航空發動機試車臺在本科教學及科研中的應用研究

李勇　韓非非

摘要：文章介紹了航空發動機試車臺的原理、組成及其在教學、科研中的重要作用。探索了省屬重點高校以優勢特色學科為基礎，深化教學改革，將教學、科研與工程實踐相結合，為飛行器動力工程類本科人才培養提供示范和借鑒。

關鍵詞：航空發動機;試車臺;教學改革;科學研究;工程實踐

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2020）16-0152-02

一、航空發動機試車臺系統簡介、工作原理及組成

1.航空發動機試車臺系統簡介。隨著國家經濟不斷地發展，航空工業無論在軍工還是民用上都起著舉足輕重的作用。航空發動機作為飛機的動力裝置，是飛機的核心部件之一，其性能直接決定了飛機潛力的發揮。航空發動機的發展對國家的科技水平和國防領域起著重要作用，是一個國家科技、工業和國防的綜合實力的重要體現。在航空發動機的研制、維修等過程中，航空發動機試車臺是必不可少的重要設備。發動機試車臺在發動機性能試驗、控制系統驗證試驗等過程中起到了關鍵作用，不論對新發動機研制、定型，還是故障發動機維修檢測等試驗中都有著重要用途，可用于綜合分析航空發動機的性能是否達到其標準要求。由于航空發動機屬于復雜熱力機械系統，導致其試車臺系統的復雜程度和研制難度也極高。航空發動機試車臺的整個系統可分為諸多子系統：發動機整機、電源系統、控制器、燃油系統、機械液壓作動系統、數據采集系統、滑油系統等。

2.航空發動機試車臺工作原理。航空發動機試車臺工作原理如下：在離機狀態下，將航空發動機和渦輪起動機固定在發動機試車臺上，試車臺架上設有燃油、滑油、控制和測試等接口，燃氣渦輪起動機經接口與燃油、滑油、控制和測試等系統連接;由計算機控制的燃油供油系統，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動機工作狀態，并且在起動過程控制起動供油量;控制裝置控制發動機的轉速調節器，以滿足工作需要;測試系統將傳感器傳輸的信號，經信號采集電路至計算機，經計算機處理由顯示裝置指示發動機主要工作參數、工作狀態等;安全監控系統監控發動機轉速、排氣溫度、振動值等參數變化情況，達到安全限制值時告警、發動機并自動停車。

3.航空發動機試車臺組成。航空發動機試車臺可用作航空發動機教學實訓臺和科研試驗平臺，試車臺架為懸掛式試車臺，由動架和定架構成，安裝有空氣流量管、推力傳感器、轉速傳感器、壓氣機壓力傳感器、尾噴管溫度傳感器、燃油流量傳感器等高精度傳感器，包含高速計算機數據采集系統、ECU控制器、行程操縱及儀表箱、不銹鋼工作臺、渦輪噴氣發動機，設有控制電路箱、燃料油路箱、工具箱等，配有參數可調的專用軟件。航空發動機試車臺可對航空發動機的工況進行全面測量。可用于渦輪發動機原理實驗教學、100千克推力以下微型航空發動機研究試車、微型航模發動機調試、大學生和研究生創新實驗教學培訓。

二、航空發動機試車臺在教學中的作用

以國家、省部級精品課程建設為目標，發動機試車臺對航空發動機主要專業課程所起作用為例進行說明。①航空發動機導論。發動機試車臺可輔助教師對新生開展航空發動機的入門教學，通過發動機工作過程中所產生的聲、光、熱等媒介，使學生對發動機產生整體的、直觀的了解，并對發動機的外形結構、工作原理及特性有個初步的認識。②工程熱力學。通過發動機數采系統所采集的數據，幫助學生了解發動機關鍵截面氣動參數的變化，進而整體掌握在發動機這一熱力機械中氣體特性的變化;通過繪制發動機P-V圖或T-S圖，加深學生對氣體動力循環特別是噴氣發動機所涉及的布萊頓循環的掌握。③航空發動機原理。利用發動機數采系統所采集的數據，通過計算發動機不同工況的壓比、耗油率等發動機關鍵參數，繪制實際發動機熱力循環圖并與理想循環進行比較，將發動機的實測參數與學生所計算的發動機參數進行比對、繪制發動機的節流特性等多種形式，加強學生對發動機原理中涉及的基本概念的理解。④工程測試技術。發動機試車臺中涉及了多種傳感器類型（如推力傳感器、轉速傳感器、空氣流量傳感器、壓氣機壓力傳感器、尾噴管溫度傳感器、燃油流量傳感器等）、信號調理電路、數據采集等，涵蓋并輻射傳感器的原理及應用、電路基礎、數字信號處理、計算機測控技術等課程，所采集的數據也可用作相應課程的用例數據來源，切實加強學生對相應理論知識的理解及應用能力。⑤航空發動機控制。航空發動機控制是飛行器動力工程專業本科生高年級的一門專業核心課程，該課程涉及“航空發動機原理”“自動控制原理”“計算機控制”“電工電子技術”及“液壓傳動與伺服控制”等諸多課程，是從事航空發動機控制系統設計與實現工作的專業核心課程。該課程綜合了大量的專業基礎課程，具有承前啟后的重要作用。相比與其他控制專業類課程，還具有一些顯著的航空發動機專業特點。課程教學中一項重要內容是講解發動機控制系統的結構、工作原理等，在不便于實物展示的情況下，依靠傳統教學手段，學生往往不能直觀深入地理解教學內容。由于課程設置、教研經費投入等方面的局限，現有的航空發動機控制系統教學科研試驗平臺已經遠不能適應現代航空發動機控制系統設計的內在要求。對航空發動機這樣一個復雜且變化多的熱力機械過程如不加以控制，航空發動機是根本不能正常工作的。該型發動機試車臺包括了典型反饋控制系統所涉及的所有部分，如指令給定裝置、控制器、測量裝置、被控對象（發動機），有助于學生真實直觀地了解實際控制系統的構成以及具體的控制過程。

三、航空發動機試車臺在科研中的作用

以項目申報、基金申報的條件建設為目標，從航空發動機總體、控制等專業所涉及的航空發動機數學模型、基于模型的發動機控制設計等方向出發，說明基于發動機試車臺可以進一步開展的科研工作。①航空發動機數學建模。航空發動機控制系統是用以保證發動機能夠在任何工作環境和工作條件下都能穩定、可靠運行的復雜系統。目前在掌握航空發動機特性的條件下，控制系統多基于發動機模型進行設計。在基于模型的發動機控制系統設計中，控制系統的性能直接取決于發動機模型的精度，通過提高建模的準確性可以顯著提高控制系統設計的可靠性并改善發動機的控制性能。借助于數值計算方法，可以建立發動機數學模型。利用發動機數據采集系統所采集的數據，可對所建立的發動機模型開展進一步修正工作以提高模型的精度;利用修正好的發動機模型可以開展發動機全飛行包線內的高度特性、速度特性、節流特性研究。借助發動機模型的發動機分析研究不同工況下參數的變化，可進一步加深對發動機工作的理解。②基于模型的航空發動機控制設計?；谀Ｐ偷陌l動機控制（MBEC）作為現代航空發動機控制系統設計一種常見方式，可以有效地提高發動機控制系統設計的效率?；诎l動機模型，可以快速開展航空發動機穩態控制器設計、過渡態控制規律優化、限制保護器設計、控制邏輯設計及閉環控制綜合，能有效地對所設計的控制方案、控制算法等進行快速驗證。

四、結論

航空發動機試車臺旨在為飛行器動力工程專業的工科學生提供技術領先，性能卓越的創新教學及科研實驗平臺，基于該航空發動機試車臺構建的教學、科研建設平臺方案.該航空發動機試車臺應用到教學工作當中，可以讓學生快速直觀地看到基礎理論被驗證，控制算法被實現，在一個安全形象的環境當中學習理論知識的同時學以致用，寓教于樂，培養學生的實際動手能力，也有利于培養學生的實踐能力、分析和解決問題能力、設計能力和創新意識。此外，航空發動機試車臺作為科研基礎條件，為國家自然科學基金、省科技廳、教育廳等基金項目的申請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

基金項目：鄭州航空工業管理學院教育科學研究基金（項目編號Zhjy19-53）

作者簡介：李勇（1986-），男，河南駐馬店人，講師，博士，主要研究方向是航空發動機控制系統設計、固沖發動機能量管理、燃氣發生器流量調節控制方法研究。