自制航空发动机VBV防喘系统模拟教学实验台

闫 锋, 石永强

(中国民航飞行学院 航空工程学院, 四川 广汉 618307)



自制航空发动机VBV防喘系统模拟教学实验台

闫 锋, 石永强

(中国民航飞行学院 航空工程学院, 四川 广汉 618307)

航空发动机喘振是气流失稳的一种严重表现,直接威胁到飞行安全。为了辅助专业课程教学,将这一个抽象的物理现象形象地演示出来,设计和构建了航空发动机VBV防喘系统教学模拟实验台。依据VBV实物的工作原理,模拟航空发动机的压气机进出口压力的变化,通过GC30传感器采集这些信号,并送到事先写入控制程序的芯片MSP430中,当气体信号触发阀值时微处理器将自动发出作动舵机的命令,打开放气活门，实现模拟航空发动机喘振时VBV打开防喘的过程。反之,放气活门自动关闭。通过LabVIEW软件显示,实验台模拟VBV系统可行。

航空发动机; 实验台； 流场失稳; VBV; 防喘

喘振是燃气轮机一种非正常的工作状态，对于航空燃气涡轮发动机影响同样巨大,甚至直接影响到飞行安全。喘振相关理论知识晦涩难懂,防喘措施也很难见到实物和真实的工作过程。为了解决这个问题,提高教学效果,扎实学生专业基础,激发学生对枯燥知识的兴趣,培训学生创新意识,开展了该课题的研究工作。

在轴流压气机中流动的气流如果不能稳定流动,可能会使得压气机出现失稳状态。喘振是一种严重的旋转失速现象,由于轴流式压气机整体气流的压强是沿着轴向增加的,在发生严重的旋转失速的时候造成气流量下降,若是后来进入的气流没有足够的动能克服气流回流的趋势,气流就会发生逆向流动;而这样的流动使得压气机后面的气流减少,消除了原来的压强差,又开始正向流动;而这时依然是不稳定的状态,又会发生严重的旋转失速,后面的高压气体再次冲了回来,造成气流在压气机中来回振荡,就是喘振现象[1]。

根据各个防喘措施的机理和特性,防喘措施的应用也有所不同。在常用的三种轴流式压气机的防喘措施中,双(或三)转子发动机的实际结构比较复杂,特别是三转子结构的发动机目前主要英国的罗尔斯·罗伊斯发动机公司的几款大发动机使用;可调静子叶片在防喘方面的实际作用和效率都非常可观,但是其作动机构比较复杂,对偏转角度精要求高,对喘振探测和分析的方法逻辑有比较高的要求;相比而言，放气活门虽然对于防喘的效率方面比较不如前两者好,但考虑到喘振发生的阶段对发动机的性能要求而言一般发生在发动机的起动过程当中以及停车中,对其巡航性能影响不大,所以放气活门依然得到广泛的应用。对于轴流式压气机而言,整个增压比在不超过4.5的情况下,不论从需要模拟的结构以及模拟的效果来看,双转子发动机和可调导向叶片对增压气体的压力影响都不如放气活门[2-4]。为了增加实验效果的明显性和方案的可行性,防喘选择放气活门是最佳的。

1 实验台设计方案

首先分析防喘信号的测定、传递、分析、执行防喘方法的整个过程,以确定实验台搭建的原理图,接着对所需的软硬件进行分别突破,最后用编写的程序将软硬件结合,并且通过对程序的调试达到预期的模拟效果。

实验台的预期目标是模拟发动机的VBV防喘系统的工作过程,模拟发动机通过在压气机出口对压力的信号采集、设定阈值来模拟喘振发生的信号,通过微处理器自动将信号值与阈值进行比较并发出打开活门的命令,通过放气活门的打开/关闭,改变所测压力的大小,模拟喘振发生时退喘的工作过程[5-8]。VBV防喘模拟系统的设计原理框图见图1。

图1 VBV防喘模拟系统的设计原理框图

2 实验台硬件

实验台的设备选择是整个实验重要部分,这不但关系到实验台搭建的方向,也直接影响搭建实验台的成功与否。所以,在实验的设备选材方面经过了多次的讨论分析。对实验台搭建设备中气源、传感器、作动机构微处理器以及数据采集卡的选择最重要,也是讨论最多的部分。

2.1 气源

考虑到实验过程中需要对气源的压力进行改变来模拟喘振时的气流变化,因此气源气流的改变需要比较方便，同时要保证其安全性和方便性。经过筛选，最终选择了涵道风扇。涵道风扇较同样直径的孤立风扇能产生更大的升力,且风扇环括在涵道内,既可阻挡风扇气动声向外传播,又结构紧凑,安全性高。本实验台选择的是64 mm无刷(外转电机) F2839-4500-64涵道风扇,如图2所示，F2839-4500-64规格参数：直径64 mm，电机电压4.5 V,工作电流40 A左右(3S情况下)全油门最大推力6.9 N。配有狮牌LION POWER 11.1V锂电池,如图3所示；蓝宇四通道遥控器(专业通用级),如图4所示。由以上设备组成控制组件和电源系统。

图2 涵道风扇

电池型号LIONPOWER11．1V锂电池电池类型聚合物充电锂电池电池容量2200mAh尺寸108mm×34mm×23mm插头类型T插头，平衡充插头设计持续电流50A最大电流65A质量178g图3 狮牌LIONPOWER11．1V锂电池及参数

名称电源遥控距离全套设备蓝宇四通道遥控器8节1．5V5号干电池约500m发射机1台接收机1个晶体1对图4 蓝宇四通道遥控器及参数

2.2 传感器

传感器的选择是在对气源系统确定之后选择的,最先开始的时候没有考虑传感器的精度,直接选用工业传感器,在进行测试的过程当中由于精度和气源压力不匹配,造成信号无法采集。通过计算得到涵道风扇对气流增压值在Pa级,传感器的选择改用量程1～500 Pa、精度为1 Pa、12～24 V直流电源供电的GC30传感器，如图5所示。

2.3 作动机构

作动机构是整个实验台的执行机构,需要对活门打开的角度进行控制。在实验的初期直接选择步进电机,但是后来通过对气源的选择之后决定改用舵机,相比步进电机,舵机驱动的扭矩能够达到要求,同时舵机

图5 GC30传感器

还有体积小、安装方便、驱动角度在程序中容易控制的特点。舵机及参数如图6所示。

工作电压3．5V～6V无负载操作速度0．12s/60°(4．8V)死区设定4μs堵转扭矩1．98kg·cm(4．8V)尺寸22．6mm×21．8mm×11．4mm使用温度-30℃～+60℃图6 舵机及其参数

2.4 微处理器

微处理器是对阈值设定和将阈值与信号比较的处理器件,是实验台的大脑部位。由于作动机构使用的是舵机,用PWM波的占空比决定舵机的旋转角度,采用可以产生PWM波的MSP-430开发板,通过编程,实现作动机构的要求。图7是MSP-430开发板。

MSP430系列单片机的特点:强大的处理能力,MSP430 系列单片机是一个16 位的单片机,采用了精简指令集(RISC)结构,具有丰富的寻址方式(7 种源操作数寻址、4 种目的操作数寻址)、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令;大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算;还有高效的查表处理指令;有较高的处理速度,在8 MHz晶体驱动下指令周期为125 ns,运算能力较快。MSP430单片机之所以有超低的功耗,是因为其在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。这些特点保证了可编制出高效率的源程序[9-10]。

图7 微处理器MSP430开发板

2.5 数据采集卡

数据采集卡主要负责将压力传感器的信号波形图进行显示,显示平台的软件使用的是LabVIEW软件,所以采集卡必须支持和LabVIEW软件的连接。

MPS-010501数据采集卡(见图8)是一款基于USB总线的多功能数据采集卡,具有4路差分模拟信号采集、1路模拟信号输出和8路数字信号输入/输出。MPS-010501采用 USB2.0高速总线接口,总线极具易用性,即插即用,是便携式系统用户的最佳选择。MPS-010501可工作在 Win9X/Me、Win2000/XP 等常用操作系统中,并提供可供VB、VC、C++、LabVIEW等常用编程语言调用的动态链接库,编程函数接口简单易用,易于编写应用程序。

图8 MPS-010501数据采集卡

搭建成的实验台如9图所示.实验台搭建的最终成果。

3 实验台的软件

该实验平台的软件主要分为2个模块:一是显示信号波形的LabVIEW软件,二是对微处理器MSP430开发板的烧录工具。对于机械专业的学生来讲,这2个软件是对非专业知识的综合应用。

3.1 LabVIEW软件

LabVIEW软件是一种用图标代替文本行创建应

图9 航空发动机VBV防喘系统模拟教学实验台

用程序的图形化编程语言。传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序,而 LabVIEW 则采用数据流编程方式,程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序。VI指虚拟仪器,是 LabVIEW 的程序模块。

LabVIEW 提供很多外观与传统仪器(如示波器、万用表)类似的控件,可用来方便地创建用户界面。用户界面在 LabVIEW 中被称为前面板。使用图标和连线,可以通过编程对前面板上的对象进行控制。这就是图形化源代码,又称G代码。LabVIEW 的图形化源代码在某种程度上类似于流程图,因此又被称作程序框图代码。主要特点:尽可能采用了通用的硬件,各种仪器的差异主要是软件。可充分发挥计算机的能力,有强大的数据处理功能,可以创造出功能更强的仪器。用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器[11-13]。

在本实验中对传感器采集到的气流波形通过采集卡与LabVIEW软件连接,将波形图显示在VI面板上。程序框图如图10所示。

图10 LabVIEW程序框图

3.2 IAR软件和MSP430BSL

软件嵌入式IAR Embedded Workbench是一个非常有效的集成开发环境(IDE),它使用户充分有效地开发并管理嵌入式应用产品。该软件提供一个框架,任何可用的工具都可以完整地嵌入其中,IAR工具可以为用于8位、16位以及32位的微处理器。本文用到的高度优化的C/C++语言编译器,IAR编辑页面和C/C++语言编译器基本一致。实验台控制程序流程图见图11。

图11 实验台控制程序流程图

对于MSP430BSL软件,首先确定BSL的意义。BSL(bootstrap ioader)是MSP430FLASH系列单片机独有的一项功能。在程序空间、RAM之外有1 KB左右的引导区,用来存放430的BOOTROM文件(这是一个引导ROM,类似网卡上的BOOTROM)。当外界给芯片提供一种特定的激励时,芯片内的引导程序开始工作,引导外部数据写入片内ROM、RAM区,或者是发送片内数据到外部。这些都是通过软件UART来完成的。如果是Flash系列的单片机,则Flash空间包含了ROM和RAM。控制程序是固化在BOOTROM空间内,而且是一个用户不能直接使用和修改的存储空间。430BSL的主要原理是通过芯片上电特殊复位后,引导片外代码烧录到片内Flash中,完成系统编程的。包括一些补丁程序所做的修改,都在REV3.0软件上做了改进。图12为MSP430BSL软件的页面,通过装载烧录文件,将程序写入到MSP430中,通过执行键将载入的程序进行执行。

图12 MSP430BSL软件的页面(实验程序烧录)

通过以上2个软件的结合,将编写的程序导入到MSP430中,然后对实验台进行测试,并且更改程序中的参数,达到稳定运行的处预期结果。

4 实验结果与分析

在实验台搭建完成之后,对程序做了调试工作,保证了实验的效果。

(1) 活门打开情况。开始推动涵道风扇的油门控制杆,涵道风扇的转速不断升高,压差传感器GC30的显示压差值不断升高,在压差传感器输出的模拟值达到2.4 V(通过电压显示模块显示)时,舵机自动偏转90°进行放气模拟,大约3 s后舵机自动复位;随后不断增加油门,涵道风扇的转速不断增加,当压差传感器GC30的显示模块显示达到450 Pa左右时开始收油门,涵道风扇转速降低,在压差传感器输出的模拟值达到2.4V时,舵机自动偏转90°进行放气模拟,随后大约3 s后,舵机自动复位,这是对发动机停车过程中的喘振的模拟。

(2) LabVIEW软件显示情况。在实验中,LabVIEW软件通过程序编写,用来显示实验过程当中气流压力的变化，如图13、图14、图15所示。图中X坐标表示时间,Y坐标表示1路差分信号的电压信号的大小。显示时根据设置自动调整Y轴坐标,所以相同的长度单位不表示相同的变化量。

图13 气流流速稳定时的波形图(起动之时)

图14 气流流速快速变化时的波形图

图15 气流流速缓慢变化时的波形图

5 结束语

本实验平台最终完成了对VBV防喘系统的模拟工作,可以实现在压力变化到设定的门槛值的时候,放气活门能够在涵道风扇转速上升和下降的过程中的自动打开与关闭,基本与实验预期匹配。在整个实验台的结果上可以得到在接收到信号指令时,放气活门的打开完全能够实现。这虽然是一个简单的实验台,但其功能在实际中依然适用。不论情况多么复杂,只要能够将所需要的实况数据处理达到技术要求,就能将防喘的放气推进到喘振发生前。不过，实际中所需的算法以及对传感器的精度等要求都比该实验台的高得多,比如现在用到的行波能量法、结构函数法、小波分析法等对压力信号进行分析,大多是捕捉失速前的脉尖扰动或模态扰动,因而需要将各个算法进行集中,能够实现真正意义的防喘。

References)

[1] 尚义.航空燃气涡轮发动机原理[M].北京:国防工业出版社,1981.

[2] 彭泽琰,杜声同.航空燃气轮机原理[M].北京:国防工业出版社,1989.

[3] Kulyk,Mykola.Effect of hysteresis in axial compressors of gas-turbine engines[J].AVIATION,2012,22(4):108-116.

[4] 贺耳铭.民用航空发动机控制原理及典型系统[M].北京:国防工业出版,2002.

[5] 秦鹏译.轴流压气机气动设计[M].北京:国防工业出版社,1975.

[6] 王志强，胡骏，王英锋.高压压气机低速模拟试验[J].航空学报,2012,33(5):828-838.

[7] Geitner F K. Monitoring Compressor Conditions [J].Pipeline and Gas Technology,2008,30(2):56-63.

[8] 唐继贤，杨扬.MSP430超低功耗16位单片机开发实例[M].北京:北京航空航天大学出版社,2014.

[9] 陈树学,刘萱.LABVIEW宝典[M].北京:电子工业出版社,2006.

[10] 韩萍,康健.基于LabVIEW的信号处理技术应用演示及实验系统设计[J].实验技术与管理,2010,27(7):99-103.

[11] 沈建华,杨艳琴.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008.

[12] 曾成,伍萍辉,刘艳萍.基于虚拟硬件环境的单片机原理与应用实验开发[J].实验技术与管理,2011,28(2):91-93.

[13] 赫建国,葛海波,郑燕.MSP430微控制器基础和应用设计[M].北京:电子工业出版社,2013.

A self-made simulation teaching test bench of aero-engine VBV anti-surge system

Yan Feng, Shi Yongqiang

(Aviation Engineering Institute,Civil Aviation Flight University of China, Guanghan 618307,China)

Surge is one of terrible flow field instabilities for aero-engine,it threats to the flight safety.To aid major courses teaching,and to demonstrate visually abstract physical phenomenon,a teaching simulation bench of VBV anti-surge system is designed and constructed.Depending on real VBV system, this article describes how to simulate compress variation at import and export of compressor of aero-engine,pick up these signals by a GC30 sensor, and deliver these signals to an MSP430 chip with a control program.When air signal triggers threshold microprocessors,it will automatically send actuation servo commands, and open the bleed valve.Finally, it realizes the simulated aircraft engine surge, the VBV opens to remove surge,and vice versa.The obtained results by LabVIEW software show that this test bench of the VBV system simulation is feasible.

aero-engine; test bench; flow field instability;VBV;anti-surge

2014- 06- 09 修改日期：2014- 08- 07

国家级大学生创新创业训练计划项目(201210624061)；中国民航飞行学院青年基金项目(Q2013-38)

闫锋(1981—)，男，山东鱼台，硕士，讲师，研究方向为民用航空发动机性能监控.

E-mail：yfcafuc@aliyun.com

V235；G484

A

1002-4956(2015)2- 0101- 06