航空发动机试车台在本科教学及科研中的应用研究

李勇　韩非非

摘要：文章介绍了航空发动机试车台的原理、组成及其在教学、科研中的重要作用。探索了省属重点高校以优势特色学科为基础，深化教学改革，将教学、科研与工程实践相结合，为飞行器动力工程类本科人才培养提供示范和借鉴。

關键词：航空发动机;试车台;教学改革;科学研究;工程实践

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2020）16-0152-02

一、航空发动机试车台系统简介、工作原理及组成

1.航空发动机试车台系统简介。随着国家经济不断地发展，航空工业无论在军工还是民用上都起着举足轻重的作用。航空发动机作为飞机的动力装置，是飞机的核心部件之一，其性能直接决定了飞机潜力的发挥。航空发动机的发展对国家的科技水平和国防领域起着重要作用，是一个国家科技、工业和国防的综合实力的重要体现。在航空发动机的研制、维修等过程中，航空发动机试车台是必不可少的重要设备。发动机试车台在发动机性能试验、控制系统验证试验等过程中起到了关键作用，不论对新发动机研制、定型，还是故障发动机维修检测等试验中都有着重要用途，可用于综合分析航空发动机的性能是否达到其标准要求。由于航空发动机属于复杂热力机械系统，导致其试车台系统的复杂程度和研制难度也极高。航空发动机试车台的整个系统可分为诸多子系统：发动机整机、电源系统、控制器、燃油系统、机械液压作动系统、数据采集系统、滑油系统等。

2.航空发动机试车台工作原理。航空发动机试车台工作原理如下：在离机状态下，将航空发动机和涡轮起动机固定在发动机试车台上，试车台架上设有燃油、滑油、控制和测试等接口，燃气涡轮起动机经接口与燃油、滑油、控制和测试等系统连接;由计算机控制的燃油供油系统，按控制程序或操作人员指令控制燃油供油量以控制航空发动机工作状态，并且在起动过程控制起动供油量;控制装置控制发动机的转速调节器，以满足工作需要;测试系统将传感器传输的信号，经信号采集电路至计算机，经计算机处理由显示装置指示发动机主要工作参数、工作状态等;安全监控系统监控发动机转速、排气温度、振动值等参数变化情况，达到安全限制值时告警、发动机并自动停车。

3.航空发动机试车台组成。航空发动机试车台可用作航空发动机教学实训台和科研试验平台，试车台架为悬挂式试车台，由动架和定架构成，安装有空气流量管、推力传感器、转速传感器、压气机压力传感器、尾喷管温度传感器、燃油流量传感器等高精度传感器，包含高速计算机数据采集系统、ECU控制器、行程操纵及仪表箱、不锈钢工作台、涡轮喷气发动机，设有控制电路箱、燃料油路箱、工具箱等，配有参数可调的专用软件。航空发动机试车台可对航空发动机的工况进行全面测量。可用于涡轮发动机原理实验教学、100千克推力以下微型航空发动机研究试车、微型航模发动机调试、大学生和研究生创新实验教学培训。

二、航空发动机试车台在教学中的作用

以国家、省部级精品课程建设为目标，发动机试车台对航空发动机主要专业课程所起作用为例进行说明。①航空发动机导论。发动机试车台可辅助教师对新生开展航空发动机的入门教学，通过发动机工作过程中所产生的声、光、热等媒介，使学生对发动机产生整体的、直观的了解，并对发动机的外形结构、工作原理及特性有个初步的认识。②工程热力学。通过发动机数采系统所采集的数据，帮助学生了解发动机关键截面气动参数的变化，进而整体掌握在发动机这一热力机械中气体特性的变化;通过绘制发动机P-V图或T-S图，加深学生对气体动力循环特别是喷气发动机所涉及的布莱顿循环的掌握。③航空发动机原理。利用发动机数采系统所采集的数据，通过计算发动机不同工况的压比、耗油率等发动机关键参数，绘制实际发动机热力循环图并与理想循环进行比较，将发动机的实测参数与学生所计算的发动机参数进行比对、绘制发动机的节流特性等多种形式，加强学生对发动机原理中涉及的基本概念的理解。④工程测试技术。发动机试车台中涉及了多种传感器类型（如推力传感器、转速传感器、空气流量传感器、压气机压力传感器、尾喷管温度传感器、燃油流量传感器等）、信号调理电路、数据采集等，涵盖并辐射传感器的原理及应用、电路基础、数字信号处理、计算机测控技术等课程，所采集的数据也可用作相应课程的用例数据来源，切实加强学生对相应理论知识的理解及应用能力。⑤航空发动机控制。航空发动机控制是飞行器动力工程专业本科生高年级的一门专业核心课程，该课程涉及“航空发动机原理”“自动控制原理”“计算机控制”“电工电子技术”及“液压传动与伺服控制”等诸多课程，是从事航空发动机控制系统设计与实现工作的专业核心课程。该课程综合了大量的专业基础课程，具有承前启后的重要作用。相比与其他控制专业类课程，还具有一些显著的航空发动机专业特点。课程教学中一项重要内容是讲解发动机控制系统的结构、工作原理等，在不便于实物展示的情况下，依靠传统教学手段，学生往往不能直观深入地理解教学内容。由于课程设置、教研经费投入等方面的局限，现有的航空发动机控制系统教学科研试验平台已经远不能适应现代航空发动机控制系统设计的内在要求。对航空发动机这样一个复杂且变化多的热力机械过程如不加以控制，航空发动机是根本不能正常工作的。该型发动机试车台包括了典型反馈控制系统所涉及的所有部分，如指令给定装置、控制器、测量装置、被控对象（发动机），有助于学生真实直观地了解实际控制系统的构成以及具体的控制过程。

三、航空发动机试车台在科研中的作用

以项目申报、基金申报的条件建设为目标，从航空发动机总体、控制等专业所涉及的航空发动机数学模型、基于模型的发动机控制设计等方向出发，说明基于发动机试车台可以进一步开展的科研工作。①航空发动机数学建模。航空发动机控制系统是用以保证发动机能够在任何工作环境和工作条件下都能稳定、可靠运行的复杂系统。目前在掌握航空发动机特性的条件下，控制系统多基于发动机模型进行设计。在基于模型的发动机控制系统设计中，控制系统的性能直接取决于发动机模型的精度，通过提高建模的准确性可以显著提高控制系统设计的可靠性并改善发动机的控制性能。借助于数值计算方法，可以建立发动机数学模型。利用发动机数据采集系统所采集的数据，可对所建立的发动机模型开展进一步修正工作以提高模型的精度;利用修正好的发动机模型可以开展发动机全飞行包线内的高度特性、速度特性、节流特性研究。借助发动机模型的发动机分析研究不同工况下参数的变化，可进一步加深对发动机工作的理解。②基于模型的航空发动机控制设计。基于模型的发动机控制（MBEC）作为现代航空发动机控制系统设计一种常见方式，可以有效地提高发动机控制系统设计的效率。基于发动机模型，可以快速开展航空发动机稳态控制器设计、过渡态控制规律优化、限制保护器设计、控制逻辑设计及闭环控制综合，能有效地对所设计的控制方案、控制算法等进行快速验证。

四、结论

航空发动机试车台旨在为飞行器动力工程专业的工科学生提供技术领先，性能卓越的创新教学及科研实验平台，基于该航空发动机试车台构建的教学、科研建设平台方案.该航空发动机试车台应用到教学工作当中，可以让学生快速直观地看到基础理论被验证，控制算法被实现，在一个安全形象的环境当中学习理论知识的同时学以致用，寓教于乐，培养学生的实际动手能力，也有利于培养学生的实践能力、分析和解决问题能力、设计能力和创新意识。此外，航空发动机试车台作为科研基础条件，为国家自然科学基金、省科技厅、教育厅等基金项目的申请和研究也提供了有力的支撑。

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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：郑州航空工业管理学院教育科学研究基金（项目编号Zhjy19-53）

作者简介：李勇（1986-），男，河南驻马店人，讲师，博士，主要研究方向是航空发动机控制系统设计、固冲发动机能量管理、燃气发生器流量调节控制方法研究。