涡轮喷气发动机冷态运转控制系统设计

2018-11-20袁书生蒙礼功

装备制造技术 2018年9期

袁书生，蒙礼功

（广州民航职业技术学院飞机维修工程学院，广东广州510403）

0 引言

高职院校航空机务维修专业主要面向民用航空器维修企业，培养从事民用飞机机械系统、电气系统和动力装置一线维修工作的高素质技能型专门人才。根据专业对应工作岗位群的技能要求，机务维修专业应该开设航空发动机试车实训课程[1]。

航空发动机试车培训是一个综合性培训项目，要求学员必须具备相关的飞机和发动机知识[2]。高职院校学生刚刚开始系统学习飞机和发动机的知识，基础知识尚不牢固，如果使用虚拟设备来进行发动机试车实训教学，在没有实物的情况下“纸上谈兵”会使学生理解起来很困难甚至无法理解。对于复杂事物的学习，按照“从易到难，从具体到抽象”的方式会取得好的学习效果，反之必然会造成学习困难和效率低下[3-5]。因此，高职院校的航空发动机试车实训课程应该采用真实的发动机来进行初始试车培训。

发动机热态工作时噪音很大、运行成本高、并且存在很大的安全风险，不适合用于学校教学[6]。为了达到校园环境下的使用要求，可以对发动机进行适当改装，使发动机能够进入冷态的恒速运转状态，以这种状态来模拟发动机起动后的运行状态，从而实现使用真实发动机进行试车教学的目标。

1 冷态运转控制系统设计实例

1.1 起动机类型选择

冷态运转是发动机在起动机驱动下进行的运转。根据发动机和飞机的不同要求，起动机的种类和功率来源也不同，燃气涡轮发动机常用的起动机主要有三种类型：空气涡轮起动机、电动起动机、燃气涡轮起动机。不同类型的起动机工作特点不同，需要配套的设备也不同，由于校园环境下使用的特殊性，需要先选择起动机类型，再根据起动机类型去选择适合的发动机。燃气涡轮起动机运行时噪音大，无法在校园环境下使用；空气涡轮起动机需要有气源才能工作，当发动机在地面台架上进行试车时，需要配备价格昂贵的地面气源车才能进行起动，配套成本太高，也不适合用于高校教学；电动起动机可由地面电瓶供电，配套设备的成本较低，工作时噪音小，适合在校园环境下使用。可见，发动机试车实训教学应该采用使用电动起动机的发动机。电动起动机主要用于小推力/功率发动机，这类发动机也是国内高职院校实训教学广泛使用的发动机。

1.2 冷态运转控制系统设计方案

某型涡喷发动机是国内航空院校实训教学中使用最广泛的机型之一，它的起动机为电动起动机，下面以这种型号发动机作为实例，说明发动机冷态恒速运转的实现方法。

该型号发动机的主要部件见图1，起动发电机既是起动机又是发电机，它通过附件传动机匣传动发动机转子。电动起动机是一台直流电动马达，通过附件传动机匣内的减速齿轮、棘轮机构、离合器与发动机连接，当发动机达到自维持转速后能自动脱机。在起动过程中，由起动箱按照规定的时间程序，自动控制各接触器、继电器的工作给起动发动机供电，无论起动成功与否，30 s后自动切断起动发电机供电，见图2.

图1 涡喷发动机的主要部件

发动机冷态运转的实现方案是在发动机原有起动电路的基础上加装一个超控电路，电源可以不经过起动箱直接给起动发电机供电，继续带动发动机至恒速运转状态。使用继电器控制超控电路接入时间点和运行时间，保护起动发电机不会因起动扭矩过大或工作时间过长而损坏[7]。图2为改装后的发动机起动电路图。

图2 改装后的起动电路原理图

1.3 超控电路的工作过程

发动机启动时，K4电门闭合（由试车台上的启动电门控制），28 V电源和12 V电源分别给发动机原有启动电路和超控电路供电。起动发电机在起动箱的控制下进入正常起动程序，同时时间继电器JS1、JS2开始触发并计时。在K4电门闭合后30 s内，将K5电门闭合，地面电瓶经过电门K5、继电器JS2给继电器JS3供电，使其常开触点吸合，电源供电至继电器JS1的触点，此时超控电路未接通。K4电门闭合后30 s时，继电器JS1的触点吸合，电源供电至继电器J3，并使其常开触点吸合，超控电路接通。地面电源直接通过继电器J3给起动发电机供电，完成对起动箱的超控，发动机进入冷态恒速运转状态。

发动机进入冷态恒速运转状态后，有两种停车方式。一是把电门K5断开时，继电器J3常开触点随之断开，切断超控电路，发动机停车。二是自动停车，继电器JS1触点在（30+T）s后自动断开，继电器J3常开触点随之断开，切断超控电路，发动机停车。

1.4 超控电路接入时间点的控制

发动机原有的起动电路采用了分级起动的方式来起动发动机，在起动的过程中采用降压起动、电源串并联转换等方式，避免起动功率过大损坏起动发电机。而加装的超控电路则是直接给起动发电机供电，不能单独使用，必须和原有启动电路配合使用。即必须由发动机原有起动电路完成起动后再接入供电，过早或过晚接入供电，都可能会损坏起动发电机或传动装置。因此必须准确控制超控电路接入的时间点。

超控电路接入的时间点由继电器JS1、JS2、JS3来控制。电门K5接通超控电路才能启用，正确的操作是在电门K4闭合后30 s内接通电门K5，此时继电器JS3接通，继电器JS1控制超控电路的接入时间。继电器JS1设置为触点在电门K4闭合30 s后吸合（发动机原有起动电路已经完成起动），使超控电路不能过早接通。如果出现错误操作，在电门K4闭合30 s后才接通电门K5，超控电路接入就存在损坏起动发电机的风险，继电器JS2、JS3的作用是使电路不能接通。此时继电器JS2的触点已经断开，继电器JS3的触点无法吸合，电路不通，避免了超控电路过晚接通。

1.5 起动发电机连续工作时间控制

起动发电机连续工作时间是有限制的，超过规定时间就会损坏起动发电机。起动发电机单次连续工作时间由继电器JS1控制，继电器JS1的触点在触发后30 s接通、（30+T）s后自动断开，起动发电机单次连续工作时间最长为（30+T）s.T的具体数值根据发动机试车手册的规定进行设置，该型涡喷发动机的起动发电机连续工作时间不能超过5 min，减去正常起动的时间30 s，T的最大值为270 s.

2 发动机冷态运转测试

2.1 测试条件

发动机进行了起动系统、燃油系统、空气系统的改装。改装后的发动机安装到配套的冷态运转试车台上，控制电路、指示系统与试车台上的设备连接，由28 W的地面电瓶组给起动系统供电，试车台可以对发动机进行控制，并显示发动机的参数，见图3.

图3 测试发动机与试车台

2.2 冷运转测试

（1）干冷转测试

将发动机起动方式设置为干冷转，把起动电门旋转到起动位，发动机执行冷运转程序，运转正常，30 s完成起动循环，自动停车。发动机转子转速最高达到1 000 r/min，声音低沉，在现场稍有震撼感，不会对校园内老师和学生的工作、学习、生活造成影响。

（2）超控运转测试

超控运转测试进行两次，JS1的参数T分别设置为120 s和240 s.

第一次测试起动发电机运行时间为2′30″，发动机的起动电路与超控电路在起动30 s后顺利交接，接替工作时发动机运行平稳，未感觉到发动机的运行状态发生明显变化，发动机加速至1 000 r/min后维持在这一转速下运行，声音低沉，无噪音污染。运行至2′30″由时间继电器JS1自动切断供电停车。

第二次测试发动机运行状态与第一次测试基本一致，当发动机运行至4′15″时，试车人员将电门K5断开，起动发电机超控电路断电，发动机减速停车。

2.3 教学应用说明

在发动机上能够进行起动前的准备和检查项目教学。在演练试车程序时，操作者在试车台上完成所有的操作，能够像在飞机驾驶舱内一样控制发动机的运转（冷态运转替代热态运转），达到基本相同的视听效果。具体操作主要是在试车台上完成，故不再累述。发动机单次可连续运行5 min，能够完成一个或多个教学子项目，停车后需要的冷却时间也不长，因此能够满足试车教学的需要。