時間：2023-04-06 18:47:08
序論：在您撰寫航空發(fā)動機(jī)論文時，參考他人的優(yōu)秀作品可以開闊視野，小編為您整理的7篇范文，希望這些建議能夠激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，引導(dǎo)您走向新的創(chuàng)作高度。
發(fā)動機(jī)裝配技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)模型的概念
針對航空發(fā)動機(jī)型號，現(xiàn)有的PDM技術(shù)已經(jīng)可以較好的對其進(jìn)行技術(shù)狀態(tài)管理。由于實(shí)際裝配中，單臺航空發(fā)動機(jī)技術(shù)狀態(tài)強(qiáng)調(diào)可追溯性，即對于每一臺發(fā)動機(jī)在排故、維修、大修時需要明確其裝配技術(shù)狀態(tài)歷史，就必須對單臺發(fā)動機(jī)進(jìn)行裝配技術(shù)狀態(tài)管理。進(jìn)行單臺發(fā)動機(jī)裝配技術(shù)狀態(tài)管理的基礎(chǔ)是結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)模型，裝配環(huán)境下的技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)可以分為三大部分：物料信息、工藝信息與檢驗(yàn)信息。這里的物料信息是指產(chǎn)品基本信息及組成產(chǎn)品的各種零/組/部件的信息；工藝信息是指裝配各級物料節(jié)點(diǎn)所執(zhí)行的工藝/工序/工步的信息；檢驗(yàn)信息是指執(zhí)行裝配的關(guān)鍵項(xiàng)進(jìn)行檢驗(yàn)，具體表現(xiàn)為相對應(yīng)的檢驗(yàn)項(xiàng)的規(guī)定值與實(shí)際值。物料信息、工藝信息、檢驗(yàn)信息都可表示為樹形結(jié)構(gòu)。它們間也具有復(fù)雜的對應(yīng)關(guān)系，其中包括：工藝與部件或組件對應(yīng)、檢驗(yàn)表與工藝對應(yīng)、檢驗(yàn)項(xiàng)與工序?qū)?yīng)、子檢驗(yàn)項(xiàng)與工步對應(yīng)等。由于航空發(fā)動機(jī)的多裝多試的特點(diǎn)，單臺發(fā)動機(jī)在其生命周期的多次裝配中會頻繁的發(fā)生物料信息、工藝信息和檢驗(yàn)信息的改變，集中表現(xiàn)在由于串換件、壽命件的到期等，發(fā)生各級物料（部件/組件/零件）的變化；由于采用不同版次的工藝、針對個別發(fā)動機(jī)裝配下發(fā)的技術(shù)文件、技術(shù)通知、工藝更改單等會產(chǎn)生工藝信息的變化；物料或工藝信息改變同時也伴隨產(chǎn)生了檢驗(yàn)信息的變化。因此單臺發(fā)動機(jī)的裝配技術(shù)狀態(tài)不僅與同型號同批次的其他發(fā)動機(jī)的技術(shù)狀態(tài)不同，在其生命周期內(nèi)本身的技術(shù)狀態(tài)也隨時間變化。所以，航空發(fā)動機(jī)裝配技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)模型必須包含兩個方面，從空間上說，要用盡可能用簡單的模型表示出錯綜復(fù)雜的物料、工藝、檢驗(yàn)信息的對應(yīng)關(guān)系；從時間上說，要準(zhǔn)確地刻畫出發(fā)動機(jī)裝配技術(shù)狀態(tài)隨時間變化的情況。
發(fā)動機(jī)裝配技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)模型的定義
以下對發(fā)動機(jī)裝配技術(shù)狀態(tài)在時間條件約束下的物料、工藝、檢驗(yàn)等信息進(jìn)行定義。定義1：航空發(fā)動機(jī)裝配技術(shù)狀態(tài)模型，C={M，PAC，R，T}。其中M為物料信息集合、PAC為工檢信息集合、R為關(guān)系集合、T為時間。當(dāng)物料信息集合為整臺發(fā)動機(jī)的物料信息時，C表示單臺次發(fā)動機(jī)T時刻的技術(shù)狀態(tài)；當(dāng)物料信息為整臺發(fā)動機(jī)物料信息子集時，C表示相應(yīng)部件、組件等的技術(shù)狀態(tài)。定義2：物料節(jié)點(diǎn)集合M：航空發(fā)動機(jī)某一時刻物料集合為：M={m1，m2，m3…，mn}，n∈N，N為自然數(shù)；mi={IDmi，a1，a2，a3，…，ak}，k∈N，mi∈M。M中mi可以是產(chǎn)品、部件、組件或者零件，為產(chǎn)品任意級物料節(jié)點(diǎn)。mi中IDmi為物料節(jié)點(diǎn)的唯一標(biāo)識，a1，a2，a3，…，ak為這一物料節(jié)點(diǎn)屬性，比如關(guān)鍵尺寸、物料壽命、是否為關(guān)重件的標(biāo)識等，可靈活的根據(jù)需要進(jìn)行實(shí)例化。定義3：工檢信息集合PAC：PAC={pac0，pac1，pac2，…，pacl}，l∈N；Paci={IDpaci，b1，b2，b3，…，bl}，t∈N，paci∈PAC。由上面的分析可知，雖然物料信息和工藝信息節(jié)點(diǎn)不是同級一對一的關(guān)系，對于具體的發(fā)動機(jī)產(chǎn)品，工藝及檢驗(yàn)信息節(jié)點(diǎn)也總是伴隨著唯一的物料節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)，這里不妨將相對應(yīng)的兩種節(jié)點(diǎn)合并為工藝及檢驗(yàn)信息節(jié)點(diǎn)，也是適應(yīng)了許多先進(jìn)發(fā)動機(jī)制造廠商實(shí)行的“工檢合一”的需要。對于每一個工藝及檢驗(yàn)信息節(jié)點(diǎn)paci，IDpaci為工藝及檢驗(yàn)信息節(jié)點(diǎn)的唯一標(biāo)識。類似于定義1，b1，b2，b3，…，bt亦為paci（1≤i≤l）工藝信息節(jié)點(diǎn)的屬性，當(dāng)paci為不同級別的工藝信息節(jié)點(diǎn)時，屬性可以實(shí)例化為工藝版本、關(guān)鍵工序標(biāo)識等。當(dāng)paci為工序級節(jié)點(diǎn)，若bj={IDbj，CheckContentbj，CheckStandardbj，CheckValuebj}表示一個子檢驗(yàn)項(xiàng)，其中，IDbj唯一標(biāo)識了該子檢驗(yàn)項(xiàng)，CheckContentbj為子檢驗(yàn)項(xiàng)的具體內(nèi)容，CheckStandardbj為檢驗(yàn)項(xiàng)的規(guī)定值，CheckValuebj為檢驗(yàn)項(xiàng)的實(shí)際值，該屬性可給出單件產(chǎn)品由于每次裝配產(chǎn)生的檢驗(yàn)項(xiàng)信息，一般表示執(zhí)行一個工步產(chǎn)生的檢驗(yàn)信息。定義4：關(guān)系集合R=MR∪PR∪MPR其中：MR={r|r=（mi,mj）,若堝mi和mj的父子關(guān)系，mi,mj∈M};PR={r|r=（paci,pacj）,若堝paci和pacj的父子關(guān)系，paci,pacj∈PAC}；MPR={r|r=（mi，pacj），若堝mi和pacj的對應(yīng)關(guān)系，mi∈M，pacj∈PAC}；該集合可以確定出技術(shù)狀態(tài)模型中存在的物料信息節(jié)點(diǎn)之間、工藝及檢驗(yàn)信息節(jié)點(diǎn)之間、物料信息節(jié)點(diǎn)與工藝及檢驗(yàn)信息節(jié)點(diǎn)之間三種關(guān)系。圖2展示了一個簡化了的技術(shù)狀態(tài)模型的具體例子，該模型具有三層物料信息結(jié)構(gòu)。左面的部分為單臺發(fā)動機(jī)產(chǎn)品的物料狀態(tài)，右邊的部分為與之相對應(yīng)物料的工檢信圖1航空發(fā)動機(jī)裝配技術(shù)狀態(tài)息，用連線表示存在相關(guān)的關(guān)系。
發(fā)動機(jī)裝配技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)模型的基本操作
單臺發(fā)動機(jī)單次裝配執(zhí)行其間，發(fā)動機(jī)裝配技術(shù)狀態(tài)會因裝配的執(zhí)行隨時間動態(tài)變化著，表現(xiàn)為技術(shù)狀態(tài)模型中各集合元素的變化。集合元素的變化可以歸結(jié)為兩種基本操作，令Ci={Mi，PACi，Ri，Ti}為Ti時刻的產(chǎn)品/部件/組件的技術(shù)狀態(tài)，Ci={Mi+1，PACi+1，Ri+1，Ti+1}為Ti+1時刻的技術(shù)狀態(tài)，Cpa1={Mpa1，PACpa1，Rpa1，Tpa1}為pa1部件/零件某時刻的技術(shù)狀態(tài)，用兩種算子進(jìn)行表示：加法操作算子+：+（Ci，Cpa1）={Mi∪Mpa1，PACi+1，Ri∪Rpa1∪Rst，Ti+1}加法操作為發(fā)動機(jī)裝配時增加技術(shù)狀態(tài)物料節(jié)點(diǎn)的操作，附帶了工藝節(jié)點(diǎn)的增加和對應(yīng)關(guān)系的增加。減法操作算子-：-（Ci，Cpa1）={Mi-Mpa1，PACi+1，Ri-Rpa1-Rst，Ti+1}減法操作為拆卸發(fā)動機(jī)零部件的操作，該操作會產(chǎn)生發(fā)動機(jī)技術(shù)狀態(tài)物料節(jié)點(diǎn)的減少，而且附帶了工藝節(jié)點(diǎn)的減少和對應(yīng)關(guān)系的消失。由以上的兩種基本操作函數(shù)，可以得到更加復(fù)雜的技術(shù)狀態(tài)改變的操作。例如，對于航空發(fā)動機(jī)的換件技術(shù)狀態(tài)變化，可視為經(jīng)過了-（Ci，Cpa1）和+（Ci，Cpa2）操作，用pa2替換了pa1部件。對于單臺發(fā)動機(jī)的每段或每次裝配，可以認(rèn)為其技術(shù)狀態(tài)經(jīng)歷了數(shù)個加法、減法操作。例如C1為某次裝配前的產(chǎn)品的技術(shù)狀態(tài)，C1={{m1，m2，m3，m4，m5}，{pac1，pac2}，（{m1，m2），（m1，m3），（m2，m4），（m2，m5），（pac1，pac2），（m1，pac1），（m2，pac2），T1}，首先拆卸掉部件，pa1，Cpa1={{m2，m4，m5}，{pac2}，（{m2，m4），（m2，m5），（m2，pac2）}，T1}，即進(jìn)行了操作-（C1，Cpa1），得到C1′={{m1，m3}，{pac1′}，（{m1，m3），（m1，pac1′）}，T1′}；然后進(jìn)行了操作+（C1′，Cpa2），裝配上部件pa2，pa2的技術(shù)狀態(tài)為Cpa2={{m6，m7，m8}，{pac6}，（{m6，m7），（m6，m8），（m6，pac6）}，T2}；得到C1={{m1，m3，m6，m7，m8}，{pac1″，pac6}，（{m1，m6），（m1，m3），（m6，m7），（m6，m8），（pac1″，pac6），（m1，pac1″），（m6，pac6）}，T2}；如圖3所示。實(shí)際中的操作可能會拆卸到零件級，這里適當(dāng)簡化為拆卸到部件級。4沿時間軸發(fā)動機(jī)裝配技術(shù)狀態(tài)快照序列的生成單臺發(fā)動機(jī)首次裝配自T0時刻開始，在其生命周期內(nèi)會經(jīng)歷數(shù)個加法、減法操作，形成關(guān)于時間軸TS=（T0，T1，T2，T3，…）的發(fā)動機(jī)單機(jī)技術(shù)狀態(tài)快照序列CS=（C0，C1，C2，C3，…）。首次裝配過程中，零件裝配成組件，組件裝配成部件，進(jìn)而裝配成發(fā)動機(jī)整機(jī)，這期間發(fā)生的對裝配技術(shù)狀態(tài)的操作體現(xiàn)為大量的加法操作，由零部件的技術(shù)狀態(tài)合成為發(fā)動機(jī)的技術(shù)狀態(tài)；非首次裝配，則還會發(fā)生大量技術(shù)狀態(tài)減法操作，最終表現(xiàn)為整機(jī)技術(shù)狀態(tài)隨時間不斷的更新。與其他復(fù)雜產(chǎn)品不同，航空發(fā)動機(jī)生命周期中要經(jīng)歷多次拆卸-裝配的過程。這樣可以把時間軸劃分為若干個階段，包括新機(jī)一裝、新機(jī)二裝、舊機(jī)排故的一、二裝、舊機(jī)大修的一、二裝等。TS中時間Ti的取值不同，會引起技術(shù)狀態(tài)記錄詳細(xì)程度不同。記錄的密度越大，對技術(shù)狀態(tài)追蹤的也就越詳細(xì)，但占用的存儲空間就越多。當(dāng)Ti取值為裝配執(zhí)行過程中若干時刻時，序列CS可以對裝配過程進(jìn)行記錄。現(xiàn)設(shè)Ti為每次裝配結(jié)束的時間，（Ti-1，Ti）時間段則為兩次裝配間的時間段，在本時間段內(nèi)，假定不對微小的技術(shù)狀態(tài)變化進(jìn)行記錄，得到的覆蓋全時間軸技術(shù)狀態(tài)快照序列如圖4所示。
航空發(fā)動機(jī)強(qiáng)度計算作為專業(yè)必修課，從航空發(fā)動機(jī)中抽象出葉片、盤等結(jié)構(gòu)，建立模型，開展結(jié)構(gòu)的應(yīng)力計算和強(qiáng)度分析，較為艱澀、枯燥，采用傳統(tǒng)的板書教學(xué)模式，教師對于說明復(fù)雜的零部件結(jié)構(gòu)和受載形式往往力不從心，此外，傳統(tǒng)的教學(xué)方法還受到課堂板書時間、教學(xué)語言、課堂紀(jì)律等不利因素影響，從而影響學(xué)生聽課的積極性，教學(xué)的進(jìn)度和教學(xué)的質(zhì)量。與板書教學(xué)相比，教師使用多媒體課件時，學(xué)生往往會表現(xiàn)出較大的興趣。據(jù)有關(guān)調(diào)查統(tǒng)計，同樣的內(nèi)容，視聽結(jié)合記憶效果比只憑看提高40%，多媒體教學(xué)正是實(shí)現(xiàn)視聽結(jié)合的有效手段。因此，在發(fā)動機(jī)強(qiáng)度計算的教學(xué)過程中，采取多媒體輔助教學(xué)可以達(dá)到提高教學(xué)效率、吸引學(xué)生專注度、加深學(xué)生理解力等積極的作用。多媒體教學(xué)是指通過計算機(jī)把多媒體的符號、文字、公式、圖像、聲音、動畫等各個要素按教學(xué)要求進(jìn)行有機(jī)組合，并采用投影屏幕的形式顯示出來，結(jié)合教師的講解和引導(dǎo)達(dá)到合理教學(xué)過程的目的。多媒體教案與傳統(tǒng)書面教案相比，更加美觀、生動。對于發(fā)動機(jī)強(qiáng)度計算這類具有內(nèi)容抽象而又復(fù)雜的課程，具有明顯的教學(xué)效果。多媒體教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)方式相比具有以下優(yōu)點(diǎn)。
1.多媒體教學(xué)具有生動、形象、具體可感的特點(diǎn)，可以解決板書不易表達(dá)的內(nèi)容，抽象問題直觀化，創(chuàng)建生動的表象。
2.多媒體教學(xué)集聲音、影響、圖片、文字、動畫于一體，能夠充分調(diào)動學(xué)生的感官系統(tǒng)，極大提高學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)興趣和專注度，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，活躍課堂氣氛。
3.多媒體教學(xué)具有知識容量大、信息量多等特點(diǎn)，提高單位時間授課信息量，有利于學(xué)生拓寬知識視野。
4.多媒體教學(xué)事先組織好的教學(xué)內(nèi)容，有利于節(jié)約教師板書時間，使得教師更加靈活地控制教學(xué)節(jié)奏、設(shè)計教學(xué)過程、提高教學(xué)效率，同時降低教師上課的強(qiáng)度，避免重復(fù)板書這種機(jī)械的體力勞動。
二、多媒體教學(xué)的注意事項(xiàng)
隨著微機(jī)和多媒體技術(shù)的發(fā)展和普及，多媒體教學(xué)正逐步取代傳統(tǒng)的教學(xué)方式，有數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示高等教育80%以上的老師已經(jīng)視多媒體為必不可少的教學(xué)工具。然而，多媒體教學(xué)只是一種教學(xué)手段，如何合理地使用多媒體技術(shù)提高教學(xué)質(zhì)量一直是眾多教師所關(guān)注的重點(diǎn)。
（一）多媒體教學(xué)具有眾多優(yōu)勢，但是使用不當(dāng)，會存在以下問題
1.教師過多依賴多媒體教件，照本宣科，忽略課前備課，對講課內(nèi)容不熟悉。多媒體課件中已經(jīng)事先設(shè)計好講課的文字、圖片和公式等內(nèi)容，容易導(dǎo)致教師輕視課前備課，導(dǎo)致在課堂上對所講授內(nèi)容不熟悉。
2.采用他人多媒體課件，生搬硬套，缺少教師作為教學(xué)主體對課程的思考。現(xiàn)在多數(shù)課程都采用了多媒體課件，教師也可能通過很多途徑獲得相關(guān)課程的多媒體課件，直接使用他人課件就可能導(dǎo)致教師缺乏對所授課程的積極思考和講課方式的精心設(shè)計。
3.多媒體教件成為教師講解演示的工具，缺少師生之間的互動，會導(dǎo)致學(xué)生過于被動地接受知識，甚至缺乏學(xué)習(xí)的興趣。
4.多媒體教件華而不實(shí)，分散學(xué)生注意力。多媒體教件可以穿插聲音、影像、圖片，建立一個豐富多彩的立體課堂。但是，多媒體教件也同時可能存在過度使用聲、光、影，從而沖淡教學(xué)的主要內(nèi)容，同時分散同學(xué)的注意力。
5.多媒體教件的優(yōu)點(diǎn)之一是知識容量大、信息量多，然而使用不當(dāng)也會使得這一優(yōu)點(diǎn)變成缺點(diǎn)。單頁信息量大，重點(diǎn)不突出，也可能導(dǎo)致授課速度過快的缺點(diǎn)。
（二）教師在多媒體教學(xué)的過程中，有必要注意以下幾點(diǎn)，才能更好地發(fā)揮多媒體教學(xué)的優(yōu)勢
1.使用多媒體課件，應(yīng)在課前對多媒體課件和教材充分熟悉，對內(nèi)容了然于胸，并合理板書，引起學(xué)生積極性，發(fā)揮教師在教學(xué)過程中的主導(dǎo)作用。
2.多媒體課件中，注意課程內(nèi)容的貫穿和表達(dá)。多媒體課件的內(nèi)容安排要站在學(xué)生的角度來思考，每幅畫面的出現(xiàn)要符合學(xué)生的學(xué)習(xí)思維習(xí)慣。如：逐條顯示畫面的信息，做好前后承接，圖形配以一定的關(guān)鍵文字進(jìn)行說明，公式的推導(dǎo)要像寫板書一樣逐條出現(xiàn)。
3.教師和學(xué)生同為主體，互動教學(xué)。避免教師在上面不停地講，學(xué)生在下面沉默地聽。在多媒體課件設(shè)計過程中，要實(shí)現(xiàn)分步提示，要適時地拋出問題，引導(dǎo)學(xué)生跟著教師的思路走，引導(dǎo)和指導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)，對學(xué)生的疑難問題及時反饋、及時解決。
4.畫面簡潔，只顯示相關(guān)信息。要重視心理學(xué)中的有意注意和無意注意規(guī)律，減少在課件中與教學(xué)內(nèi)容無關(guān)系的圖像、音樂、動畫等，否則會使學(xué)生把更多的無意注意放在畫面和音樂上，無法專心于真正需要他們關(guān)注的教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)效果大打折扣。因此，不要在多媒體課件上使用不必要的圖像或動畫裝飾。
5.課件上的信息要簡單、準(zhǔn)確、明了，突出重點(diǎn)，避免把整段文字搬上屏幕，導(dǎo)致學(xué)生來不及看，引起厭煩情緒。講課注意節(jié)奏，快慢結(jié)合，對于內(nèi)容簡單的要加快節(jié)奏，重點(diǎn)、難點(diǎn)要慢講，從而加深學(xué)生對所學(xué)知識的理解與消化。由此可見，雖然多媒體教學(xué)有著傳統(tǒng)教學(xué)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，合理運(yùn)用多媒體手段可以提高教學(xué)效果，但是多媒體教學(xué)并非是改善教學(xué)效果的唯一途徑和手段，不能因?yàn)槠鋬?yōu)點(diǎn)而完全拋棄板書等傳統(tǒng)教學(xué)手段。更為理智的做法是針對不同的教學(xué)內(nèi)容，采取與之相應(yīng)的教學(xué)手段，綜合利用各種教學(xué)方式，取長補(bǔ)短，相輔相成，從而達(dá)到提高教學(xué)效果的最終目的。
三、《航空發(fā)動機(jī)強(qiáng)度計算》課程中多媒體教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合
關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機(jī)；整機(jī)振動；高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片超溫；冷卻失效
中圖分類號：V231 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
當(dāng)代航空發(fā)動機(jī)的高壓渦輪部件承接在主燃燒室后，是將高溫高壓氣體內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能最重要的部件之一。雖然目前絕大多數(shù)的高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片均采用高性能的單晶合金材料制造，但高溫高壓高轉(zhuǎn)速的惡劣工作條件下，仍存在多種影響因素導(dǎo)致高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片局部超溫，進(jìn)而發(fā)生葉片基體脫落等惡性狀況。
以最終確定為高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片局部超溫原因?qū)е碌哪澈娇瞻l(fā)動機(jī)振動事件進(jìn)行典型分析，探究造成局部超溫的影響因素，充實(shí)完善振動問題數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)航空發(fā)動機(jī)振動問題的判斷提供分析思維導(dǎo)向。
1.振動發(fā)動機(jī)分解檢查情況概述
1.1 故障現(xiàn)象
某航空發(fā)動機(jī)試驗(yàn)過程中，出現(xiàn)振動值急劇上升，大幅超出規(guī)定值的現(xiàn)象。立即停止試驗(yàn)，用孔探儀檢查發(fā)現(xiàn)，該航空發(fā)動機(jī)的高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片多處燒蝕。
1.2 發(fā)動機(jī)分解檢查情況
故障發(fā)生后，對發(fā)動機(jī)按大組件進(jìn)行了分解檢查。外部管路、附件及尾噴口分解未見異常；分解加力擴(kuò)散器時，發(fā)現(xiàn)少量金屬顆粒；分解渦輪后機(jī)匣時，發(fā)現(xiàn)少量金屬粉末狀顆粒，且多為粉末狀碎屑；分解低壓渦輪轉(zhuǎn)子組合件時，發(fā)現(xiàn)低壓一級導(dǎo)向器密封片變形，低壓一級渦輪葉片表面存在不同程度打傷；分解高壓渦輪轉(zhuǎn)子組合件時，發(fā)現(xiàn)16片葉片存在嚴(yán)重?fù)p傷掉塊情況，其余葉片存在不同程度的變形，葉片葉尖磨損嚴(yán)重；分解主燃燒室聯(lián)合單元體時，發(fā)現(xiàn)高壓渦輪導(dǎo)向器葉片組上1件堵塊缺失，高壓渦輪導(dǎo)向器葉片表面存在多處不同程度的打傷，高壓渦輪外環(huán)塊磨損嚴(yán)重，外環(huán)塊封嚴(yán)片嚴(yán)重變形；分解二支點(diǎn)支承組件時，發(fā)現(xiàn)二支點(diǎn)密封裝置石墨斷裂一處；分解低壓單元體、高壓機(jī)匣、高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子及中介機(jī)匣組件時，未見明顯異常。
1.3 檢定結(jié)果
因主要受損零件集中在渦輪部分，高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片受損嚴(yán)重，故將全臺高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片（72片）委托中國航空工業(yè)集團(tuán)公司失效分析中心進(jìn)行分析工作。對高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片斷口分析結(jié)果表明，為高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片超溫導(dǎo)致的超溫疲勞斷裂。
2.高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片超溫影響因素分析
葉片出現(xiàn)超溫一般有以下幾個來源：油體霧化不良、燃油品質(zhì)不良、起動噴嘴油壓過低等造成的燃燒不均勻，富油燃燒，火焰后移等導(dǎo)致的環(huán)境超溫；冷卻通道（氣膜孔、型芯堵塞、葉片結(jié)構(gòu)損壞）破壞造成溫度場分布不均勻?qū)е碌木植砍瑴氐?。從該航空發(fā)動機(jī)葉片試車情況以及其他部件的損傷情況，對此臺高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片出現(xiàn)局部區(qū)域性超溫的原因展開分析。
2.1 環(huán)境超溫
從高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片損傷周向分布情況看，損傷掉塊且超溫的葉片集中在1/4的區(qū)域內(nèi)。距離較遠(yuǎn)的葉片有過熱，但無超溫現(xiàn)象，可以說明高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片環(huán)境溫度無明顯異常，即部分葉片的超溫疲勞斷裂是由局部超溫導(dǎo)致的。
2.2 局部超溫
梳理經(jīng)驗(yàn)樹，導(dǎo)致高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片局部超溫的原因有：高壓渦輪轉(zhuǎn)子冷卻流路不暢；高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片頂端蓋板脫落或翹曲；葉片內(nèi)冷卻通道堵塞；高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片損傷導(dǎo)致冷卻失效。針對某航空發(fā)動機(jī)進(jìn)行逐條分析。
2.2.1 高壓渦輪轉(zhuǎn)子冷卻流路不暢
該冷卻流路的空氣從高壓壓氣機(jī)出口引入轉(zhuǎn)子盤腔內(nèi)部，經(jīng)高壓壓氣機(jī)封嚴(yán)盤上的一道篦齒流入高壓鼓筒軸外腔，然后又經(jīng)一道篦齒與經(jīng)預(yù)旋噴嘴后的主燃燒室內(nèi)環(huán)腔的氣流匯合后分為兩股。一股經(jīng)篦齒盤上的外篦齒后，從導(dǎo)向葉片和轉(zhuǎn)子葉片根部的間隙流入主流道；另一股經(jīng)篦齒盤上的孔后流入高壓渦輪工作葉片，對高壓渦輪工作葉片冷卻后，分別從葉片前緣、蓋板上和其他部位的氣膜孔及尾緣的劈縫流入主流道。根據(jù)主燃燒室故檢結(jié)果，預(yù)旋噴嘴處未發(fā)現(xiàn)異常，冷卻流路未發(fā)現(xiàn)堵塞，故某航空發(fā)動機(jī)的高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片局部超溫的原因不為高壓渦輪轉(zhuǎn)子冷卻流路不暢。
2.2.2 高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片頂端蓋板脫落或翹曲
高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片蓋板缺失可造成葉片內(nèi)冷卻空氣從頂端流出，葉片氣模孔無冷卻氣流出，葉片氣膜冷卻失效，會造成葉片燒蝕掉塊。檢查葉片蓋板，掉塊較大的高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片的葉片蓋板在前緣位置完全損傷，其他宏觀未裂葉片的葉片蓋板無明顯掉塊，僅存在^為嚴(yán)重的刮磨，及葉背葉尖棱邊變形缺失。該航空發(fā)動機(jī)曾發(fā)生過高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片蓋板脫落、翹曲故障，與此次事故的現(xiàn)象不符，且高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片已經(jīng)采取多種措施，避免蓋板翹曲故障發(fā)生。因此認(rèn)為某航空發(fā)動機(jī)的高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片局部超溫的原因?yàn)楦邏簻u輪轉(zhuǎn)子葉片頂端蓋板脫落或翹曲的概率較低。
2.2.3 葉片內(nèi)冷卻通道堵塞
外來物堵塞高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片冷卻通道，有可能導(dǎo)致葉片冷卻的逆流裕度不足而發(fā)生超溫。因此做如下工作，分解檢查故障葉片榫頭底部進(jìn)氣窗口，未發(fā)現(xiàn)堵塞物；解剖葉片未發(fā)現(xiàn)堵塞現(xiàn)象；復(fù)查葉片水流量均合格。據(jù)此排除某航空發(fā)動機(jī)的高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片局部超溫的原因?yàn)槿~片內(nèi)冷卻通道堵塞。
2.2.4 高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片損傷導(dǎo)致冷卻失效
檢查結(jié)果表明，一個高壓渦輪導(dǎo)向器堵塊缺失。該堵塊尺寸為14.8mm×4.3mm×2.2mm，材料為K40M。裝配于高壓渦輪導(dǎo)向葉片上緣板后端，用真空釬焊方法固定，主要作用是封堵葉片緣板鑄造時的工藝退渣口。
將全臺共計72片高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片做能譜分析，結(jié)果表明第14塊高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片表面存在K40M，且所有高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片表面未見其他異常外來成分。這表明缺失的高壓渦輪導(dǎo)向器堵塊脫落，并且撞擊了高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片。分析認(rèn)為如果高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片受到外物打傷產(chǎn)生裂紋或裂口，裂紋或裂口損傷隨著高壓渦輪轉(zhuǎn)子工作出現(xiàn)擴(kuò)展，使高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片內(nèi)部冷卻空氣從損傷處流出，葉片氣模冷卻失效造成葉片超溫?zé)g，在中國航空工業(yè)集團(tuán)公司失效分析中心分析報告中，有3片葉片疲勞起源特征為外物打傷。
因此，高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片受到外物打傷引起葉片冷卻失效有很大可能是某航空發(fā)動機(jī)高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片局部超溫的主要原因。
3.某航空發(fā)動機(jī)故障檢查結(jié)論并改進(jìn)工藝
在初步判定為高壓渦輪導(dǎo)向器堵塊脫落打傷高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片引起葉片冷卻失效后，有大量的故障檢查事實(shí)滿足以上推論，如：高壓渦輪導(dǎo)向器工藝堵塊掉落；高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片損傷嚴(yán)重；高壓渦輪導(dǎo)向器及其他高壓渦輪后的流道件均有不同程度損傷；高壓渦輪之前的流道件故檢未發(fā)現(xiàn)異常；掉塊葉片主要集中在周向約1/4區(qū)域內(nèi)；故障起始發(fā)生在高壓渦輪導(dǎo)向器和高壓渦輪之間；從斷口分析結(jié)果來看，高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片出現(xiàn)疲勞斷裂是由于葉片超溫造成材質(zhì)疲勞性能下降，在源區(qū)應(yīng)力集中（氣膜孔和燒蝕缺陷）和振動應(yīng)力作用下出現(xiàn)疲勞開裂和擴(kuò)展，最終導(dǎo)致掉塊；從試車情況分析，應(yīng)是高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片發(fā)生故障后引起的振動；從以往高導(dǎo)葉片堵塊脫落故障分析，由于高導(dǎo)堵塊焊接工藝存在問題，堵塊存在脫落的可能性，且堵塊脫落對高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片等零件會造成傷害；從故障原因分析，高導(dǎo)葉片堵塊脫落打傷高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片可以造成高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片冷卻失效導(dǎo)致局部超溫，進(jìn)而發(fā)生撕裂掉塊等。
依據(jù)分析推得故障模式：發(fā)動機(jī)工作時，一個高壓渦輪導(dǎo)向器堵塊發(fā)生脫落，掉落在高壓渦輪導(dǎo)向器與高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片之間的流道內(nèi)。堵塊隨著氣流撞擊到高速旋轉(zhuǎn)的高壓渦輪轉(zhuǎn)子某些葉片前緣，對這些葉片產(chǎn)生傷害，形成裂紋或裂口。裂紋或裂口損傷在熱應(yīng)力、離心應(yīng)力及振動應(yīng)力等的共同作用下，逐步擴(kuò)展，導(dǎo)致高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片冷卻失效，致使葉片超溫造成材質(zhì)疲勞性能下降，進(jìn)而發(fā)生撕裂掉塊的情況。撕裂掉塊的葉片殘骸四散，對相鄰高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片繼續(xù)產(chǎn)生傷害。葉片的撕裂掉塊影響了附近其他葉片的冷卻效果，致使其他葉片也發(fā)生了超溫的情況。多個葉片的損傷使得高壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡被破壞，高壓渦輪轉(zhuǎn)子發(fā)生振動，發(fā)動機(jī)振動值激增，振動引起高壓渦輪轉(zhuǎn)子異位，高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片與高壓渦輪機(jī)匣外環(huán)以及空氣導(dǎo)管與低渦軸等發(fā)生異常碰磨。
至此，某航空發(fā)動機(jī)試驗(yàn)過程中振動故障的原因判定為高壓渦輪導(dǎo)向器堵塊脫落。針對此問題，將高壓渦輪導(dǎo)向器堵塊的工藝方法由真空釬焊改為氬弧焊，某航空發(fā)動機(jī)后續(xù)試驗(yàn)過程中杜絕了此類問題的發(fā)生。
結(jié)語
航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展很大程度上是由于一次又一次解決了振動問題。振動影響因素眾多，如何準(zhǔn)確抓住發(fā)動機(jī)振動的罪魁禍?zhǔn)?，本次試?yàn)過程振動的排除方法可供相關(guān)技術(shù)人員借鑒：
（1）全面系統(tǒng)檢查故障航空發(fā)動機(jī)，得到翔實(shí)的故障檢查結(jié)論；
（2）抓住故障檢查結(jié)論重要部分進(jìn)行最高能力分析；
（3）查閱振動問題數(shù)據(jù)庫尋找故障發(fā)生可能原因，利用排除法分析；
（4）大膽假設(shè)最可能原因，尋找事實(shí)證明，推理故障模式；
（5）判定故障原因，進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，充航空發(fā)動機(jī)振動問題數(shù)據(jù)庫。
在航空發(fā)動機(jī)振動問題的解決上，充實(shí)完善航空發(fā)動機(jī)振動問題數(shù)據(jù)庫、建立符合航空發(fā)動機(jī)體系的分析問題方法，才是解決振動問題，提升航空發(fā)動機(jī)試驗(yàn)技術(shù)的正確途徑。
參考文獻(xiàn)
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Abstract： This paper， through virtual reality technology， constructed a aero-engine virtual teaching experiment system which can achieve the functions of engine simulation assembly， engine structure display， engine working mechanism demo， engine simulation test. Through the three-dimensional interaction and visual simulation means of this system， the students can get the vision， hearing， touch and other sensory experiences， with a very strong interaction and immersion. Engine virtual teaching experiment system effectively overcome the high cost， operational difficulties and other issues of traditional teaching experiment， so it has great significance to the promotion of China's aviation technical personnel training.
關(guān)鍵詞： 航空發(fā)動機(jī)；虛擬教學(xué)；三維仿真；人機(jī)交互
Key words： aero-engine；virtual learning；three-dimensional simulation；human-computer interaction
中圖分類號：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2013）11-0181-02
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作者簡介：劉振俠（1963-），男，陜西西安人，教授，研究方向?yàn)楹娇瞻l(fā)動機(jī)推進(jìn)理論與工程。
0 引言
航空發(fā)動機(jī)是當(dāng)代工業(yè)技術(shù)發(fā)展的結(jié)晶，是工業(yè)技術(shù)“皇冠上的明珠”，對國民經(jīng)濟(jì)、國防建設(shè)起著戰(zhàn)略性的作用。隨著軍事需求、民用航空的發(fā)展，航空發(fā)動機(jī)技術(shù)日新月異，新的設(shè)計構(gòu)造不斷涌現(xiàn)。但是長期以來，由于人才短缺、基礎(chǔ)薄弱等原因，我國航空發(fā)動機(jī)技術(shù)始終與國外先進(jìn)國家存在著較大的差距。因此，培養(yǎng)高素質(zhì)、創(chuàng)新型的航空發(fā)動機(jī)人才對促進(jìn)我國航空發(fā)動機(jī)技術(shù)發(fā)展至關(guān)重要。
實(shí)踐教學(xué)是航空發(fā)動機(jī)教學(xué)工作中的重要一環(huán)，對促進(jìn)學(xué)生了解發(fā)動機(jī)內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)、理解相關(guān)理論知識起著重要作用。傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容主要包括參觀發(fā)動機(jī)樣機(jī)、進(jìn)行發(fā)動機(jī)試車實(shí)驗(yàn)等。但是，由于航空發(fā)動機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，難以觀測到內(nèi)部細(xì)致結(jié)構(gòu)；進(jìn)行一次航空發(fā)動機(jī)試車實(shí)驗(yàn)不僅花費(fèi)高昂，而且對操作者要求極高，只能由專業(yè)技術(shù)人員操作，學(xué)生的參與度很低；另外，航空發(fā)動機(jī)技術(shù)日新月異，教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備難以及時更新，使學(xué)生所學(xué)知識與實(shí)際應(yīng)用嚴(yán)重脫節(jié)。
為了提高學(xué)生教學(xué)質(zhì)量，解決航空發(fā)動機(jī)教學(xué)設(shè)備陳舊、實(shí)驗(yàn)費(fèi)用高昂等問題，本文將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與發(fā)動機(jī)專業(yè)教學(xué)相結(jié)合，建設(shè)了了航空發(fā)動機(jī)虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)組成與功能
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)旨在建立數(shù)字化的三維虛擬航空發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)室，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)的虛擬裝配，發(fā)動機(jī)試車臺實(shí)驗(yàn)仿真，發(fā)動機(jī)內(nèi)部工作原理及內(nèi)部流場展示等多個教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。學(xué)生能夠通過這個虛擬空間觀看發(fā)動機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)，并通過視、聽、觸等感知行為去體驗(yàn)，學(xué)生能夠主動操作實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有很強(qiáng)的交互性與沉浸感。
如圖1所示，為航空發(fā)動機(jī)虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的軟硬件組成。硬件包括人機(jī)交互所用的傳感設(shè)備（如數(shù)據(jù)手套、六自由度鼠標(biāo)、觸覺與力度反饋器等）、顯示設(shè)備（如頭盔、投影屏）、虛擬環(huán)境產(chǎn)生器（包括高性能圖形工作站、立體聲音響）；支撐軟件包括對象模型生成軟件、虛擬視景軟件以及程序編輯平臺等。
通過軟硬件結(jié)合，航空發(fā)動機(jī)虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)由發(fā)動機(jī)虛擬裝配、?；瘜?shí)驗(yàn)、流場顯示等三個模塊的多種功能。
1.1 發(fā)動機(jī)虛擬裝配模塊。學(xué)生能夠在全場景、沉浸式的虛擬環(huán)境下任意角度觀測到航空發(fā)動機(jī)各大部件及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過配戴數(shù)據(jù)手套實(shí)時交互地對發(fā)動機(jī)三維模型進(jìn)行虛擬裝配，加強(qiáng)學(xué)生對發(fā)動機(jī)總體結(jié)構(gòu)和部件間的連接關(guān)系的認(rèn)識；
1.2 航空發(fā)動機(jī)?；虒W(xué)視景仿真模塊。此平臺可模擬發(fā)動機(jī)在工作過程中內(nèi)部的運(yùn)行情況，利用視景仿真技術(shù)模擬渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，氣流在發(fā)動機(jī)內(nèi)外函道的流動以及燃燒室和尾噴管的火焰現(xiàn)象，并能通過對油門桿的交互操作實(shí)現(xiàn)對這些動態(tài)現(xiàn)象的控制，可以使學(xué)生從視覺上對航空發(fā)動機(jī)內(nèi)部工作狀態(tài)有形象直觀的認(rèn)識；
1.3 發(fā)動機(jī)試車實(shí)驗(yàn)仿真模塊。能夠模擬能使發(fā)動機(jī)試車的操作過程，可以使學(xué)生了解發(fā)動機(jī)試車的具體步驟，培養(yǎng)學(xué)生對試車實(shí)驗(yàn)的實(shí)際操作能力；通過曲線歷程圖和實(shí)時數(shù)據(jù)反映發(fā)動機(jī)特性參數(shù)的變化，加深對發(fā)動機(jī)工作原理和氣動特性的理解；提供發(fā)動機(jī)試車的立體音效和控制臺視景仿真，加強(qiáng)了系統(tǒng)的沉浸感；
1.4 流場顯示仿真模塊。能夠模擬發(fā)動機(jī)內(nèi)流場質(zhì)點(diǎn)的流動軌跡，可以使觀測者直觀了解如葉柵繞流等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及其機(jī)理，加深對相關(guān)專業(yè)課的認(rèn)識和理解，達(dá)到較好的教學(xué)效果。
2 系統(tǒng)設(shè)計方案
為了應(yīng)用相應(yīng)的軟硬件設(shè)備，完成航空發(fā)動機(jī)虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)滿足的需求與功能，采取了以下設(shè)計流程來完成系統(tǒng)的搭建，如圖2所示。
2.1 第一層為硬件層，主要由虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互系統(tǒng)、大屏幕立體顯示系統(tǒng)和小型桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)組成。其中小型桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)包括高端PC工作站、VR專業(yè)三維立體圖形發(fā)生器、紅外立體眼鏡及播放器組成和CRT彩色顯示器組成。而人機(jī)交互系統(tǒng)包括由六自由度三維空間立體鼠標(biāo)、數(shù)據(jù)手套等組成。其中六自由度立體鼠標(biāo)可實(shí)現(xiàn)x、Y、z三個方向上的移動和旋轉(zhuǎn)功能；而數(shù)據(jù)手套可以真實(shí)地模擬人手的裝配動作和觸覺感應(yīng)。大屏幕立體顯示系統(tǒng)由投影儀、立體轉(zhuǎn)換器、硬幕、偏振片和偏振立體眼鏡組成。
2.2 第二層為硬件接口層，主要用于獲取六自由度三維空間鼠標(biāo)、數(shù)據(jù)手套等的虛擬裝配環(huán)境結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，設(shè)定立體眼睛雙目視覺間隔參數(shù)等。
2.3 第三層為3D模型層，首先可利用Creator、CAD等建模工具，采用體素法、輪廓掃描法和實(shí)體掃描等方法建立幾何模型，對物體的形狀、位置、大小等幾何信息，以及發(fā)動機(jī)各部件間連接關(guān)系等拓?fù)湫畔⑦M(jìn)行描述，獲得物體重心、表面積、體積、密度、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量等幾何、物理參數(shù)。
2.4 第四層為支持工具層，在本例中為VEGA虛擬環(huán)境開發(fā)系統(tǒng)，運(yùn)行于vC++6.O工作平臺，它提供了大量的處理窗口、環(huán)境以及實(shí)現(xiàn)虛擬動作的函數(shù)。
2.5 第五層為驅(qū)動層，包括數(shù)據(jù)手套、六自由度三維空間鼠標(biāo)、位置跟蹤器、立體顯示設(shè)備等的驅(qū)動程序。
2.6 第六層為應(yīng)用層，可采用vc++6.O開發(fā)出面向用戶的友好的虛擬裝配環(huán)境。最終用戶并不需要了解繁瑣的函數(shù)調(diào)用和硬件接口，只需通過空間立體鼠標(biāo)、力反饋數(shù)據(jù)手套等輸入裝配控制指令，并通過立體眼鏡、頭盔顯示器等設(shè)備觀看到實(shí)時的裝配效果。
3 系統(tǒng)應(yīng)用與前景
航空發(fā)動機(jī)虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與航空發(fā)動機(jī)專業(yè)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，克服了傳統(tǒng)教學(xué)方法設(shè)備更新困難、試驗(yàn)費(fèi)用高昂等問題，突破了傳統(tǒng)教學(xué)方式的局限性，有效地推動了教學(xué)方式的改革與創(chuàng)新。通過航空發(fā)動機(jī)虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用，系統(tǒng)有效提高了專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本，將我國航空動力專業(yè)的教學(xué)工作推上了一個新的臺階。同時，虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的思想在土木建筑、軍事教育、醫(yī)學(xué)教學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。隨著計算機(jī)與多媒體技術(shù)、仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的迅速發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)必將突破傳統(tǒng)教學(xué)方式得到廣泛應(yīng)用。
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Abstract: Digital electronic control has been the main development direction of aero-propulsion control system. To grasp the design method of digital syestem, the paper focuses on the study of fuel control to different phase of aero-engine, takes the digital electronic control system as the object,and puts the fuel control as main line. Different working phrase of the fuel system control has been analyzed. Finally, the specific regulation plan was gaven.
關(guān)鍵詞： 航空發(fā)動機(jī)；燃油系統(tǒng)；數(shù)字電子控制；計劃
Key words: aero-engine；fuel system；digital electronic control；plan
中圖分類號：V233文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1006-4311（2011）17-0023-02
0引言
航空發(fā)動機(jī)的燃油系統(tǒng)用來供給發(fā)動機(jī)主燃燒室和加力燃燒室的燃油，數(shù)子電子控制時，工況燃油流量受電子控制器控制，并要求其在所有工作狀態(tài)下，保證供給發(fā)動機(jī)燃油并自動調(diào)節(jié)供入發(fā)動機(jī)主燃燒室所需的燃油量。當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)生故障時，液壓機(jī)械備份調(diào)節(jié)系統(tǒng)可平穩(wěn)同步接替數(shù)控系統(tǒng)工作自動調(diào)節(jié)主燃油流量。
1調(diào)節(jié)規(guī)律實(shí)現(xiàn)
現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)大都為雙轉(zhuǎn)子，且多為全權(quán)限數(shù)控系統(tǒng)。為了保持左、右發(fā)動機(jī)的匹配性，討論發(fā)動機(jī)全權(quán)限數(shù)控系統(tǒng)演示驗(yàn)證樣機(jī)采用的調(diào)節(jié)規(guī)律跟原液壓機(jī)械調(diào)節(jié)規(guī)律基本一致。
1.1 穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)計劃發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)計劃見表1。當(dāng)?shù)蛪恨D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N1
1.2 過渡態(tài)調(diào)節(jié)計劃
1.2.1 起動控制
2主燃油供油裝置控制回路分析
圖1為某型數(shù)控發(fā)動機(jī)主燃油控制邏輯原理圖。
航空發(fā)動機(jī)燃油系統(tǒng)在工作時，電子控制器將理論上計算的燃油流量對應(yīng)的隨動活塞位置電信號輸出到電液伺服閥，通過電液伺服閥來控制隨動活塞的位置，隨動活塞的位置由LVDT反饋給電子控制器，這樣便構(gòu)成閉環(huán)回路。當(dāng)兩者有差值時就繼續(xù)輸出信號直止驅(qū)動隨動活塞到給定位置，通過改變斜盤角度來控制燃油流量。圖2給出了高壓可變柱塞泵在不同轉(zhuǎn)速下，LVDT電量與燃油流量、高壓可變柱塞泵轉(zhuǎn)速之間的二維關(guān)系曲線。
由圖2中曲線可看出，在高壓可變柱塞泵轉(zhuǎn)速一定的情況下，燃油流量隨LVDT電量的增加而增大；當(dāng)LVDT電量一定時，隨著柱塞泵轉(zhuǎn)速的增加，燃油流量也在增大。從發(fā)動機(jī)的工作情況來看，柱塞泵是由發(fā)動機(jī)高壓轉(zhuǎn)子經(jīng)多級減速后而帶轉(zhuǎn)，其減速比為定值2.561，柱塞泵轉(zhuǎn)速的大小也代表著高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的大小。當(dāng)高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增大時，發(fā)動機(jī)所需的熱能也要增大即燃油流量在增大。從該曲線可以看出，發(fā)動機(jī)的燃油系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)較好的控制。
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關(guān)鍵詞：發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng) 模擬仿真 優(yōu)化設(shè)計
中圖分類號：V233.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）02（c）-0210-02
1 研究背景
研究目的：針對航空發(fā)動機(jī)控制部件進(jìn)行實(shí)體建模，建立部件數(shù)據(jù)庫，包含部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)與控制特性；并搭建控制系統(tǒng)工作特性的仿真平臺，能方便地組建控制系統(tǒng)與分析系統(tǒng)的工作特性，并對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，服務(wù)于教學(xué)實(shí)踐。
研究意義：航空發(fā)動機(jī)的發(fā)動機(jī)性能計算機(jī)仿真不僅能夠指導(dǎo)發(fā)動機(jī)設(shè)計、縮短研制周期、節(jié)約經(jīng)費(fèi)，而且具有良好的可控性、可觀性、安全性、重復(fù)性和經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)。建立合理、準(zhǔn)確的航空發(fā)動機(jī)工作過程的數(shù)學(xué)模型是發(fā)動機(jī)性能仿真的基礎(chǔ)，建立適合于各種仿真目的的發(fā)動機(jī)仿真模型是仿真試驗(yàn)與分析的關(guān)鍵。
2 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制系部件及系統(tǒng)
2.1 動態(tài)特性
根據(jù)航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的工作原理，構(gòu)建轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的原理圖。
當(dāng)系統(tǒng)的輸入量不變，只考慮干擾量時，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為
2.2 穩(wěn)態(tài)特性
穩(wěn)態(tài)的誤差是控制系統(tǒng)準(zhǔn)確度的一種量度，是控制系統(tǒng)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。在航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)中，由于發(fā)動機(jī)的外界條件經(jīng)常發(fā)生變化，系統(tǒng)要在頻繁的干擾輸入下工作，因此，對干擾恢復(fù)穩(wěn)定時，輸出量的給定值與實(shí)際值的偏差。但作為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能分析，需要討論系統(tǒng)輸入和干擾輸入兩種情況。
主要根據(jù)終值定理：
假設(shè)系統(tǒng)的干擾輸入為零，即，誤差傳遞函數(shù)為
系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為
系統(tǒng)對單位階躍輸入的穩(wěn)態(tài)誤差為零，對單位斜坡輸入的穩(wěn)態(tài)誤差為常數(shù)。
2.3 控制系統(tǒng)模型建立
使用AMESim對航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)建模仿真過程中，首先基于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)原理圖，經(jīng)對原理圖及工作過程分析，確定對建模仿真具有重要作用的系統(tǒng)關(guān)鍵元件；其次，根據(jù)各元件特點(diǎn)將調(diào)節(jié)器主要元件分類為機(jī)械元件、液壓元件等；然后針對不同類別，對各元件采取相應(yīng)的建模方法分別進(jìn)行建模；最后，再根據(jù)原理圖連接各關(guān)鍵元件，構(gòu)建調(diào)節(jié)器模型。建模過程的主導(dǎo)思想是力求為用戶提供元件盡可能多的輸入?yún)?shù)，并具有盡可能準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型[1]。
3 控制系統(tǒng)的優(yōu)化
對于控制系統(tǒng)的優(yōu)化，根據(jù)性能的指標(biāo)要求對系統(tǒng)性能的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。其中，系統(tǒng)不可調(diào)整參數(shù)為油泵參數(shù)K3=1.0，K4=1.0；發(fā)動機(jī)參數(shù)TE=0.9s，KE=0.23[2]，見表1。
通過參數(shù)的調(diào)整得到不同的單位階躍響應(yīng)曲線、單位脈沖響應(yīng)曲線、系統(tǒng)的Bode圖以及系統(tǒng)根軌跡圖（見圖1），對在不同參數(shù)下的穩(wěn)定性、靈敏性、系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性和閉環(huán)系統(tǒng)的時域響應(yīng)特性，進(jìn)行分析，找到并得出最合適的控制參數(shù)。
發(fā)動機(jī)的動態(tài)特性隨發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)和飛行條件改變而改變。高空低速飛行并且發(fā)動機(jī)在低轉(zhuǎn)速狀態(tài)工作時，發(fā)動機(jī)的動態(tài)性能最差。因此，在完成設(shè)計狀態(tài)下的系統(tǒng)性能分析檢查后，必須在各種飛行條件下，對發(fā)動機(jī)的各種工作狀態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)仿真，并按性能指標(biāo)定量檢查仿真結(jié)果。若性能不滿足要求，應(yīng)重新調(diào)整參數(shù)值，直至滿足性能指標(biāo)要求為止。如果調(diào)整參數(shù)值仍不能達(dá)到要求，應(yīng)重新修改校正裝置結(jié)構(gòu)或重新設(shè)計。
4 發(fā)展的前景以及優(yōu)勢
目前研發(fā)的航空發(fā)動機(jī)控制部件及系統(tǒng)仿真教學(xué)平臺主要是針對單轉(zhuǎn)子噴氣式發(fā)動機(jī)的研究，對于目前新一代航空發(fā)動機(jī)采取的控制手段是電子控制技術(shù)，即全權(quán)限數(shù)字發(fā)動機(jī)控制器FADEC。數(shù)字電子控制器能夠進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的控制規(guī)律，可以布置更多的發(fā)動機(jī)載傳感器，用于監(jiān)控發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)并且能使發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)具備故障診斷和故障重構(gòu)能力，大大提高可靠性，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)自適應(yīng)控制[3]。
5 結(jié)語
該文研究的主要內(nèi)容包括：首先，分析了航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)建模仿真技術(shù)的發(fā)展情況；其次，分析研究了液壓機(jī)械式發(fā)動機(jī)及其轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的組成及工作原理，并對帶比例反饋的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的組成及工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究；再次，提出了基于AMESim的航空發(fā)動機(jī)燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)建模仿真研究方法；緊接著使用該建模方法對液壓機(jī)械式發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)進(jìn)行了建模；最后，對開環(huán)、閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)性能分析研究，并對“軟參數(shù)”流量系數(shù)的計算及變化情況進(jìn)行詳細(xì)的分析研究并得到單位階躍響應(yīng)曲線、單位脈沖響應(yīng)曲線、系統(tǒng)的Bode圖以及系統(tǒng)根軌跡圖。
該文所建立的航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)仿真平臺，通用性強(qiáng)，使用靈活，利用此控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)各種發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的仿真。在已研發(fā)的航空發(fā)動機(jī)控制部件及系統(tǒng)仿真教學(xué)平臺的基礎(chǔ)上進(jìn)行完善、改進(jìn)，將航空發(fā)動機(jī)電子控制技術(shù)引入進(jìn)該仿真教學(xué)平臺去，拓展航空發(fā)動機(jī)控制部件及系統(tǒng)仿真教學(xué)平臺的應(yīng)用范圍，有利于更好地理解、學(xué)習(xí)航空發(fā)動機(jī)的工作原理。
參考文獻(xiàn)
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關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機(jī)；低渦軸；清洗
中圖分類號：V267 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
現(xiàn)代的航空發(fā)動機(jī)是一個典型的復(fù)雜工程技術(shù)系統(tǒng)，包含了眾多的相關(guān)子系統(tǒng)，其工作過程是極其復(fù)雜的氣動熱力傳動的過程。在眾多的部件中，發(fā)動機(jī)低渦軸是航空發(fā)動機(jī)傳動系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一。發(fā)動機(jī)低渦軸在工作時，其表面會吸附很多雜質(zhì)，影響其工作性能。在發(fā)動機(jī)修理過程中，需要對低渦軸進(jìn)行超聲清洗，除去其表面附著的雜質(zhì)。如果這些雜質(zhì)不能被徹底的清除，那么航空發(fā)動機(jī)的安全性能得不到保證。所以，對航空發(fā)動機(jī)低渦軸進(jìn)行超聲清洗是發(fā)動機(jī)大修過程中至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)。
低渦軸超聲清洗機(jī)就是專門由于清洗低渦軸的設(shè)備，本文詳細(xì)介紹了發(fā)動機(jī)低渦軸超聲清洗機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計過程及功能。
1 低渦軸超聲清洗機(jī)總體設(shè)計
基于低渦軸超聲清洗的工藝要求及超聲清洗機(jī)機(jī)械設(shè)計對電氣控制系統(tǒng)的要求，低渦軸超聲清洗機(jī)電氣控制系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能：
（1）電氣系統(tǒng)應(yīng)具有漏電保護(hù)功能。
（2）清洗機(jī)具有對清洗槽及儲液槽中清洗液測溫、加熱及自動控溫的功能。
（3）清洗機(jī)具有清洗槽中清洗液低位控制功能。
（4）清洗機(jī)能夠自動設(shè)定及控制超聲清洗時間。
2 清洗液測溫及控溫系統(tǒng)設(shè)計
2.1 清洗機(jī)測溫功能設(shè)計
工藝要求在進(jìn)行低渦軸超聲清洗時，超聲清洗試機(jī)清洗槽內(nèi)的清洗液要一直保持在特定的溫度區(qū)間內(nèi)，因此設(shè)備要對清洗槽內(nèi)的清洗液進(jìn)行溫度測量。而且由于儲液槽內(nèi)的清洗液根據(jù)需要會向清洗槽內(nèi)補(bǔ)液，為防止在工作中達(dá)不到溫度要求的清洗液被補(bǔ)進(jìn)清洗槽中，影響清洗效果，所以對儲液槽內(nèi)的清洗液進(jìn)行溫度測量也是十分必要的。
鉑電阻作為一種精密的溫度檢測元件被廣泛應(yīng)用于智能儀表和自動控制系統(tǒng)。鉑電阻溫度傳感器是利用其電阻和溫度成一定函數(shù)關(guān)系而制成的溫度傳感器，由于其測量準(zhǔn)確度高、測量范圍大、穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性好等特點(diǎn)，被廣泛用于中溫（-200℃～650℃）范圍的溫度測量中。本試驗(yàn)器采用鉑電阻測溫方式來測量清洗槽及儲液槽內(nèi)清洗液的溫度。
2.2 清洗機(jī)控溫功能設(shè)計
由于低渦軸清洗時需要清洗液溫度保持在一定范圍內(nèi)，而在工作過程中，清洗液的溫度必然會降低，所以設(shè)備需要一套能夠自動加熱控溫的系統(tǒng)。本設(shè)備采用溫控表來實(shí)現(xiàn)溫度的顯示及自動控制。
現(xiàn)就清洗槽為例，對清洗液的加溫，控溫過程進(jìn)行說明。工作前，將溫度表的溫度上下限設(shè)定好。工作時，由于清洗液的溫度低于溫控表的溫度下限，所以溫度下限報警觸點(diǎn)閉合，加熱管開始工作，清洗槽開始加溫；當(dāng)清洗液的溫度超過溫控表設(shè)定的溫度下限，溫度下限報警觸點(diǎn)斷開，加熱管繼續(xù)工作，清洗液的溫度繼續(xù)升高；當(dāng)清洗液的溫度超過溫控表設(shè)定的溫度上限，溫度上限報警觸點(diǎn)斷開，加熱管停止工作，隨著超聲清洗工作的進(jìn)行，清洗液的溫度將會降低；當(dāng)清洗液的溫度低于溫控表設(shè)定的溫度下限，溫度下限報警觸點(diǎn)再次閉合，加熱管開始工作，清洗液溫度升高，直到清洗液的溫度超過溫控表設(shè)定的溫度上限，加熱管停止工作。以此往復(fù)，清洗槽內(nèi)的清洗液的溫度將一直保持在設(shè)定的工作溫度范圍內(nèi)。
3 超聲控制系統(tǒng)設(shè)計
由于低渦軸為空心軸，為了能夠使清洗的效果更好，所以超聲系統(tǒng)振源分為兩部分：超聲振板――主要功能是使清洗槽內(nèi)清洗液超聲振動，清洗軸的外表面；超聲振動棒――主要功能是使低渦軸內(nèi)部的清洗液超聲振動，清洗軸的內(nèi)表面。
低渦軸的清洗工藝還要求超聲清洗的時間，所以在本設(shè)備超聲控制系統(tǒng)中采用定時器來設(shè)定超聲振板及振動棒的工作時間，并且在到達(dá)工作時間后，設(shè)備自動停止超聲振板及振動棒工作，達(dá)到精確控制的目的。
4 其它系統(tǒng)設(shè)計
4.1 漏電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計
用于清洗低渦軸的清洗液是導(dǎo)電的液體，加熱管、超聲振板及振動棒出現(xiàn)漏電現(xiàn)象，那么直接威脅著操作者的生命安全，所以設(shè)備在設(shè)計中增加漏電保護(hù)的功能。設(shè)備帶有漏電保護(hù)功能的空氣斷路器，加熱管、超聲振板及振動棒出現(xiàn)漏電現(xiàn)象，漏電保護(hù)器將動作，切斷該用電器主回路電源，使設(shè)備處于安全狀態(tài)中，保護(hù)操作者的人身安全。
4.2 清洗液液位保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計
清洗機(jī)工作時，可能出現(xiàn)兩種清洗槽“干燒”現(xiàn)象。第一，工作前忘記向清洗槽中添加清洗液時就開始加熱，由于清洗槽內(nèi)沒有清洗液造成“干燒”現(xiàn)象；第二，超聲清洗工作時間過長，清洗液揮發(fā)嚴(yán)重，操作者沒有及時發(fā)現(xiàn)造成“干燒”現(xiàn)象。這兩種情況都會對設(shè)備造成嚴(yán)重的損壞，甚至發(fā)生火災(zāi)等安全事故。為避免這種情況的發(fā)生，在清洗槽中增加了液位傳感器。當(dāng)清洗槽中的清洗液超過液位傳感器設(shè)定的下限值時，液位傳感器的常開觸點(diǎn)閉合，將這個觸點(diǎn)串聯(lián)在控制回路中，只有這個觸電閉合的情況下才可以進(jìn)行加熱的工作。
結(jié)語
低渦軸是航空發(fā)動機(jī)的重要部件，其在發(fā)動機(jī)修理過程中超聲清洗的結(jié)果，直接影響著發(fā)動機(jī)的性能及安全。所以低渦軸超聲清洗機(jī)是修理航空發(fā)動機(jī)必不可缺的試驗(yàn)設(shè)備。通過對低渦軸的技術(shù)資料及工藝文件要求的消化理解，確定設(shè)計電氣控制系統(tǒng)所需的技術(shù)參數(shù)，完成試驗(yàn)器的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計。設(shè)備具有自動控溫、超聲計時控制、清洗液液位低位控制、漏電保護(hù)等功能。超聲清洗機(jī)的電氣性能完全可以滿足低渦軸的超聲清洗工藝要求，而且系統(tǒng)還具有性能穩(wěn)定、操作簡單、維護(hù)方便、安全性高等特點(diǎn)。
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