渦輪噴氣發動機冷態運轉控制系統設計

袁書生，蒙禮功

（廣州民航職業技術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主要面向民用航空器維修企業，培養從事民用飛機機械系統、電氣系統和動力裝置一線維修工作的高素質技能型專門人才。根據專業對應工作崗位群的技能要求，機務維修專業應該開設航空發動機試車實訓課程[1]。

航空發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的飛機和發動機知識[2]。高職院校學生剛剛開始系統學習飛機和發動機的知識，基礎知識尚不牢固，如果使用虛擬設備來進行發動機試車實訓教學，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，高職院校的航空發動機試車實訓課程應該采用真實的發動機來進行初始試車培訓。

發動機熱態工作時噪音很大、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]。為了達到校園環境下的使用要求，可以對發動機進行適當改裝，使發動機能夠進入冷態的恒速運轉狀態，以這種狀態來模擬發動機起動后的運行狀態，從而實現使用真實發動機進行試車教學的目標。

1 冷態運轉控制系統設計實例

1.1 起動機類型選擇

冷態運轉是發動機在起動機驅動下進行的運轉。根據發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，需要配套的設備也不同，由于校園環境下使用的特殊性，需要先選擇起動機類型，再根據起動機類型去選擇適合的發動機。燃氣渦輪起動機運行時噪音大，無法在校園環境下使用；空氣渦輪起動機需要有氣源才能工作，當發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，配套設備的成本較低，工作時噪音小，適合在校園環境下使用。可見，發動機試車實訓教學應該采用使用電動起動機的發動機。電動起動機主要用于小推力/功率發動機，這類發動機也是國內高職院校實訓教學廣泛使用的發動機。

1.2 冷態運轉控制系統設計方案

某型渦噴發動機是國內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，下面以這種型號發動機作為實例，說明發動機冷態恒速運轉的實現方法。

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

圖1 渦噴發動機的主要部件

發動機冷態運轉的實現方案是在發動機原有起動電路的基礎上加裝一個超控電路，電源可以不經過起動箱直接給起動發電機供電，繼續帶動發動機至恒速運轉狀態。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電源分別給發動機原有啟動電路和超控電路供電。起動發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開始觸發并計時。在K4電門閉合后30 s內，將K5電門閉合，地面電瓶經過電門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給起動發電機供電，完成對起動箱的超控，發動機進入冷態恒速運轉狀態。

發動機進入冷態恒速運轉狀態后，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，發動機停車。

1.4 超控電路接入時間點的控制

發動機原有的起動電路采用了分級起動的方式來起動發動機，在起動的過程中采用降壓起動、電源串并聯轉換等方式，避免起動功率過大損壞起動發電機。而加裝的超控電路則是直接給起動發電機供電，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設置為觸點在電門K4閉合30 s后吸合（發動機原有起動電路已經完成起動），使超控電路不能過早接通。如果出現錯誤操作，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 起動發電機連續工作時間控制

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

2 發動機冷態運轉測試

2.1 測試條件

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

圖3 測試發動機與試車臺

2.2 冷運轉測試

（1）干冷轉測試

將發動機起動方式設置為干冷轉，把起動電門旋轉到起動位，發動機執行冷運轉程序，運轉正常，30 s完成起動循環，自動停車。發動機轉子轉速最高達到1 000 r/min，聲音低沉，在現場稍有震撼感，不會對校園內老師和學生的工作、學習、生活造成影響。

（2）超控運轉測試

超控運轉測試進行兩次，JS1的參數T分別設置為120 s和240 s.

第一次測試起動發電機運行時間為2′30″，發動機的起動電路與超控電路在起動30 s后順利交接，接替工作時發動機運行平穩，未感覺到發動機的運行狀態發生明顯變化，發動機加速至1 000 r/min后維持在這一轉速下運行，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。

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

2.3 教學應用說明

在發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一樣控制發動機的運轉（冷態運轉替代熱態運轉），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。發動機單次可連續運行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 結論

本文通過在渦輪噴氣發動機起動系統的基礎上設計和加裝超控電路，實現了發動機的恒速冷態運轉，同時設計了保護電路模塊，保護起動發電機不會因誤操作而損壞。發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，適合在校園環境下的使用。為高職院校使用真實發動機開展試車實訓教學提供了可行的解決方案。