数据采集系统在航空发动机试验管理中的应用

数据采集系统在航空发动机试验管理中的应用

马雪莹

中国航发哈尔滨东安发动机有限公司 摘要：近年来，社会进步迅速，我国的航空工程建设的发展也有了改善。 现代高质量的数据采集系统不仅满足于数据采集及性能处理等基本要求，还应具有数据管理功能。针对民用航空发动机试验测试多、试验科目多、单次运行时间长、涉及专业多等特点，结合试验全生命周期管理特征，分别从试验参数配置管理、试验过程管理及试验数据记录管理三个方面阐述了数据采集系统在试验管理中的实现方法与应用。减轻了试验准备期间及试验后处理的人工负担，数据采集系统的构型管理及试验过程事件的溯源更加清晰。

关键词：数据采集系统；航空发动机试验管理；应用

引言

寿命消耗情况是衡量发动机状态的重要因素，对发动机寿命的控制是航空装备维修质量控制工作的重要内容之一。由于飞机使用要求不同，航空发动机寿命消耗不限于常规寿命，更多地需要将常规寿命与状态寿命协调、匹配使用。但当前由于各种原因，航空发动机寿命控制工作表现为：重视飞机寿命梯次控制，轻视发动机寿命梯次控制；重视发动机常规寿命，轻视发动机典型状态寿命；重视发动机使用需求匹配，轻视发动机的寿命参数匹配；重视定性分析，轻视量化验证。这样的发动机寿命控制策略很难适应新时代航空发动机使用需要，提出基于状态寿命消耗的发动机寿命控制策略成为当务之急。仿真方法是军事领域较为可行且有效的一种验证手段，其成本低、效率高、调整方便，能够验证发动机寿命控制策略的合理性和可行性，因此目前在装备维修管理领域，仍较多地采用仿真手段进行方法验证。

1试验参数配置管理研究

1.1试验参数配置管理的特征

在发动机研制阶段，同系列不同型号试验件，甚至是同一试验件改装后反复上下台，亦或同一系列发动机因试验科目不同更换试验台开展试验迭代验证的情况常有发生。而民用航空发动机温度、压力等常规测点少则千点，如果每一次都针对不同的试验次从头开始进行通道配置，那将是一个非常庞大的工作量。对于同一次上台仅试验次间的更改，如在原有配置下不断的更新修订，存在试验数据的溯源性差、人为管理易疏漏等缺点。针对目前各型号发动机试验参数特征进行分析，主要包括试验件测试参数、试验件性能计算参数以及试验台参数。对于不同型号或是同一型号不同上台次间，伴随着设计输入变更产生的同时，大部分原始参数测试是不变的，如压气机进出口参数是典型必测科目，性能计算参数基本都是按照行业标准执行的，台架设备通道信息也往往是在试验台建设完成后固化的。

1.2试验参数配置管理设计

应用分层级索引的概念对试验配置进行管理，可有效解决上述问题。分层索引旨在低维度中处理更高维度数据，应用在数据采集系统试验配置管理中，则主要利用其父节点与子节点的结构，多个子节点共用继承同一父节点上所有的通道，每次只需要进行不同子节点间有差异的配置，则会大大减少配置的工作量，管理更加清晰高效。简要的层级分布呈树状图结构，分为七个层级。对于试验台固有设备信号，即所有试验均会用到的通道设置为最高层级（L0）；试验台可分别开展两种以上类型试验，需要根据试验需求切换试验台架的，将不同类型试验共用的设备通道配置在次高层级（L1），如风扇与压气机共用动力源的试验台，在此层级下可分为风扇试验间和压气机试验间；同一系列发动机共用的设备通道、性能参数通道配置在中高层级（L2）；将同一系列同一型号的试验件共用的通道配置配置在中低层级（L3），同时截止基于此层级的继承关系，也表征着L2层级的某系列发动机与L1层级的某试验台开展试验；将同一系列同一型号试验件因上台试验次不同但共用的一些通道配置在次低层级（L4）；将同一系列统一型号不同上台次自定义的通道配置在低层级（L5）；其他特殊的临时需求等可配置在L6层级。最低层级的配置索引号是独一无二的，代表着唯一的试验配置信息。当选中L6层级配置时，系统将会自动向上关联其他层级配置，以组合成完整的试验配置。

2发动机涡轮冷却系统

常规情况下，涡轮冷却控制系统所应用的是气膜-对流复合冷却方式，相较气模冷却以及对流冷却，这种复合冷却方式的优势在于可以依据发动机不同的状态下的不同需求来提供不同的涡轮冷却空气流量。其冷却空气来源于发动机压气机和风扇。在发动机全功率运转时对处在较高燃气温度环境下的工作零件受热面提供附加冷却空气，将涡轮受热面的大量温度及时带走，对受热零件进行充分有效的保护，确保零件在工作过程中保证可靠，延长受热工做零件的使用寿命。同时，在飞机进行小油耗巡航过程中断开附加冷却空气，以此提高发动机的工作效率，减少油耗。

2.1 发动机涡轮冷却工作路线

为保证满足发动机不同工作状态条件下对涡轮的冷却，涡轮冷却系统必然要设置多条不同的冷却气路，为保证冷却系统的可靠运转减少故障，因此冷却系统中的大部分气路流量是不可调节的，设置多条记录的好处在于可以在发动机不同运转状况下通过调节一条或几条冷却气路的流量对冷却效果进行灵活调整，最大限度地满足发动机不同运转状况下不同分布的受热零件的冷却要求。此外冷却空气的来源来自发动机的内外涵道，要求其必须做到依据零件温度的高低分布，按照各个器物对涡轮进行充分冷却，确保发动机涡轮在各种工作运转状态下保持安全可靠。

2.2 发动机涡轮冷却控制系统

发动机涡轮冷却控制系统的主要功能与作用是根据发动机的不同工作状况控制冷却系统，对发动机冷却空气流量进行快速调节，保证涡轮在工作状况下得到充分适宜的冷却，保证其工作过程中的安全可靠。其主要组成部分包括汽滤、断流活门、电磁活门、分流活门以及冷却控制附件。除此之外，还包括监控仪表、综合调节器以及喷口调节器等冷却气流控制职能部件。其中断流和门的主要作用是依据其上部控制气压的压力大小来调节活门内部的活塞进行上下移动，进而达到调节冷却空气流量的目的。在工作过程中，由于外部流过的是外寒道的冷空气，因此可以运用气流来冷却涡内部流过的主燃烧室气流。此外，断流和门只存在开或关两种工作状态。当断流和门关闭时，其活塞处于下止点此时，冷却空气流量最小，但并没有切断，反之当断流和门打开时，即活塞处在上止点，此时，冷却空气流量最大，冷却效果最强。断流活门的开闭完全由活塞上部控制气体的压力来决定，当控制气体与高压气体相通时，压力最大，此时断流，活门关闭；反之，当控制气体与大气相同时，其压力最小，此时，断流活门打开。涡轮冷却控制附件的主要作用是依据喷口调节器，电磁活门以及分流活门所传达的油压指令来判断与控制断流活门活塞上腔内的气体压力情况，并以此控制断流活门的开闭。空气过滤器的功能则是去除高压气体中的杂质，确保气体质量。

结语

根据数据分析，基于发动机状态寿命消耗的寿命控制策略，在减少发动机大修和合理安排发动机使用上优于传统的发动机寿命控制策略。而传统的发动机寿命控制策略在保证飞机（发动机）飞行架次上，优于基于发动机状态寿命消耗的寿命控制策略。因此在实际工作中，机务人员要综合考虑策略与作战或训练的匹配程度，进而选择合适的发动机寿命控制策略。同时，也需要在日常训练过程中，不断积累发动机使用与保障数据，更新、修正完善上述模型，提升所提策略的准确性和有效性。

参考文献

［1］杨兴宇，朱锐锋，郑小梅，等.航空燃气涡轮发动机寿命消耗监测技术及应用［C］∥航空装备维修技术及应用研讨会.烟台：中国航空学会，2015：843-849.