活塞式航空发动机试车测试系统研究

活塞式航空发动机试车测试系统研究

李杰 1 刘锡 1 肖文章 2 孙爽 1

1 中国人民解放军 32033部队 海南 海口 570100 2 航天神舟飞行器有限公司 天津 300301

摘要：文章主要是分析了国内外研究情况及发展趋势，在此基础上讲解了测试系统总体设计情况，望可以为有关人员提供到一定的参考和帮助。

关键词：活塞发动机；试车测试；设计选型；测试规范

1、前言

当前我国低空领域的逐渐开发使得私人飞机逐渐增多，这给航空产业带来了一定的发展机遇。活塞式航空发动机维修保养是通用航空维修企业中重要的一项工作内容，为此有关人员应当要增强到对维修保养工作的重视程度，其是航空维修企业发展的重点。

2、国内外研究情况及发展趋势

在国际航空工业领域，试验测试技术、设计计算分析与制造技术并称为研制航空发动机的三大支柱技术。航空发动机的试车测试技术应用在航空发动机研发、生产及维修的整个过程中，对每一个环节都起着至关重要的作用。现代测试技术的广泛应用给通用航空业的发展注入了强劲的“动力”。战争是技术的催化剂，在两次世界大战期间，活塞式发动机持续得到发展。首先是成功地为风冷式发动机设计了整流罩，减少了气流阻力，改善了冷却。期间另外两项重大改进是采用废气涡轮增压和变矩螺旋桨，增大了发动机功率和工作高度并改善了螺旋桨特性。战后，由于喷气式发动机的出现，就没有再出现大功率的活塞式发动机，活塞式发动机的设计工作主要集中在功率370kw以下的小发动机，用于公务机、农林机、运动机和无人机等轻型飞机和直升机。这一时期的活塞式航空发动机试车系统，多是采用的是人工记录模拟仪表显示的数据，并收集汇总，这种测试系统需要多名专业人员相互配合，需要较长的测试时间，工作效率较低，且测试的参数和精度较低。随着喷气式发动机的广泛应用，计算机技术以及测试仪器得到了不断的发展革新，控制理论、系统仿真、试验设计和数据库在工程测试中的广泛应用，更为直观、科学、准确的计算机辅助测试(TheComputerAided—Testing，简称CAT)技术在通用航空发动机的测试中应运而生。近年来，国外在航空发动机整机试车CAT技术的研究日趋成熟，并在实际试车中得到了广泛应用。美国阿诺德工程发展中心新建的模拟高空试车台上，安装使用了一套能够准确模拟飞机加速、减速、爬升或俯冲时高度与发动机进口M数变化的自动操作系统；法国ONERA宇航研究院和德国DLR宇航研究院都在叶栅部件试验台上使用了以工作站为核心机的CAT系统；美国WesternKentucky大学计算机科学工程系研究的用于宇航飞船主发动机试车的“经验一知识收集及归纳系统”；NASA的Langley研究中心研制的“实时闭环仿真及控制系统”；美国科学应用国际公司的“空对空导弹分布式仿真测试系统”；意大利空军学院的G．Torella教学用的专家系统川[9]；日本石川岛播磨重工Mizuho航空发动机生产部研制的“喷气发动机试车台诊断专家系统”。在国内，航空发动机整机试车测试技术的应用研究也犹如雨后春笋一般逐步发展起来，其中，比较引人注目的是在发动机整体部件的加工制造与组织装配中运用摩擦学系统监测技术，以及在发动机出厂试车、大修试车过程中运用滑油颗粒检测技术，这样大大提高了检测精度和测试效率，在实际生产实践中发挥着重大作用。由于计算机辅助测试（CAT）的日趋发展，航空发动机整机试车CAT技术的研究和应用在我国也得到了与日俱增的发展。早在20世纪90年代，平面叶栅计算机辅助试验系统的研发与应用揭开了我国CAT技术改革的新篇章，广泛应用在涡喷系列发动机、涡桨系列发动机及活塞系列发动机之上[13]。在21世纪初的十余年间CAT技术如井喷般应用在我国的多家航空发动机制造、维修企业，对活塞系列发动机以及其他系列发动机的实验测试带来了前所未有的便利。此时的测试系统就已经包括数据采集器、数据显示器、PC机及数据分析装置等，可实现实时有效的控制调节。国内建设的活塞式发动机试车台则以1997年中国民航飞行学院修理厂发动机车间建成的发动机试车台为代表，但该类试车台主要面向教学和科研使用，工作效率较低，使用的活塞发动机试车台比较简陋，噪声较大，测试技术较落后，不适合于维修企业使用。2010年初，该学院设计了一款活塞式发动机测试系统目前已经投入中国民航飞行学院修理厂使用，主要用于活塞式发动机维修、检查等试车测试中。随着我国通用航空产业迎来新的发展机遇，通用飞机的维修业务必然出现一个较大的发展。目前通用飞机使用的发动机多为活塞式发动机，因此活塞式发动机整机测试的将是通用航空维修工作的重要内容。但国内航空维修企业在活塞式航空发动机的试车台的技术水平及其工作效率却难以达到现代通用航空产业发展的要求。因此，为了促进我国通用航空产业发展，提高航空维修企业的技术保障能力，实现维修管理智能化，较好地完成用户的使用需求，降低企业维修成本，有效提高试车效率，开发设计一种方便试车人员使用、建造成本低的发动机试车测试系统已显得非常必要。

3、测试系统总体设计

本文设计的活塞式航空发动机试车测试系统是专门针对发动机维修企业维修生产需要开发设计的，主要用于维修企业对发动机进行大修、检修之后进行各项指标性能的检测，获得发动机的整体性能指标，通过将测试结果与发动机手册要求相比对，分析维修结果是否达标。

3.1、试车室总体设计

试车室承担着发动机试车测试的任务，在试车过程中考虑到噪音污染问题，公司决定将试车室选在宝鸡市郊区的一个塬上，那里平时人烟稀少，而且土地开阔，建设方便，受限因素小。活塞式航空发动机的试车室场地根据试车的实际要求设计，参照《航空发动机试车台设计规程》的相关规定设计试车室的结构。总共将其分为四间，包括操控间、试车间、休息室与库房。控制室布置有发动机控制台、观察窗。其中试车台架前后安装有卷帘门，其余为防盗门。为保证试车效能，特在试车间做了以下几项创新设计：（1）试车室设计为长方形结构，其前后要通风良好，视野开阔，机体及相关附件设备布置方便。试车过程中前后卷帘门敞开，这样就可避免试车间内有气流扰动，从而保证发动机进气和排气畅通。（2）在试车室的正中部位布置发动机的试车台架，四周留有足够的空间，方便燃油系统、滑油系统及传感器附件的安装布置，也给试车人员对试车架的安检带来便利。（3）该测试系统的发动机进气系统为发动机底部的进气口水平进气，排气系统使用排气软钢管连接到室外的排气方式，采用这样设计避免了排气过程中造成灰尘飞扬和噪声过大。

3.2、试车台架总体构成

由于本课题设计的发动机试车测试系统是为国内某通航发动维修企业生产使用的，本测试系统在应用过程中为了更好的满足试车工作人员各项需求，使用人机互换友好界面，把所有的英文参数全部转换成中文模式，这样给试车操作的人员扫除了语言障碍。另外在窗口版块的设计中，显示方式我们采用的是圆形指针式仪表和数字式仪表显示相结合的方式，给试车人员读取数据、判断发动机工作状况带来了极大的方便，同时也提高了测试精度和工作效率。此系统具有安全可靠、稳定性好、测试准确及开发成本低等特点。

4、结束语

由上可知，当前我国低空领域的逐渐开发使得私人飞机逐渐增多，这给航空产业带来了一定的发展机遇。活塞式航空发动机维修保养是通用航空维修企业中重要的一项工作内容，为此有关人员应当要增强到对维修保养工作的重视程度，为我国航空领域的发展奠定良好基础。

参考文献

[1] 冯志成, 张长岭, 刘军,等. 一种航空用活塞式发动机的单向阀安装工装:, CN213136475U[P]. 2021.

[2] 雷乾乾, 李强. 航空四冲程活塞发动机与恒速变矩螺旋桨匹配研究[J]. 内燃机与配件, 2021(18):4.

[3] 熊俊, 吴凡, 刘鑫,等. 压燃式航空活塞发动机对飞机振动的影响[J]. 内燃机与动力装置, 2021, 38(4):9.

[4] 李勇君, 李飞. 浅析航空活塞发动机抖动的原因与故障排除[J]. 2021(2011-17):95-95.

[5] 张群杰. 某型航空活塞发动机台架试车的滑油压力摆动故障分析[J]. 2021(2019-4):55-57.

[6] 石承玉, 邱峰, 施新宇,等. 基于VR的涡喷六航空发动机维修教学平台的设计与模拟排故应用[J]. 电脑知识与技术：学术版, 2021, 17(4):2.