航空发动机试车仿真实验教学系统开发_张庚云.pdf

航空发动机试车仿真实验教学系统开发张庚云（西安航空职业技术学院，陕西西安710089）摘要：针对航空发动机试车系统建设费用高、危险性高、操作难度大，不能适应高职院校航空发动机专业实践教学的突出问题，利用现代信息技术开发了集发动机结构认知、仿真试车、典型故障模拟、灯光动态演示等功能于一体的航空发动机试车仿真实验教学系统。详细介绍了系统的设计原则、系统框架、软硬件组成和应用实例，为航空类院校建设发动机试车教学系统提供参考和借鉴。关键词：航空发动机；试车；仿真实验；教学系统中图分类号：TP391.9文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）06-0156-030引言“试车技术实训”是航空发动机相关专业的一门重要实践课程，能够使学生加深对“航空发动机原理与构造”“航空发动机系统与维护”和“航空发动机控制技术”等专业课程的理解，提升学生飞机发动机地面维护的职业技能水平。然而，一套发动机地面台架试车系统的建设费用一般在 4 000 万元左右，实际试车还会消耗大量燃油；而且发动机试车涉及面广、危险性大、协同人员多，一般由经验丰富、技能娴熟的专职试车人员完成。因此，高昂的建设费用、试车成本、维护费用、安全成本等诸多因素使高校难以建设真实发动机地面台架试车系统。随着计算机技术的发展，人们越来越多地通过建立系统数学模型，应用先进的信息技术进行数字仿真研究，进而形成计算机仿真技术。将计算机仿真技术应用于学校发动机试车实训，克服了建设费用高、实训成本高、维护费用高、危险性大等缺点，给学校数字化实训教学提供了非常有效的途径1。1航空发动机试车仿真实验教学系统本系统是基于第三代典型小涵道比涡扇加力发动机，采用“发动机结构认知试车虚拟仿真实验系统工作演示”相结合方式三位一体的多功能实验教学系统。系统的操作界面与实际飞机驾驶舱操作界面基本一致，试车数据真实还原发动机各工作状态下的原理与特性，实现在不启动发动机情况下进行数字化实践教学。1.1设计原则航空发动机试车仿真实验教学系统的设计原则是：从高等职业院校教学实际需求出发，以帮助学生全方位、全系统、全流程掌握发动机原理与构造基础知识和发动机试车操作基本技能为目的，利用现代信息技术还原发动机真实结构和试车操作步骤，给予学生身临其境的视、听感知，具有操作简便、人机交互界面友好和发动机特性数据真实等特点。1.2系统框架航空发动机试车仿真实验教学系统按功能划分，可分为硬件层、模型层、虚拟层和应用层四部分。每一层定义一个功能集合且相互独立，各层通过接口协议实现相互通信。只要保证层间接口不变，任一层实现技术的变更不会影响其他各层2。根据此功能架构，以数据流为导向，明确定义了航空发动机试车仿真实验教学系统的整体框架，如图 1 所示。硬件层提供系统所需的各种设备，设备通过硬件驱动及接口系统与上层架构联接。模型层是系统的核心算法层，主要包括发动机结构模型、发动机数字模型、离散量信号模型、试车声音模型等。虚拟现实层用于构建虚拟现实场景，同时调用模型层共同生成发动机试车仿真实验平台。应用层即为用户层，通过对下收稿日期：2023-03-16基金项目：陕西省职业技术教育学会 2022 年度教育教学改革研究课题“航空发动机维修实训中心建设的研究与实践”（2022SZX081）作者简介：张庚云（1982），男，山西运城人，毕业于长安大学，硕士研究生，副研究员，从事航空发动机维修相关教学工作。总第 242 期2023 年第 6 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 242No.6，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.06.063图 1航空发动机试车仿真实验教学系统整体框架硬件层仿真实验工作站、双显示器、系统控制面板、仿真油门操纵杆、灯光控制器等接口接口模型层发动机结构模型、发动机数字模型、离散量信号模型、试车声音模型虚拟层模拟座舱、模拟发动机、模拟部件、模拟场景等应用层软件系统功能模块及运行界面部件结构原理特性仿真试车静态三维结构动态三维结构部件工作原理稳态特性动态特性高度特性速度特性加力特性操作提示操作模拟故障模拟声音模拟工作流场仿真自动化系统设计2023 年第 6 期层平台的不同操作和调用来开展不同的教学科目，主要包括部件结构教学、原理特性教学和仿真试车操作三部分。2系统组成2.1硬件组成航空发动机试车仿真实验教学系统硬件主要包括某型军用涡扇加力发动机，试车操控台和动态灯光演示系统三部分，如图 2 所示。2.1.1某型军用涡扇加力发动机某型军用涡扇加力发动机为学校自有实训设备。为了克服试车仿真实验中真实发动机不点火，启动系统、燃油系统、滑油系统等不工作的缺陷，在发动机上布置灯光信号，模拟各系统工作状态；在进气口安装定制的可旋转的风扇组件，模拟发动机转子工作状态。2.1.2试车操控台试车操控台是发动机试车仿真实验教学过程中交互操作和仿真计算的主要承担者，具体包括仿真实验工作站、系统操纵面板、测控系统、演示灯光组件控制器、双显示器和音响等设备。实验工作站是本系统的核心，主要用于运行仿真实验系统应用软件，提供数据操作接口服务，通过数据采集交换模块接收来自操控台的操作指令数据、向演示灯光组件发送灯光控制指令。系统操纵面板设置相关控制电门以及显示发动机状态、告警信号灯，还安装了高真仿油门操纵杆，可模拟发动机启停、加减速、进入最大和加力的发动机试车操作控制功能。测控系统用于采集操纵面板以及灯光控制组件指令的信号，接收仿真实验工作站的指令数据，完成仿真实验工作站与操纵面板和信号灯光控制组件的数据交换，实现实验操作、数据采集以及控制处理功能。2.1.3动态灯光演示系统根据试车仿真实验操作发动机的起动、点火、供油等开关量信号，以及转速、油压等模拟量信号，控制不同灯光在不同时机、不同状态下，以常亮、闪亮、跑马灯的方式同步动态演示发动机状态3，详见表 1。2.2软件组成航空发动机试车仿真实验教学系统的软件部分采用模块化设计思想，各功能模块相互独立，模块间接口符合规范要求。系统软件由部件结构模块、仿真试车模块、原理特性模块、故障模拟模块、演示控制模块、数据接口模块和自检模块七部分组成。2.2.1部件结构模块根据真实发动机构建详细三维模型，包括低压压气机、高压压气机、中介机匣、主燃烧室、高压涡轮、低压涡轮、加力燃烧室、喷管、附件机匣等部件结构的三维模型，具备静态和动态展示功能，动态展示采用发动机数字模型同步驱动。2.2.2仿真试车模块仿真试车模块是系统的核心，通过 DI、A/D 板卡实时测量操纵面板上的控制信号，以仿真仪表、信号灯、曲线、图表多种形式显示发动机运行状态的测量参数、性能参数、截面气路参数等，实时显示发动机油门位置与发动机各参数的对应关系，并记录所有工作参数。在模块中预制了发动机标准试车程序，通过步骤提示，对照标准试车曲线，在操控台上模拟试车操作，观察模拟仪表、传感器参数，保证操作步骤与标准试车程序一致，从而实现熟练掌握标准试车程序的目的。完成仿真试车后，还可以通过数据回放功能，查看试车详细曲线和数据。本模块人机交互界面与装配典型三代涡扇加力发动机的飞机座舱基本一致4。2.2.3原理特性模块通过获取油门操纵杆当前位置、油门杆移动速度和操纵开关指令信号，根据油门操纵杆当前位置和发动机稳态模型实时计算发动机工作参数，根据油门操纵杆位置和移动速度判断是否需要进行发动机动态模拟，若需要则进入发动机动态过程模拟程序，根据图 2航空发动机试车仿真实验教学系统硬件组成子系统功能描述转子旋转灯光控制通过启动信号控制气路灯光信号亮点，以转速信号控制跑马灯进动速度，模拟转速高低燃油系统灯光控制根据燃油压力信号控制跑马灯点亮及进动速度，演示燃油油路工作原理滑油系统灯光控制根据滑油压力信号控制跑马灯点亮及进动速度，演示滑油油路工作原理点火系统灯光控制根据点火信号按照启动点火时序，在启动机、点火电嘴处控制灯光闪亮气路系统灯光控制气路系统主要包括防冰加热、座舱增压、涡轮冷却、控制调节及喷管尾流等气路；可根据点火、防冰、涡轮冷却等信号，控制各气路灯光，并以转速信号控制灯光亮度，模拟发动机及气路系统的不同工作状态表 1发动机动态灯光演示系统进气灯光油路灯光喷管灯光试车操控台张庚云：航空发动机试车仿真实验教学系统开发157机械管理开发第 38 卷发动机工作参数的模拟结果，以信号灯、数值表和图形曲线形式显示输出。2.2.4故障模拟模块本模块设置启动故障、降转故障、气路故障、滑油异常、燃油异常以及危险特情等几类故障，可模拟喘振、冷/热悬挂、减小转速、超温、超转等试车中常见故障。2.2.5演示控制模块本模块将发动机数字模型输出的相关模拟量、开关量，通过相应接口转换为物理信号，驱动部附件灯光以常亮、闪亮、跑马灯的方式同步动态演示发动机状态。2.2.6数据接口模块数据接口模块主要包含与测控系统数据交换的通信接口、与发动机模型的数据接口、与演示灯光控制组件的接口以及与数据库交互的通信接口。其中，与测控系统数据交换模块、发动机模型、演示灯光控制组件接口采用标准 UDP 通信协议；与数据库交互通过标准的 SQL 语句完成增、删、改、查等工作，根据操作的条件，自动生成 SQL 语句字符串，直接在程序中调用。2.2.7自检模块自检模块用于进入系统时对传感器、灯光信号、数据通信等功能进行检测，测试系统是否正常。3应用实例本文介绍的航空发动机试车仿真实验教学系统已应用于西安航空职业技术学院实践教学中，该系统的应用极大地提高了学生学习的热情，帮助学生深刻理解发动机重要部件（压气机、燃烧室、涡轮）的构造、发动机原理特性、发动机试车操作步骤，提高了实践教学的数字化和信息化水平。航空发动机试车仿真实验教学系统操作逻辑流程如图 3 所示。以全程试车为例，仿真试车主要包括试车前准备、试车前检查、试车操作、试车结束四个步骤。操作流程为：启动系统，系统自检，选择全程试车科目，操作试车台油门杆，缓慢移动到“最大位置”，并在高压转子转速 75%、80%、85%、90%、95%对应位置停留，发动机工作状态（如火焰喷射，转子旋转，燃油、滑油、气路系统流动，压力和温度状态等）在双屏显示器动态显示，同时在实物发动机上以动态灯光形式进行演示。4结语本文创新应用计算机仿真技术和灯光演示技术开发了基于第三代典型小涵道比涡扇加力发动机的试车仿真教学系统，系统的操作界面与实际飞机驾驶舱基本一致，试车数据能够真实还原发动机各工作状态下的原理与特性，实现在不启动发动机情况下开展专业实践教学，极大改善了实训教学效果，为航空类院校建设发动机试车教学系统提供了参考和借鉴。参考文献1俞凯凯，徐惊雷，葛建辉.论虚拟仿真实验在航空发动机教学中的重要性：以南京航空航天大学航空发动机原理虚拟仿真实验平台为例J.高教学刊，2021，7（16）：83-87.2沈景凤，李初蕾，武殿梁，等.航空发动机半物理仿真试车系统的设计研究J.系统仿真学报，2020，32（5）：808-816.3朱彬.发动机虚拟试车三维仿真教学与训练平台的设计与开发D.无锡：江南大学，2020.4马绪勇.飞机发动机地面试车系统的设计及研制D.青岛：青岛科技大学，2015.（编辑：李俊慧）图 3航空发动机试车仿真实验教学系统操作逻辑流程开始选择试车科目简易试车全程试车冷开车、假启动开始训练试车前准备试车前检查试车全流程操试车结束终止训练训练回看结束Development of Aeroengine Test Simulation Experiment Teaching SystemZhang Gengyun（Xian Aeronautical Polytechnic Institute,Xian Shaanxi 710089）Abstract:In view of the prominent problems of high construction cost,high risk and difficult operation of aeroengine test run system,whichcan not adapt to the practical teaching of aeroengine specialty in higher vocational colleges,the aeroengine test run simulation experimentteaching system integrating engine structure recognition,simulation test run,typical fault simulation,and dynamic lighting demonstrationhas been developed by using modern information technology.The design principle,system framework,software and hardware compositionand application examples of the system are introduced in detail,which provides reference and reference for the construction of engine testrun teaching system in aviation colleges and universities.Key words:aero-engine test;simulation experiment;teaching system158