航空发动机试验器电气系统设计与优化.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 21 日 作者简介：侯启悦（1990），女，土家族，湖南张家界人，本科，工程师，研究方向为电气。-53-航空发动机试验器电气系统设计与优化 侯启悦 中国航发湖南动力机械研究所，湖南 株洲 412002 摘要：摘要：航空发动机试验器是航空工业中不可或缺的重要设备，用于对航空发动机进行性能测试和验证。试验器的电气系统是试验器的关键组成部分，其设计优劣直接影响试验器的性能和安全性。本文介绍了航空发动机试验器电气系统设计与优化的相关内容。通过确定电源系统、仪器与控制系统以及数据采集与处理系统的需求，选择了适合的设备和方案。然后，进行了系统的设计和优化，包括选择设计参数、优化算法和系统优化方法。最后，通过实际测试和验证，验证了设计与优化的有效性与性能。关键词：关键词：航空发动机试验器；电气系统设计；优化 中图分类号：中图分类号：V263 0 引言 随着航空发动机技术的不断发展，航空发动机试验器的电气系统设计与优化显得尤为重要。一个高效、稳定、可靠的电气系统能够提供准确的电源、精确的仪器和控制、可靠的数据采集和处理，从而保证试验的准确性与安全性。本文将介绍如何设计和优化航空发动机试验器的电气系统，以满足试验的各项需求，提高试验效率和准确性。1 航空发动机试验器的电气系统设计现状 航空发动机试验器是航空发动机研发和测试的重要设备。其电气系统是试验器的核心部分，直接影响试验的有效性、可靠性和安全性。在当今的航空发动机试验器电气系统设计中，主要存在以下几个问题：首先，电气系统的设计缺乏综合性和系统性。往往是设计师针对具体的电气问题，局部进行设计，缺乏全局的考虑和规划，容易造成系统结构混乱、功能冲突和维护困难等问题。其次，电气系统在设计和使用过程中，容易受到外部环境的干扰和摩擦，从而导致电气系统性能不稳定、电路故障和设备损坏等问题。这些问题往往会影响试验器的正常操作和数据采集，从而影响试验结果的可靠性和有效性。最后，在日益复杂的试验需求下，电气系统的设计和优化也面临新的挑战和要求。比如，为了适应更高的试验频率和更多的数据采集，电气系统的带宽和传输速率必须得到提高。另外，为了提高试验器的智能化和自动化程度，电气系统的软件设计和控制系统集成也需要得到进一步优化。因此，在航空发动机试验器电气系统的设计与优化中，需要充分考虑系统的综合性和系统性，选用高品质的电气元器件和设计方案，以保障系统的稳定性和可靠性。同时，需要注意电气系统的环境适应性和抗干扰能力，以及选用适合的数据传输方式和高效的控制系统集成方案。在如此复杂的背景下，通过合理的设计和优化，才能确保航空发动机试验器电气系统的高效、稳定和安全运行。2 航空发动机试验器电气系统概述 2.1 试验器结构与主要组成部分 航空发动机试验器的电气系统是整个试验器的关键组成部分，它提供电力、控制和监测功能，确保试验的正常进行和数据的准确采集。以下是航空发动机试验器电气系统的主要组成部分。电源系统为试验器提供所需的电力供应，并确保电压、电流稳定可靠。电源系统通常包括主电源、备用电源、配电系统和电力保护装置等；控制系统用于控制发动机试验过程中的各个环节，包括试验参数设定、运行状态监测、数据采集等。它通常由集中控制器、控制面板、PLC 和人机界面组成；信号与传感器负责监测和采集试验数据，包括温度、压力、转速、振动等参数。这些传感器将信号转换为电信号，并通过采集模块传送给控制系统进行处理和记录；通信网络用于连接试验器内部各个子系统，实现数据的传输与共享。常用的通信方式包括以太网、CAN 总线、RS-485 等，以实现高速、稳定的数据传输；安全与保护装置用于监测试验过程中的异常情况，并采取相应措施确保试验器和操作人员的安全。例如，过载保护、温度保护、紧急停机等；电中国科技期刊数据库 工业 A-54-缆与连接器负责连接试验器的各个电气设备，确保信号的稳定传输。电缆和连接器的质量和可靠性对电气系统的正常运行至关重要。总之，航空发动机试验器的电气系统通过以上组成部分的协调配合，实现对发动机的电力供应、控制和监测，为试验提供可靠而精确的电气支持。2.2 电气系统的作用与功能需求分析 航空发动机试验器电气系统设计与优化是连接发动机与试验器的关键部分，其作用和功能需求主要包括以下方面。一是电力供应，电气系统需要为试验器提供所需的电力供应，并确保电压、电流稳定可靠。为保证电气系统的可靠性和稳定性，电源系统通常包括主电源、备用电源、配电系统和电力保护装置等。二是控制与监测，电气系统需要实现试验过程中的各种操作控制和状态监测，对运行参数进行实时的记录、监测和控制。基于机器学习、深度学习等技术，电气系统还能进行智能的故障预测和故障诊断，以提高试验精度、方法和效率。三是数据采集与处理，电气系统需要采集试验过程中的各种数据信息，例如温度、压力、转速、润滑、振动等多种参数。而为了保障数据信息的准确性、可信性和实时性，需要实现信号数字化和自动化采集，并依靠数据组织和存储等方式进行数据集中管理。四是联网及远程监测，电气系统亦需要网络互联的功能，这可以通过以太网、CAN 总线、RS-485 等进行实现，实现试验的远程监测控制。如此一来，可以实现试验多地点部署和多域涨停部署等多样化的试验安排。3 电气系统设计与优化方法 3.1 设计参数选择与优化方法 在航空发动机试验器电气系统设计与优化中，设计参数选择与优化方法是关键的步骤。常见的设计参数包括电子元件的类型和规格、传感器和执行器的选择、控制算法和参数等。在设计参数选择方面，可以采用以下几种方法。一是基于经验和规范的方法，根据相关行业标准和设计手册，选择已经验证和推荐的设计参数。二是仿真和模拟方法，利用电路仿真和系统模拟软件，对不同设计参数方案进行模拟和分析，评估其性能，优化设计参数。三是是数据驱动方法，通过分析实测数据和历史数据，对系统的工作特性进行统计分析，通过数据挖掘和机器学习技术，确定最佳的设计参数。在设计参数优化方面，可以采用多目标优化方法，如遗传算法、粒子群算法等。这些方法可以搜索设计参数空间，找到一组最佳参数组合，使得系统在满足性能需求的同时，尽可能优化其他指标，如成本、功耗、效率等。通过迭代和优化算法的应用，不断改进和优化设计参数，使得电气系统在整体性能上达到最优化。3.2 设备选型与布局优化 在航空发动机试验器电气系统设计与优化中，设备选型与布局优化是至关重要的环节。首先，通过需求分析明确系统的功能需求、性能指标和约束条件，从而确定所需要的设备类型、规格和功能。其次，进行技术评估，对不同设备供应商提供的产品进行比较，考虑性能、质量、可靠性和维护成本等因素，选择最适合需求的设备。兼容性考虑也很重要，确保所选设备与现有系统的兼容性，如接口、通信协议和软件兼容性等。同时，经济性评估也不能忽视，综合考虑设备价格、运营成本和维护成本，将设备的寿命和能源效率等经济因素纳入考虑。在布局优化方面，重要的是合理规划设备的空间利用，根据设备的尺寸和连接要求等因素，充分利用可用空间。同时，要考虑设备之间的信号干扰与隔离，通过合理安排设备的布局，尽量减少干扰。电源供应与配电系统也需要仔细设计，以满足设备的电气需求，避免过载和电压不稳定的问题。此外，要考虑管理和维护便捷性，布局中要考虑设备的安装位置、维修通道和维护空间等，以确保设备易于管理和维护。至关重要的是要进行安全性和可靠性评估，确保设备的运行安全和系统的可靠性。4 电气系统设计实例 4.1 试验器电源系统设计与优化 在航空发动机试验器电气系统设计与优化中，试验器电源系统设计与优化是一个关键的环节。下面以实例的形式介绍一下如何设计和优化试验器电源系统。首先，确定电源系统的功率需求和稳定性要求。以某型号的航空发动机试验器为例，该试验器的电源系统需要为发动机提供直流电源，最大输出功率为 1 MW，电压范围为 0500 V，电流范围为 02000 A。要求电源系统在整个工作过程中要能保持电压、电流稳定，中国科技期刊数据库 工业 A-55-波动范围不超过 0.1%，同时还要具有过载保护和短路保护等功能。根据上述需求，选择适合的电源体系结构和设备。考虑到试验器能够提供大电流、高功率的电力要求，首先选择了三相有源电力因数矫正器作为电源系统的主要组成部分，其中包括三个单独控制的模块（每个模块的输出功率分别为 350 kW），以及直流稳压电源和直流多路分配系统等附属设备。然后，进行设计参数选择。根据试验器的工作需求，选择了如下的设计参数：电力因数矫正器输出电压为 0-580 V，电流为 0-1700 A，功率因数为 0.99；直流稳压电源输出电压为 0-500 V，电流范围为 0-1600 A，稳压精度不高于 0.1%；直流多路分配系统可根据需求分配不同电压和电流的直流输出。最后，进行电源系统的优化。通过多次迭代，找到了一组最佳的电源系统参数，满足了试验器的所有需求，并兼顾了成本和效率的考虑。经过多次测试和实验验证，该电源系统具有很高的稳定性、可靠性和可控性。4.2 试验器仪器与控制系统设计与优化 在航空发动机试验器电气系统设计与优化中，试验器仪器与控制系统设计与优化是一个关键的环节。下面以实例的形式介绍一下如何设计和优化试验器仪器与控制系统。首先，确定试验器的仪器和控制需求。以某型号的航空发动机试验器为例，该试验器需要实时监测和记录发动机的各种参数，如温度、压力、转速、振动等，并能够对发动机进行实时控制和调节，同时要求具备故障诊断和安全保护功能。根据上述需求，选择适合的仪器和控制系统。考虑到试验器需要实时监测和控制发动机的各种参数，选择了高精度的传感器和仪器，如温度传感器、压力传感器、转速传感器、加速度传感器等，并采用自主研发的数据采集模块将各种传感器的信号采集并传输到控制系统中。然后，进行控制系统设计，考虑选择工控机作为试验器的主控制设备，采用实时操作系统和图形化界面，实现数据采集和控制算法的运行。同时，结合先进的控制算法，开发了闭环控制系统，能够根据实时数据对发动机进行实时控制和调节，并具备故障检测和安全保护功能。最后，进行仪器与控制系统的优化。选择采用模型预测控制和自适应控制等先进的控制算法，对试验器的仪器和控制系统进行优化。通过对试验器的控制性能和系统稳定性进行多次测试和调整，找到了最佳的控制参数和算法，使得试验器具有更好的控制性能和响应速度。4.3 试验数据采集与处理系统设计与优化 在航空发动机试验器电气系统设计与优化中，试验数据采集与处理系统设计与优化是一个关键的环节。下面以实例的方式介绍一下如何设计和优化试验数据采集与处理系统。第一，确定试验器的数据采集需求。以某型号的航空发动机试验器为例，该试验器需要采集发动机运行过程中的各种参数数据，如温度、压力、振动、电流、转速等，并需要将这些数据进行实时处理和存储，以便后续的数据分析和评估。根据上述需求，选择适合的数据采集与处理系统。考虑到试验器需要高精度和高速率的数据采集，选择了多通道数据采集卡作为采集设备，结合高性能的计算机作为数据处理和存储平台。同时，为了确保数据的准确性和可靠性，还采用了冗余存储和数据备份的策略。第二，进行数据采集与处理系统的设计。通过根据试验器的实际情况，确定了数据采集卡的数量和通道数，并设计了合理的传感器布置和连接方式，确保采集到各个关键参数的数据。同时，借助高性能计算机的处理能力，开发了实时数据处理和存储的软件，能够对采集到的数据进行实时处理和存储，并提供友好易用的数据界面。第三，进行数据采集与处理系统的优化。通过对数据处理算法和存储策略的优化，实现了对大量数据的高速处理和存储，并提供了快速检索和回放的功能，方便后续的数据分析和评估。5 结语 本文主要介绍了航空发动机试验器电气系统设计与优化的相关内容。通过确定电源系统、仪器与控制系统以及数据采集与处理系统的需求，选择适合的设备和方案，并进行了系统的设计和优化，最终实现了试验器的高效、稳定、可靠的电气系统。这些设计与优化措施能够提高试验的准确性和安全性，为航空发动机试验提供了良好的支持和保障。未来，随着航空发动机技术的进一步发展，还将面临更多挑战和需求，电气系统设计与优化将继续发挥重要作用，为航空发动机试验的持续发展提供有力支持。中国科技期刊数据库 工业 A-56-参考文献 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