基于LabVIEW的某型渦扇發動機加力泵測試平臺設計

程思恩，李凱，楊吉建，張宇，羅陽思宇

（中國人民解放軍第5719工廠，四川 彭州 611930）

0 引言

目前我國的航空渦扇發動機都需要進行定期維修，以保持其良好的使用性和安全性。發動機的維修主要步驟為分解、檢修和測試。我國的發動機控制附件設計方式繼承了蘇聯設計理念，主要為液壓控制元件。這類液壓控制附件在性能測試時，不僅面臨著參數多，試驗數據量大，且這些數據大部分采用手動或半自動化的方式進行采集，這不僅耗時耗力，還面臨著采集數據出錯的可能，因此實現航空發動機測試數據的自動化采集是非常有必要的。

美英這類航空強國一直都非常重視航空發動機數據采集的自動化，這也為我國對航空發動機數據自動化采集系統的開發提供了更深的動力[1]。由于我國的航空發動機的設計水平和制造工藝比歐美國家起步晚，其航空數據自動化采集技術也落后很多。通過調研發現：目前國內使用的數據采集卡中，尤其在高速度和高精度方面的采集卡絕大部分都是外國公司的技術標準或平臺[2]，如：Kong C等[3]基于LabVIEW平臺開發出一種無人機的PT6A-67渦輪螺旋槳發動機的GUI型在線狀態監測程序；Sun等[4]基于LabVIEW平臺設計出航空發動機振動信號遠程監控的系統。國內方面如：中航606所的李鐵等[5]研發了基于PLC及上位機技術的航空發動機電動機加載試驗監控系統；黃祺晟[6]利用NI公司的LabVIEW平臺，設計研發了一套航空發動機地面故障診斷系統；雷利[7]也利用LabVIEW平臺，以華研工控機為上位機，以智能儀表為下位機，設計了一套試車臺地面試驗測試系統；胡寶權團隊[8]開發了一套可準確地實現發動機轉速、燃油壓力、燃油流量、滑油壓力、滑油流量、進氣壓力等230多種參數檢測的多功能試驗監測系統。

本文將梳理加力泵的主要性能，確定測試的參數，并選用華研工控機和美國GEFUNC的PLC作為測控平臺，利用IFIX上位監控軟件，設計一種基于LabVIEW的某型渦扇發動機加力泵測試平臺，最后通過新制試驗器模擬加力燃油泵在發動機上的各個工況，實現某新型渦扇發動機加力燃油系統的地面試車，判定修理后的加力燃油泵能否滿足發動機使用。

1 加力泵及設備主要性能參數

1.1 加力泵主要性能參數

加力泵工作介質為航空煤油（RP-3）、滑油（8B）；工作溫度為常溫15～60 ℃、高溫（132±10）℃；加力泵轉速為0～27 200 r/min；燃油進口 壓 力 為PH1=0.60 ～0.66 MPa、PH4=3.92～4.12 MPa；回油壓力為PH6=（0.25±0.05）MPa；加力泵出口流 量 為QH2=46154 ～48077 L/h；油液固體污染度：國軍標6級（含6級）或俄標8級（含8級）。

1.2 設備主要性能參數

整合燃油系統及滑油潤滑系統，細化參數設計及計算，形成設備總原理圖（如圖1）。

圖1 燃油系統及滑油潤滑系統圖

設備從常溫到142℃，加熱時間≤30 min；進口過濾精度≤10 μm，加熱時PH5=（0.25±0.01）MPa；加力泵供油流量為1000 ～52 000 L/h；PH4=3.92～4.12 MPa時，指令泵供油流量為（7692±185）L/h；油液冷卻方式為循環水冷卻。其中主傳動采用360 kW直流電動機，輸入轉速為3000～3500 r/min， 精 度≤0.1%；配合增速比約1∶9.5的齒輪箱，實現輸出轉速為0～30 000 r/ min，其潤滑介質為航空8B滑油，滑油溫度≤80 ℃；滑油壓力為1 MPa，流量為0～45 L/ min。

加力泵各接口功用簡介：H1為加力泵供油口，由發動機離心增壓泵供油；H2為加力泵出油口；H3為加調加力泵接通活門；H4為主調供油；H5為主調供加力泵轉換活門的指令油；H6為回油口，由加力泵向離心增壓泵回油口；H8為由應急放油附件供指令油；H9為漏油口，檢查加力泵滑油漏油量；H10為接應急放油附件，以打開放油附件的放油活門。

2 控制系統設計

控制系統的硬件采用施耐德、西門子、NI、研華和華榮防爆等技術成熟的產品（如施耐德的斷路器、電動機保護器、繼電器等，西門的直流調速器、變頻器和PLC，NI的CompactRIO系統，研華的工控機，華容的防爆燈具等），在質量和穩定性方面得到可靠保證。控制功能主要通過編寫的LabVIEW軟件進行操作，但是控制系統設置了自動和手動功能切換旋鈕，當切換為手動功能時則可通過面板上面的電位器控制電動機的轉速調節。

2.1 轉速控制設計

由于設備上需要控制轉速的電動機有3臺，其中1臺為直流電動機（主傳動），2臺為交流電動機（臥式離心泵和葉片泵），選用西門子PLC搭配西門子變頻器和西門子直流調速器組成轉速控制系統，具體控制如圖2所示。對于加力泵軸承潤滑中滑油加熱，采用固態接觸器（由PLC控制），通過溫度PID調節方式進行溫控。固態接觸器控制加熱器是否加熱，其輸出只有兩個信號：斷開或閉合。控溫精度約為±1 ℃。

圖2 轉速控制設計

2.2 自動化測量系統硬件設計

在線測量系統由工控機系統、NICompactRIO系統、測試軟件組成。因設備具有防爆屬性，故采集的信號均通過安全隔離柵進行安全處理，并且將傳感器信號統一轉換為1～5 V模擬量信號進行采集。經統計，模擬量輸入53點，模擬量輸出5點，數字量輸出25點，數字量輸入18點。以滿足設備性能為前提，同時考慮設備經濟性和具備一定的擴展性，故以NICompactRIO系統搭建的數據采集平臺。模塊包括具備8個拓展接口的主模塊cRIO-9066，16通道模擬量采集模塊9220，32通道模擬量采集模塊9205，8通道模擬量輸出模塊9265，32通道數字量輸入模塊9425和32通道數字量輸出模塊9477及相關鏈接附件組成[9]。采集模塊數量及參數如表1所示。

表1 采集模塊參數

輸入模塊將相應的數據（壓力、溫度、流量等）采集進來，通過內部處理，可通過以太網將數據輸出給電腦，最后通過LabVIEW編程處理，將信息反映給操作者，便于作出判斷。

2.3 自動化測試系統軟件設計

軟件采用NI LabVIEW進行編寫，控制界面包括原理顯示版塊、控制版塊、數據顯示版塊和通道校驗版塊。原理顯示版塊不僅可以清晰地看出整個系統工作原理，還可以觀察各元器件的運行狀態，便于判別有無控制錯誤。控制版塊主要包括電動機和電磁閥等元器件的控制按鈕，操作者只需通過鼠標即可控制對應元器件的動作。數據顯示版塊主要是將系統中的壓力、溫度和流量等數據以圖形和數字相結合的形式顯示出來。通道校驗版塊是一個單獨的校驗界面，此界面將所有需要校驗的溫度、壓力和流量列出，采用多點測量、數據擬合的方式進行通道校驗。界面圖類似于圖3所示，測試程序如圖4所示。

圖3 軟件界面

圖4 LabVIEW測試程序

2.4 在線檢測功能設計

將設備實驗數據和設備狀態數據集中處理后上傳至工廠服務器，用戶可通過工廠內網指定網站查詢此類信息，通過信息化中心對此類數據進行處理后，可實現電子工卡遠程打印功能。

具體實現方案如下：設備設計人員首先登錄工廠服務器網站注冊設備，并按照設備試驗數據要求填寫網絡數據庫并生成數據交互接口文件（注冊參數包括設備編號、測試產品信息、采集數字量信息、采集模擬量信息、設備狀態等）[10]。然后本地在線測量軟件依據注冊參數，按照既定的接口文件格式生成.xml格式的網絡交互文件，并上傳至工廠服務器。網絡服務器端對上傳數據進行解包和處理，并判斷格式是否符合要求，如果符合則永久保存；否則退回并在注冊界面顯示“上傳失敗”提示信息。完成數據上傳后，用戶可登陸指定網絡界面查閱相關試驗數據。試驗監控界面如圖5所示，界面顯示試驗所有數據。

圖5 實驗數據顯示界面

3 試驗驗證

具體試驗驗證：1）溫度。常溫實驗時，通過散熱器介入，油溫在15～60 ℃可控，滿足要求；9.5 min左右可通過小循環自循環加熱，將油溫升至132 ℃，滿足要求。2）加力泵轉速。通過直流調速器調整主電動機轉速在0～3000 r/min連續可控，保證加力泵轉速在0～30 000 r/min連續可控，滿足要求。3）燃油進口壓力。通過調整臥式離心泵變頻電動機的驅動頻率，確保加力泵進口壓力PH1=0～1 MPa連續可調，滿足要求；通過調整地面航材泵變頻電動機的驅動頻率，確保主調模擬供油壓力PH4=0～5 MPa連續可調，滿足要求。4）回油壓力。通過調整背壓閥，保證穩定回油壓力PH6=（0.25±0.05）MPa，滿足要求。5）加力泵出口流量。選用的臥式離心泵流量為830 L/min，加力泵大狀態試驗流量為46 154～48 077 L/h，滿足要求。6）流量測定范圍驗證。選用的質量流量計測量范圍為1000～60 000 L/h，滿足1000～52 000 L/h流量檢測要求。

4 結語

本文以國產華研工控機為基礎，并基于LabVIEW系統開發了該試驗臺的測控系統，實現了加力泵測試過程中的多通道數據采集、數據處理、數據儲存等功能。最后以PLC作為下位機，以LabVIEW平臺作為上位機，利用OPC技術實現了下位機與上位機之間的數據通信，編制了下位機與上位機相結合的測控系統程序；其中PLC模塊主要負責數據的采集，LabVIEW則完成數據的處理、顯示及保存等。試驗結果表明：該試驗臺的功能全面，不僅滿足加力泵的測試精度要求，而且測試過程簡單，操作方便，也避免了人為操作錯誤，效果良好，因此證明了本文的設計思路和設計方法是正確、可行的。