式發生重大變化，需要功率密度更高，動力輸出更穩定的動力源，燃氣輪機憑借其高功率密度、低噪聲、良好的加速性和扭轉特性，取代了傳統的柴油發動機，大規模應用于目前的主戰裝備中。而在裝甲車輛中應用燃氣輪機，需要對其控制方式、布局結構等進行改造，以適應裝甲車內部空間，由此帶來了布局、監測與控制的難題。為了解決上述難題，設計了一種集監測、控制為一體的電氣適配裝置，將復雜的邏輯控制關系集中到此裝置中，操作方便，提高了裝甲車輛的作戰性能。

1 狀態監測與實時控制

燃氣輪機作為裝甲車輛的主動力源，其工作的狀態直接影響裝甲車的作戰性能，為此，必須要對燃氣輪機的工作狀態進行精確監測與實時控制，包括對其溫度、轉速、滑油狀態等多種要素進行監測，以及實時控制燃氣輪機冷轉、啟動、帶氣啟動等，以保證燃氣輪機工作在正常狀態。

1.1 燃氣輪機工作狀態監測思路

發動機溫度監測。燃氣輪機工作在高溫狀態下，其輸出功率隨進氣溫度的增加而提高，熱效率也隨之提高，然而過高的溫度會損壞熱通道的部件，影響燃氣輪機正常工作，增加損失。通過燃氣輪機發動機溫度傳感器輸出信號與駕駛員操縱面板適配盒相連，監測到超溫時，電壓信號輸入操縱面板，繼電器接到電壓信號動作，接通超溫顯示指示燈和溫度故障信號燈，溫度調節裝置動作，通過排氣冷卻等操作降低發動機溫度。

滑油狀態監測包括：燃氣輪機滑油溫度、滑油壓力以及當前油量狀態的監測。滑油壓力或溫度過高時會導致效率不增反降，嚴重時甚至引發事故。滑油油量不足時，發動機無油故障指示燈亮，提示加油操作。滑油壓力與溫度故障時，相應滑油壓力表與滑油溫度表接收到直流電壓信號，顯示當前滑油狀態，同時故障指示燈亮。

轉速監測。裝甲車輛燃氣輪機轉速監測包括低壓轉速、高壓轉速和動力渦輪轉速監測，測速開關的三層接線分別接轉速傳感器的三個引腳，依據不同轉速狀態下頻率不同，從傳感器接收到的不同的方波信號驅動轉速表，測得當前轉速。

其他監測。燃氣輪機系統復雜，對其狀態的精確監測還需要對系統開啟狀態、工作時間、電池電量、自動除塵等狀態進行監測。開啟指示燈是在燃氣輪機系統開啟后，輸入信號點亮此燈；工作時間表接表頭計時電源、氣動清理裝置和滑油壓力表、滑油溫度表均接溫度調節裝置供電，監測到電量不足時，電池不足指示燈亮；燃氣輪機的除塵濾芯是把工作介質的污染控制在要求的范圍內，以延長系統的使用壽命，提高系統工作的可靠性，當監測到需要除塵時，自動除塵開關動作，自動除塵顯示燈亮等。

1.2 燃氣輪機系統實時控制

根據燃氣輪機系統工作特性，同時結合其電氣系統工作狀態，對其控制需要設計6種工作模式，分別是怠速、啟動、冷轉、帶氣啟動、溫度監測和信號監測（轉速監測單獨設計）。其控制思路如圖1。

首先對燃氣輪機電氣系統進行初始化設置，接通電源并監測燃氣輪機系統各部件狀態，無故障情況則接通怠速電源進入怠速狀態；出現故障時，需要監測是滑油故障、溫度故障還是其他故障，相應狀態控制器工作，消除故障。尤其是出現溫度故障時，溫度控制器及時工作，使溫度保持在正常工作范圍，保證燃氣輪機效率，防止出現損壞等故障。燃氣輪機各開關配置好后，啟動指令輸出電壓為低電平時，發動機無點火，只進行冷轉。燃氣輪機啟動時需要先進行帶氣啟動，燃氣輪機進行點火啟動，同時氣動清理裝置輸出高電平，進行排氣，實現帶氣啟動過程。當開啟指示燈熄滅后，將開關檔位打至啟動模式，向啟動電機提供電壓，之后點火器熄滅，啟動電機電壓下降，啟動電機關閉，完成啟動。

圖1 燃氣輪機電氣系統控制思路

2 燃氣輪機實時控制開關設計

結合燃氣輪機電氣系統工作特性及控制思路，設計工作模式開關及轉速監測開關。

2.1 工作模式開關設計（圖2）

圖2 工作模式開關狀態

依據設置的電氣系統控制思路設計如圖2所示的6檔位開關，每個檔位對應6層開關狀態，開關動作時會讓每個檔位的1、2層對接，3、4層對接，5、6層對接，通過不同取舍使得每個檔位接通實現不同功能。

（1）怠速模式時，模式選擇開關置于1檔，開關2層d和e怠速接地，開關1層引腳連接小油門電磁閥，實現怠速，啟動自動清理裝置。（2）啟動時，模式選擇開關置于2檔，開關1層將點火啟動模式高壓信號傳給啟動指令，燃氣輪機點火啟動，當氣動清理裝置為高電壓信號時，氣動控制器為高電平狀態。（3）冷轉時，模式選擇開關置于3檔，啟動指令輸出低電平，燃氣輪機只進行發動機冷轉，無點火過程。（4）帶氣啟動時，模式選擇開關置于4檔，開關1層接通后，點火啟動信號輸出，排氣指令輸入氣動清洗裝置，排氣指令為高，進行排氣操作，實現帶氣啟動。（5）溫度監測時，模式選擇開關置于5檔，開關1層接通，系統電源經過繼電器與溫度調節裝置連接，進入溫度監測模式。（6）信號監測時。模式選擇開關置于6檔，開關1、3層接通，電源信號經過二極管分別驅動電池不足、溫度故障、超溫顯示、自動除塵指示燈以及無油指示燈，進行指示燈監測。

2.2 測速開關設計（圖3）

測速開關單獨控制，設計三種工作模式，包括低壓轉速（TX1）、高壓轉速（TX2）和動力渦輪轉速（TX3）三個檔位，每個狀態的設計分別接不同傳感器，依據各轉速狀態電壓頻率不同，產生不同的方波，驅動轉速表動作，在轉速表TX中顯示轉速，達到轉速監測的目的。

3 樣機設計與試驗

圖4 燃氣輪機電氣適配控制盒

針對上述思路，設計了如圖4所示的燃氣輪機電氣適配控制盒，采用5個繼電器與2個檔位開關，實現了燃氣輪機電氣系統的轉速監測與其他6中工作模式。采用大功率供電線路徑優先原則及相關性功能及元件就近原則設計數字電路板，將燃氣輪機操縱機構與執行機構復雜的邏輯控制關系集中到一個適配裝置中，減小了體積結構，方便安置，提高了電氣系統的可靠性。

實車啟動試驗，首先監測機油位置，無缺油問題進行儀表監測，工作模式開關置6檔，監測電池電量不足、溫度故障顯示、超溫顯示等指示燈是否亮，監測發現無故障。燃氣輪機長時間放置，首次啟動時需要將模式開關置于3檔，依次打開自動開啟開關、起動機開關以及電源開關，按下燃油泵開關，運行于冷轉模式，冷轉結束依次關閉開關，將模式開關置于4檔，再依次打開冷轉前的開關，開啟緊急停機開關，按下帶氣啟動開關，執行帶氣啟動過程，開啟指示燈熄滅后關閉緊急停機開關，啟動電機及點火器，當啟動電機兩側電壓增加至48V后30秒，點火器熄滅，之后電壓下降為24V時，關閉啟動電機，完成啟動。進行轉速監測時，僅需將轉速開關置于相應檔位，根據接受到電壓信號的方波頻率不同，不同檔位驅動信號不同，實現對燃氣輪機低壓轉速、高壓轉速和動力渦輪轉速的分別監測。

試驗結果表明：該電氣適配裝置可以實現對燃氣輪機電氣系統的溫度、轉速、滑油狀態等多方面特性進行精確監測，出現故障時，故障指示燈亮，同時繼電器快速響應，相應狀態控制器及時工作，排除故障。燃氣輪機工作狀態監測是貫穿其整個電氣系統工作的過程中，實車控制試驗包含了燃氣輪機的狀態監測，同時根據燃氣輪機當前的狀態完成冷轉、帶氣啟動、啟動等工作模式，實現了對燃氣輪機的實時控制。

4 結語

（1）將燃氣輪機操縱機構與執行機構復雜的邏輯控制關系集中到一個適配裝置中，減小了對裝甲車內部的體積占用，采用分布式結構方便布局。（2）實現了轉速、溫度、滑油狀態等的實時監測，以及燃氣輪機工作狀態的實時控制，提高了裝甲車輛的工作性能。（3）采用大功率供電線路徑優先原則及相關性功能與原件，對電路板進行優化設計，提高了整個電氣系統的安全系數。