直升機地面氣源控制系統設計

祝澤強 吳雙金 馬子生

（中國直升機設計研究所 江西省景德鎮市 333001）

1 引言

作為極具特色的旋翼航空器，直升機以能進行低空、低速、高機動性飛行和垂直起降等突出特點廣泛應用于軍民領域品；而且，隨著直升機技術的發展以及市場需求的不斷增長，直升機逐漸受到社會公共事業、民眾生產生活等諸多領域的重視[1]。作為直升機重要系統之一，發動機起動系統對直升機的使用性、安全性等性能有著至關重要的影響，發動機起動系統分為兩類：一類是電起動系統，另一類是空氣起動系統。對于無人直升機、較小功率或較小噸位的直升機而言，一般采用電起動系統，使用28V 地面電源作為電起動動力, 地面電源失效后，可以使用蓄電池進行代替使用[2]；對于大噸位大功率的直升機而言，采用空氣起動系統，該系統通過輔助動力裝置APU（Auxiliary Power Unit）或者地面氣源站提供起動機所需要高溫高壓的氣體，將發動機帶轉到慢車狀態[3]。

直升機地面氣源站系統是屬于直升機發動機起動系統的專用保障設備，地面氣源站只有在APU 啟動損壞或失效的前提下才會使用，實現通過氣源正常啟動發動機的功能，保障發動機通過高溫高壓氣壓完成正常啟動工作[4]。發動機快速、可靠地起動是直升機正常運行以及安全飛行的重要前提，發動機的地面起動性能直接影響著直升機的整體性能[5]。所以無論是直升機機場、停機坪，還是地面聯合試驗臺都需要配置相應地面氣源站，以保證直升機發動機的正常起動，而控制系統直接決定了地面氣源站的功能及性能，因此進行直升機地面氣源站控制系統設計有著必要性。本文以某型號直升機的地面聯合試驗臺發動機起動系統為對象，進行地面氣源站控制系統的設計，并進行試驗驗證，進行實測結果分析，保證控制系統的設計效果。

2 地面氣源控制系統原理

地面氣源站系統的工作方式是地面氣源站與發動機起動系統使用供氣軟管通過單向閥接口進行連接，為發動機起動系統提供一定流量和壓力的穩定氣流，帶動起動機工作，起動機再通過齒輪箱帶動發動機工作，從而使得直升機發動機正常起動[6]。地面氣源站控制系統由氣壓系統、油路系統以及控制系統組成，核心組成設備包括螺桿式變頻空壓機、離心式油氣分離器、空氣加熱器、西門子可編程控制器（PLC）、液晶觸摸屏以及上位機等。

氣壓系統是地面氣源站的重要部分，其功能是提供具有一定溫度和一定壓力的穩定氣源，其工作原理是空氣通過空氣過濾器濾清空氣中的雜質，通過進氣閥到達螺桿式變頻空壓機，氣壓壓力升高后與潤滑油形成油氣混合物，經過止逆閥進入離心式油氣分離器，分離過后氣體經過三級精密過濾器逐級過濾后再進行干燥、加熱，最終形成滿足技術要求的氣源供給起動系統，工作流程如圖1 所示；油路系統主要起到潤滑、密封和冷卻的作用，其工作流程是在空壓機內與凈化后的空氣形成油氣混合物，經由油水分離器分離后通過兩級過濾器和冷卻器回到空壓機主機內，最終形成閉環油路，油路系統工作原理如圖2 所示。控制系統是地面氣源站的核心系統，其主要功能是完成對地面氣源站電機和各類控制閥的邏輯控制、完成各個傳感器信號（如：壓力、溫度等）相關參數的采集和顯示，過溫、過壓等報警功能。

圖1：氣壓系統工作流程圖

圖2：油路系統工作原理圖

3 系統設計

圖3：程序流程圖

直升機地面氣源車控制系統設計包括氣壓控制系統、油路控制系統、控制軟件三大部分的設計，主要是控制系統的氣源流量、氣壓和溫度，以保證提供的氣源能滿足直升機發動機起動系統的技術要求，以某型號直升機地面聯合試驗臺發動機起動系統為設計對象，根據該型號起動系統地面氣源站的技術要求指標進行詳細設計，判斷地面氣源站設計成功與否的指標為燃氣渦輪轉速能達到20000rpm 以上，并且發動機能在1 分鐘之內正常起動。地面氣源站技術要求如表1 所示，其中容積流量、質量流量、工作壓力以及出口溫度是系統設計最為關注的性能指標，直接決定了地面氣源站系統設計的成功與否。此外，還要求地面氣源站能滿足一定的安全性和可靠性要求。該套控制系統由工控機、以太網交換機和西門子可編程控制器組成，工控機通過以太網交換機與PLC 連接，可以完成對現場各設備的遠程控制和監視[7]。

3.1 氣路控制系統設計

根據起動系統技術要求以及氣路系統的工作流程進行氣路系統設計， 氣路系統主要由空氣過濾器、螺桿式變頻空壓機、止逆閥、油氣分離器、三級精密過濾器、干燥器、緩沖罐、加熱器以及流量計組成,需要控制進氣閥的開關狀態、空壓機運行狀態、干燥器以及加熱器的工作狀態，監控油氣分離器最小壓力閥狀態、三級過濾器等閥件的工作情況。氣路控制系統主要完成螺桿式空壓機和各類控制閥的邏輯控制，完成各個傳感器信號相關參數的采集和顯示，還應具有過溫、過壓、報警等功能。

3.2 油路控制系統設計

油路系統主要包括油氣分離器、粗過濾器、油泵、溢流閥、溫控閥、油冷卻器以及油過濾器等組成，油路控制系統主要控制油泵的啟停、油路的溫度以及油冷卻器的運行狀態，保證潤滑油的純凈度以及潤滑效果。溢流閥能根據壓力自動切換開關狀態，溫控閥是一個三通閥，當油溫溫度高于設定值能自動將油路旁通到油冷卻器中進行冷卻，以保證潤滑油溫度是在允許范圍內，保證潤滑冷卻的效果，兩級過濾器保證潤滑油的純凈度，進而保證壓縮空氣的純凈度以及保護空壓機和油氣分離器。

表1：設計技術指標表

表2：預調試實測結果表

表3：發動機冷轉試驗實測結果表

表4：發動機地慢試驗實測結果表

3.3 軟件設計

軟件編程采用的是LabVIEW 編程軟件，利用其強大的數據處理分析能力和良好的編程環境以及與PLC 的友好兼容特性，可以大大縮短軟件開發時間[8]。本控制系統的核心是可編程邏輯控制器PLC，通過模擬量采集模塊接入到PLC 中進行信號的采集，再通過以太網建立OPC 服務器與PLC S7 的連接，組態成功后在LabVIEW 內綁定變量地址，實現改變上位機變量狀態，達到遠程控制目的[9]。程序流程如圖3 所示。

前面板是人機交互的界面，操作者可以通過前面板對地面氣源系統進行遠程操作以及監控，對運行結果數據進行保存以備后續分析使用。另外，還需具有報警和緊急停止功能。前面板設計包括控制方式區、設備控制參數輸入區以及監視窗口區，控制方式區中可以選擇氣路系統的控制方式，一般選擇自動控制方式，手動控制需改變空壓機變頻器的參數，有一定風險，除特殊情況不要選用手動控制方式；設備控制參數輸入區中可以設定變頻器工作壓力、風機啟停溫度、干燥器啟停濕度、加熱器目標溫度、油冷卻器運行溫度等參數；監視窗口區中可監控系統中各設備的運行狀況以及出口處氣源壓力、流量和溫度實時變化表。前面板設計如圖4、5 所示。

圖4：軟件前面板（手動運行）

圖5：軟件前面板（自動運行）

4 系統實測結果

完成軟件開發后，進行試驗驗證。為了保護直升機發動機和人身安全，首先進行不接起動機的預調試試驗，預調試實測結果如表2 所示。

根據預調試實測結果顯示，系統能穩定工作，能達到設計要求，將地面氣源站系統接入直升機發動機系統，首先進行地面氣源啟動冷轉發動機試驗，根據燃氣渦輪轉速選定合適的氣源壓力（0.38MPa）和溫度（120℃），再進行地面氣源啟動發動機地慢試驗，實測結果分別如表3、表4 所示。實測值中的流量為換算成標況下的流量。

選定合適的氣源壓力和溫度進行三次發動機地慢試驗，發動機起動時間分別為54s、52s 和52s，滿足發動機起動時間范圍要求（小于1min）；燃氣渦輪轉速分別為20588rpm、20746rpm 和20876 rpm，滿足發動機起動轉速要求范圍（大于20000rpm）。綜上所述，地面氣源啟動發動機地慢試驗成功，該地面氣源站設計成功，能滿足直升機發動機的起動要求。

5 結束語

本文詳細介紹了直升機地面氣源控制系統的組成、工作流程和原理。在設計中，采用PLC 作為系統的控制單元，使用LabVIEW作為編程軟件，兩者通過OPC 進行通訊，對油路進行閉環自動控制，氣路采用自動和手動控制兩種方式，完成軟硬件的設計后，進行試驗驗證，結果顯示該地面氣源系統能滿足起動要求。并且，該系統已成功應用于某型號直升機地面聯合試驗，系統準確可靠，能夠使發動機穩定起動，且系統將具有很好的通用性和拓展性，具有很好的應用前景。