航空發動機電氣控制半實物虛擬仿真平臺開發

摘要：近些年來我國航空航天產業發展速度較快，各項關鍵核心技術不斷取得突破。在航空領域中，發動機控制研究是一項重要內容，為了提高航空發動機綜合性能，必須采用模擬仿真技術，在模擬仿真平臺中對其電氣控制方案進行測試，從而能夠準確識別出設計方案存在的問題，進而對發動機電氣控制方案進行優化，其中半實物虛擬仿真平臺具有良好的應用效果。因此，本文將對航空發動機電氣控制半實物虛擬仿真平臺的開發進行深入地研究與分析，并提出一些合理的意見和措施，旨在進一步提高仿真平臺開發技術水平。

關鍵詞：航空發動機;電氣控制;半實物;模擬仿真平臺;技術開發

發動機作為航空飛機的核心，對于航空飛機的飛行速度、可靠性以及安全性具有決定性作用，且航空發動機對于技術水平要求極高，必須采用科學的設計方案，才能夠滿足航空飛機飛行要求，同時因為航空發動機造價昂貴，對于實驗室條件具有明確要求，為了實現航空發動機電氣控制研究，近些年來半實物虛擬仿真平臺投入使用。本文設計開發一種將發動機轉速、電氣運動控制、控制率等集中為一體的虛擬仿真平臺，在開發實驗中取得良好效果。

1發動機內部構造分析

發動機是航空飛行器的動力核心，發動機的啟動過程能夠直接影響航空飛機能夠順利飛行，啟動性能是評價航空發動機綜合性能的重要指標[1]。綜合來看，航空發動機內部結構較為復雜，具有多種不同形式，所以在建立半實物虛擬仿真平臺前，必須對航空發動機的內部結構具有明確認知。本次研究以CFM56-5系列的航空發動機作為對象，該系列發動機在航空飛機中具有廣泛應用，起飛推動范圍能夠達到21000—30000磅，是渦輪發動機類型中最為典型的航空發動機。CFM56-5航空發動機長度為2.14m，寬度為1.97m，重量在2381kg左右，其動力裝置主要包括核心機部分和整流罩。該航空發動機的外形符合空氣動力學標準，在航空飛機高空飛行時能夠保持良好的穩定性，主要通過空氣系統提供動力，同時能夠對發動機高速旋轉產生的熱量進行冷卻，從而避免發動機運行溫度過高的問題出現;在該航空發動機的增壓軸承腔內，從而使艙場內部實現通氣;該航空發動機通過燃油系統實現供給和傳送，燃燒室內燃燒的化學能能夠對發動機活門伺服壓力進行調節。空氣通過進氣道后，進入渦輪發動機之后會從內部涵道通過低壓壓氣機、高壓壓氣機、燃燒室以及低壓渦輪，最后排出發動機外部;另一股氣流經過風扇直接排出發動機外部，與內涵空氣同時噴射，從而產生充足的動力。CFM56-5系列航空發動機為雙輪發動機，高壓轉子和低壓轉子相互獨立，由五個軸承分別連接，內部有兩個軸承腔[2]。

CFM56-5型號航空發動機內部結構為模塊化設計形式，共計分為17個模塊，從功能模塊方面來看，17個模塊可以分為三個類別，分別為核心機模塊、低壓渦輪模塊以及風扇模塊，核心機模塊主要包括高壓壓氣機模塊、燃燒室模塊和高壓渦輪機模塊;風扇模塊主要包括低壓壓氣機模塊和風扇結構組件模塊。

2航空發動機三維模型構建分析

為了能夠提高航空發動機三維模型構建效果，必須保證各項參數準確性，所以需要做好前期準備工作，采用適合試驗研究的相關軟件。本次三維模型構建采用Solidworks軟件，是基于Windows系統的三維CAD軟件，功能豐富完備，內部組件較多，平面草圖與CAD草圖的繪制過程基本相同，能夠有效提高三維模型構建效率。本次三維模型構建主要為航空發動機內部構件模型，包括壓氣機構件模型、轉子構件模型以及風扇構件模型等，需要確保每個構件與實物構建相同。將構建模型建造完成后利用Solidworks軟件組件對其進行拼裝，從而實現三維模型建設目的[3]。

以航空發動機的葉片構件為例，在渦輪式發動機中，葉片為壓氣機和渦輪實現功能轉換的核心部件，雖然葉片體積較小，但是其模型構建較為困難，葉片的主要結構包括機身和榫頭，且葉片構件截面具有一定彎曲，截面形狀受到位置和葉片高度的直接影響，隨著葉片高度改變而變化。在葉片工作狀態下，葉片通過樣頭能夠固定在航空發動機內部。在航空發動機葉片造型確定環節中，為了便于三維模型構建，采用將葉片劃分為葉身和榫頭兩個部分的方式，對不同部分分別進行模型構建，之后根據其實際尺寸進行拼裝。葉身結構雖然看似較為簡單，但是實際上模型構建極為復雜，因為葉身包括多個連續扭轉曲面，且葉片具有自身剖切面重心處于同一條直線的特征，所以在模型構建時需要采用垂直于重心線的6個迫切面對葉身進行剖切，從而能夠得到能夠投影成為封閉二維曲線的剖切平面，通過采用Solidworks軟件的平移、翻轉等功能，形成葉身框架的三維模型，具體操作步驟為：（1）確定6個剖切基準面。因為葉片實物為三維結構，所以必須確定基準面，在基準面中對其進行操作，且因為基準面之間為平行關系，所以本次試驗中采用等距平面形式。（2）二維曲線構造。曲線具有圓滑性特點，但是因為葉片曲線為兩段圓弧和中間曲線連接構成，所以本次試驗中采用取點方式進行，在兩段圓弧中分別選擇點位，按照基準面的數據確定連接構造。（3）扭曲平面形成。因為截面的形狀和位置與葉片高度具有直接關系，會隨著葉片高度的變化而發生改變，所以需要利用二維曲線構建具有封閉性的曲線，按照不同的扭轉角度對其進行旋轉和平移處理，并保證截面中心始終位于相同點位，才能夠滿足模型構建要求。（4）葉身拼裝。將上述完成的構件，在軟件中進行旋轉、拉伸的處理，從而構成完整的葉身。

葉身構建完成后，需要完成榫頭模型構建。在榫頭模型構建時，需要重點考慮榫頭的形狀、與葉身的相對位置、在輪盤中的安裝位置等，在選擇適合的基準面后，在基準面中完成草圖繪制，之后將凸臺利用Solidworks軟件進行拉伸處理，并在凸臺中完成二次基準面去頂，只有繪制詳細的結構草圖，將多余的部分切除，反復重復上述步驟10次后，即可得到榫頭模型方案，之后利用Solidworks軟件的相應功能，按照發動機技術要求對其進行拼裝，最終得到完整的構造模型。

3半實物虛擬仿真平臺構建分析

在完成航空發動機三維模型構建后，進入本次試驗最為核心的部分，即半實物虛擬仿真平臺設計。在本次設計中，采用LABVIEW軟件，LABVIEW軟件是專門用于圖形集成化的一種開發軟件，并在設計中融合虛擬機構造。因為LABVIEW軟件內部功能完善，具有儀器控制、數據分析等多項實用功能，且不需要較高的配置，在常規的實驗用計算機中實現運行，構建出符合要求的虛擬模型機，且與實物機器功能基本相似，LABVIEW還具有豐富的函數資源，能夠為用戶提供更多的函數模型選擇。LABVIEW軟件為G語言構造，面板和程序版通過元件連接，符合本次半實物虛擬仿真平臺設計要求。

針對LABVIEW軟件的虛擬機構建，本次設計方案包括：（1）建立LABVIEW軟件與Solidworks軟件連接。LABVIEW軟件能夠與Solidworks軟件進行轉換，將Solidworks軟件中繪制的航空發動機構件模型轉化為WRL格式，并對Solidworks軟件的輸出選型進行設置，本次輸出的版本格式設計為VRML97，單元設計為毫米級別;盡管Solidworks軟件與LABVIEW軟件存在連續性，但是并不意味著Solidworks軟件所輸出的所有格式都能夠被LABVIEW軟件使用，如果格式錯誤會導致三模模型無法構建，所以需要對格式進行轉化。（2）模型構建方式。在路徑構造選擇方面，本次試驗按照零件的關聯度進行確定，以整流罩作底座作為基礎路徑，在該基礎上分別設計分路徑，之后按照關系將分路徑和構件相對應，但是這種對應方式并不能保證構件連接之間不存在縫隙，所以需要按照模型實際情況，利用軟件功能對其進行調整，從而實現構件與構件無縫連接。（3）渦輪風扇發動機轉子、葉片轉數控制模塊、構件旋轉方向確定。該部分模型構建需要按照航空發動機的實際情況進行處理。首先，在旋轉速度控制方面，采用分支結構，每個旋轉構件例如轉子、壓氣機等，為其設置單獨的旋轉控制系統。其次，在一些顯性的控制系統中，對于直接可以直接控制的部分，例如葉片的旋轉控制，在面板構造中安裝旋轉控制按鈕，利用該按鈕執行控制程序，從而使葉片能夠旋轉。最后，在一些隱性的構造中，采用通過內部程序版獲取的數據對其旋轉進行自動化控制。（4）聲音反饋設計。航空發動機的轉速無法獲取直觀數據，所以需要設計一個聲音反饋系統，通過聲音反饋獲取航空發動機的實時轉速。在本次設計方案中，對轉子的轉動速度數據進行采集，按照轉速對其聲音進行匹配，從而能夠直觀獲取當前發動機轉子的實時轉速，之后利用LABVIEW軟件構成主體框架，并對LABVIEW軟件面板進行設計，得到最終的半實物虛擬仿真平臺[4]。

4硬件平臺設計分析

在硬件平臺設計中，本次設計方案主要包括控制器、直流電機、步進電機、直流電機控制器以及步進電機控制器，從而能夠實現左右發動機運行模擬、燃油計數模擬以及啟動空氣閥開度模擬等，具體包括：（1）元件確定。在元件確定方面，本次設計方案采用FPGA開辦板作為直流電機的控制器，從而實現內部電路控制，能夠有效處理電力中的各種問題，同時能夠提升可編輯門電路數量，進而提高編程控制效果，能夠全面提高仿真效率。（2）電路設計。在電路設計開展前，通過對電路連接圖的分析，識別出電路設計中存在的錯誤，并對電路可行性進行計算，通過多次優化模擬，得到最終的設計方案。（3）平臺設計。按照繪制完成的電路圖，對元件進行對比，考慮元件的正負特性，在軟件中進行模擬，從而得到最終硬件平臺。

在硬件平臺構建完成后，對硬件和軟件進行連接調試，將虛擬機與實驗箱保持同步運行，航空發動機虛擬動態速度需要與試驗箱保持一致，此時航空發動機的高低壓轉子與面板數值變化保持相同，從而能夠實現對航空發動機電氣控制的半實物仿真模擬[5]。

將設計完成的半實物虛擬仿真平臺應用于CFM56-5系列發動機電氣控制試驗，控制方式為：控制器對發動機直流電機控制器和步進電機控制器進行控制，直流電機控制器對左發動機和右發動機進行控制;步進電機控制器對SVA1、FMV1、SAV2以及FVM2進行控制。試驗結果為：（1）N2轉速0%、SAV1開度0%、FMV1開度0%、SAV開度0%、FMV2開度0%、1號電機轉速為0轉/min、2號電機轉數為0轉/min、點火器A為OFF工況、點火器B為OFF工況。（2）N2轉速10%、SAV1開度100%、FMV1開度0%、SAV開度110%、FMV2開度0%、1號電機轉速為497轉/min、2號電機轉速498轉/min、點火器A為OFF工況、點火器B為OFF工況。（3）N2轉速16%、SAV1開度100%、FMV1開度0%、SAV開度100%、FMV2開度0%、1號電機轉速速度794轉/min、2號電機轉速0轉/min、點火器A為ON工況、點火器B為OFF工況。（4）N2轉速22%、SAV1開度0%、FMV1開度100%、SAV開度100%、FMV2開度100%、1號電機轉速為1067轉/min、2號電機轉數為1086轉/min、點火器A為OFF工況、點火器B為ON工況。（5）N2轉速50%、SAV1開度100%、FMV1開度100%、SAV開度100%、FMV2開度100%、1號電機轉速為2498轉/min、2號電機轉數為2495轉/min、點火器A為OFF工況、點火器B為OFF工況。（6）N2轉速58%、SAV1開度100%、FMV1開度100%、SAV開度100%、FMV2開度100%、1號電機轉速為2907轉/min、2號電機轉數為2910轉/min、點火器A為OFF工況、點火器B為OFF工況。

根據試驗結果可以看出，本本所設計的半實物虛擬仿真平臺，能夠對航空發動機的電氣控制效果進行有效模擬，得到當前航空發動機的電氣控制能力，如果在仿真結果中發現存在問題，則能夠對其進行優化處理，對于提高航空發動機性能具有重要的作用，能夠有效降低仿真試驗成本，同時提高仿真試驗結果準確性，全面展現出航空發動機的電氣控制性能，對于提高航空發動機運行質量具有重要意義。

結語

綜上所述，本文全面闡述了航空發動機的主要內部結構，并對航空發動機構件的三維模型構建方法進行分析，同時提出了半實物虛擬仿真平臺和硬件平臺的設計方案，以CFM56-5系列航空發動機作為試驗對象，在設計的平臺中進行試驗，結果顯示該平臺具有良好的效果，希望本文能夠對航空航天發動機設計領域起到一定的借鑒和幫助作用。

參考文獻：

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作者介紹：石鑫（1980—??），男，回族，江蘇鎮江人，碩士，副教授，研究方向：控制工程。