研究教育用微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

摘 要 微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是代替大中型燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的可行方案。為研究發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)、渦輪效率特別是繪制特性曲線，搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，探討微小傳感器探頭等問(wèn)題，該實(shí)驗(yàn)可作為燃?xì)鉁u輪課程的綜合實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞 微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī);測(cè)試實(shí)驗(yàn);數(shù)據(jù)采集;電子控制單元ECU

前言

隨著燃?xì)廨啓C(jī)越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，許多能源電力、航空航天等專業(yè)需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。但并非所有學(xué)校都有能力通過(guò)運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)提供實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)。建立大中型燃?xì)廨啓C(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)投資巨大。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的要求與發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸成正比，微型噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)是很好的替代品，這樣可以大大降低測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的成本。

1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)

（1）微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)成本與獲得的壓力比和推力成正比，本文采用的發(fā)動(dòng)機(jī)在海平面靜態(tài)條件下具有14公斤的最大推力。所選發(fā)動(dòng)機(jī)的規(guī)格為：?jiǎn)渭?jí)離心壓氣機(jī)、蒸發(fā)管逆流環(huán)形燃燒室、單級(jí)向心渦輪、收斂形尾噴管、空氣流量0.4千克/秒、壓比4、最大推力140牛 （轉(zhuǎn)速12萬(wàn)轉(zhuǎn)/分）、怠速推力4牛 （3萬(wàn)轉(zhuǎn)/分）、最高排氣溫度600℃、耗油率330克/分、Jet A1煤油燃料、一桿油啟動(dòng)、Mobil Jet2或Exxon 2380潤(rùn)滑油、燃油潤(rùn)滑混合比20：1、?115mm×320mm。此外，還有供油、啟動(dòng)、電子控制單元（ECU）等系統(tǒng)[1]。

（2）測(cè)試實(shí)驗(yàn)硬件系統(tǒng)。整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)有上中下3個(gè)區(qū)域，包括顯示器、發(fā)動(dòng)機(jī)固定和推力測(cè)量臺(tái)、防爆屏、進(jìn)排氣管系統(tǒng)、在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、傳感器和電源系統(tǒng)以及電子控制器、燃料以及數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)。如圖1所示。

在發(fā)動(dòng)機(jī)氣流中安裝了皮托管、熱電偶、壓力、流量等傳感器。測(cè)量的數(shù)據(jù)有：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、推力、排氣溫度、大氣壓力、溫度、濕度、壓氣機(jī)進(jìn)出口壓力溫度、渦輪進(jìn)出口壓力溫度、油門(mén)量、油泵電壓、耗油量、油箱油量等。

發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)采用懸吊方式，保證推力的測(cè)量精度在0.1%。采用微型溫度和壓力傳感器，保證流道堵塞在總流動(dòng)面積的1%以下，減少探頭對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣流的影響，在最大發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，總壓測(cè)量誤差小于0.05%。

（3）測(cè)試軟件系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以獲得發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性曲線，包括：轉(zhuǎn)速與各部件效率、轉(zhuǎn)速-進(jìn)氣量、轉(zhuǎn)速-壓力、轉(zhuǎn)速-推力、轉(zhuǎn)速-油耗等曲線，還能產(chǎn)生部件效率與上述量的衍生關(guān)系曲線。如圖1所示。圖形界面顯示發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)和控制狀態(tài)，自動(dòng)生成的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行線，界面還包括控制參數(shù)、操作限制和文件名。

2 數(shù)據(jù)處理

壓氣機(jī)和渦輪的特性曲線是發(fā)動(dòng)機(jī)制造商的核心數(shù)據(jù)，不會(huì)給用戶，單由數(shù)據(jù)采集不能直接獲得，需要特殊的方法才能夠獲得。本文采用類比法獲得壓氣機(jī)特性曲線，該方法需要實(shí)驗(yàn)過(guò)程加以配合，即需要發(fā)動(dòng)機(jī)在多個(gè)轉(zhuǎn)速值下獲得穩(wěn)定測(cè)量值，以取得非設(shè)計(jì)工況下的參數(shù)值，同時(shí)需要取一個(gè)類似已知的壓氣機(jī)的特性曲線圖，利用已知特性曲線按照非設(shè)計(jì)工況下的值進(jìn)行縮放，得到被測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)中壓氣機(jī)。如圖2所示。發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪的特性曲線通過(guò)相同的方法取得[2]。

實(shí)驗(yàn)表明，該方法生成的壓氣機(jī)和渦輪特性曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合的較好。

3 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)并搭建了微型噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，用于研究和本科進(jìn)行綜合實(shí)驗(yàn)室。該測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)獲取的進(jìn)氣流、壓比、推力和油耗量等隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)與預(yù)期一致。該發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)為大中型商用發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)提供了一個(gè)經(jīng)濟(jì)的很好的替代品。本文還通過(guò)反求方法得到了壓氣機(jī)和渦輪特性曲線，并驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性。另外，為了降低操作人員所處的噪聲水平，設(shè)計(jì)了發(fā)動(dòng)機(jī)安裝臺(tái)與操作臺(tái)分開(kāi)的遠(yuǎn)距離操作方案，它們之間可以無(wú)線連接。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳巍.某微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車(chē)故障分析及措施[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2011，26（4）：752-759.

[2] 楊欣毅.小型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2008，25（4）：71-75.

作者簡(jiǎn)介

王慶五（1978-），男，湖北襄陽(yáng)人;學(xué)歷：博士研究生，講師，現(xiàn)就職單位：華北電力大學(xué)，研究方向：微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。