[科普中国]-模拟试验台

相关背景

现代航空技术的发展，对飞行器设计提出了越来越多、越来越高的要求，作为飞行器的心脏，航空发动机一直是各国研究与投入的重点。而在发动机研制过程中，特别是多变量数字控制系统的研制中，需要解决大量的参数择优问题。由于发动机试车非常费时和费钱，且具有一定危险性，发动机控制系统的调试全部在真实发动机上进行是不现实的。而一个准确的发动机实时仿真器可以代替发动机进行试验和研究，尤其是在真实发动机上很难进行或有危险性的试验。

航空发动机模拟试验台泛指对发动机控制器或控制系统进行仿真试验的装置，其中发动机作为被控对象，用计算机进行模拟，其余所有部件均为实际部件。模拟试验台在教学和科研中都发挥着重要的作用：

1.在教学中，除了可以使学生更加直观的理解发动机控制系统的构成及其工作原理外，还可以为学生提供试验研究的平台。

2.在科研中，动态模拟试验台可以完成以下任务:①在发动机进行真实试车前，能首先进行航空发动机控制系统的动态模拟试验，以保证发动机试车时的安全和可靠;②对各种控制方案研究时，能够在动态模拟台上进行试验，以预测发动机试车时的结果;③有时甚至在发动机上难于进行的试验，在动态模拟台上能进行试验。

总体方案设计航空发动机控制器研制包括数学仿真、半物理仿真、台架试验、高空台试验及飞行演示试验等过程，其中半物理仿真非常重要，可以节约大量试验经费和时间，并能完成具有一定危险性的试验。对发动机控制器或控制系统进行半物理(也叫半实物)仿真试验的装置即航空发动机动态模拟试验台，在该试验台上，可以考验真实控制器的性能，了解控制器结构、参数等变化对发动机性能的影响，帮助调整控制器参数，进行控制器排故等。

航空发动机动态模拟试验台中，发动机作为被控对象，是用计算机进行模拟的，转速控制器采用真实的转速控制器。目前试验台仅针对机械液压式调节器进行试验，其中包括主燃油调节器和加力燃油调节器。动态模拟试验台可以针对某些型号机械液压调节器(主燃油调节器、加力燃油调节器等)进行设计，机械液压调节器本身带有供油元件泵，调节器的输出就是物理的供油量，直接去(或还有分配器等)喷嘴后燃烧。在真实的发动机中，泵是由发动机转子带动的，而在试验台中，发动机是由计算机模拟的，因此调节器中泵的转速必须和由计算机模拟的发动机的输出转速信号一致，这样就需要具有一定功率(实际带动泵是需要消耗功率的)的转速随动系统。

同时由于发动机调节器需要满足发动机整个飞行包线工作范围需要，机械液压调节器中一般都有高空修正装置，即通过感受大气压力(反映飞行高度)相应调整燃油流量来适应飞行条件的变化。因此，动态模拟试验台还应该提供大气压力信号，需要有一套供气装置。给发动机调节器提供的大气压力必须和模拟发动机的计算机提供的气压信号一致，这需要一套气压调节装置。

有的调节器的泵是由发动机高压转子带动，而调节器的控制参数是低压转子转速。调节器中转速敏感元件(离心飞重)是由低压转子带动。这样还需要一套小功率的转速随动系统，或者根据发动机高低压转速关系通过一定转速比的齿轮来驱动(稳态试验台多采用这种方式)。1

气路故障模拟试验台设计航空发动机气路故障航空发动机气路部件一般包括:进气道、低压压气机、高压压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管。空气从进气道进入低压压气机后，经低压压气机压缩提高空气压力，同时流速上升，接着再进入到高压压气机，由高压压气机进一步压缩形成高速气流，高速气流进入燃烧室，在燃烧室内，高速气流与燃油混合燃烧，形成高温高压的混合燃气，混合燃气膨胀做功，推动涡轮进一步压缩空气，形成循环，燃气做功后通尾喷管高速排出，形成推力。航空发动机气路部件多而复杂，工况恶劣，发动机运转时，始终处于高温高压的状态，经过长时间的工作，航空发动机气路部件受损积累到极限，就会发生故障，而故障的形成使得发动机气路工况进一步恶化，对气路部件的损害也越来越大。

航空发动机气路故障一般包括外来物吸入故障、燃烧室故障和碰摩故障三类。由于气路故障所涉及的部件多属发动机核心动作部件，所以气路故障对发动机的健康状况影响很大，比如碰摩故障的发生，有时是致命的，会立即使得发动机丧失功能，影响飞行安全。我也时常能看到报导，某某航班，在飞行途中，发动机遭受鸟击等等，都是发动机气路部件受到损坏，而影响发动机正常工作。

当前为保障航空发动机气路部件的正常工作，只有利用发动机监测系统，对航空发动机的气路故障进行监测，时刻掌握发动机的运行状态。虽然监测手段有很多，也能保证飞行安全，但人们更希望在保障发动机正常运行的前提下，监测手段能够在经济性因素上发挥作用，减少维护费用，降低成本。航空发动机气路状态的监测，是通过对航空发动机气路状态的一些重要参数进行监测，如:压力、温度和转速，但对这些参数的监测分析只限于发动机状况趋势发展上，以及对发动机的故障进行诊断，且只能在发动机地面台架上进行监测。

设计目标航空发动机气路故障模拟试验台的目标是实现不同气路故障的模拟，发动机气路常见故障有:外来物吸入故障、燃烧室故障和碰摩故障三种，该试验系统的设计目标也是成功完成

这三类故障的模拟，具体设计目标如下:

1)完成外来物吸入故障模拟;

2)完成燃烧室故障模拟，包括燃烧室性下降和燃烧室积碳脱落;

3)完成碰摩故障的模拟;包括不同材料间的碰摩，叶片不同转速的碰摩;

4)完成外来物、尾气综合监测系统集成试验研究。

试验台设计方案碰摩故障在航空发动机气路故障中占有很大比例，主要碰摩形式是叶片与机匣的碰摩。模拟叶片与机匣的碰摩故障，首先需要考虑碰摩故障发生的部件以及其所处的运动状态，其次需要考虑碰摩故障发生处的环境。碰摩故障一般发生于涡轮转子与压气机转子，高速旋转的叶片与封严材料或机匣发生碰摩，所以模拟碰摩故障需要“高速旋转”这一因素，其次旋转具有振动，还需要有“振动”因素;涡轮与压气机所处的环境是高温高压高载，高温是由燃油燃烧产生的热量所致，高速是发动机与气流相对速度很大所致，高载是发动机工作原理与工作环境决定的，所以模拟过程还需要“高温”、“高压”因素.

其中高速转子相当于模拟转子叶片，振动材料慢慢靠近高速转子发生碰摩，该过程是在高温高压的环境中进行的。由于是试验过程，需要控制很多参数，比如:转子转速、压力、温度、振动频率、碰摩力等等，当然所有工作须围绕试验的目的进行，比如振动材料的选取、材料的更换等等。

航空发动机气路故障模拟试验台设计方案如图所示。其中涉及到微型涡喷发动机工作、控制，电机、激振器等电器控制，以及机械本体的设计等等，是一个较为复杂的机电系统。试验方案中该模拟试验系统分为五个部分，分别是:尾喷管系统、激振系统、发动机系统、转子系统和其它机械支持部分。航空发动机气路故障中，碰摩故障占的比重最大，对碰摩故障的试验模拟是一个难点。2

双转子故障模拟试验台的设计方法简介航空发动机作为飞机动力装置，其性能直接关乎到飞机的运行安全以及经济性，被誉为“飞机的心脏”。大力发展我国航空发动机产业对于带动我国基础工业的发展和促进我国高新技术的进步具有重要意义。

而在航空发动机的振动故障研究当中，试验研究作为其中最重要的辅助手段之一。它为振动故障的理论研究提供了大量的试验数据，这对于发动机的基础研究、整机设计和制造至关重要。一般情况下采用实际设备进行试验(包括极端工况试验)的费用和风险性都较高，此时模拟试验台就成为大多数试验研究中最重要的组成部分之一。

目前国内外的大多数转子试验台可用于航空发动机典型振动故障模拟。这类转子试验台在不平衡、不对中以及碰摩等机理研究方面发挥了重要作用。但是有些转子试验台并不是根据某种型号的航空发动机而设计的，因此在具体用于模拟和验证某种型号的航空发动机振动故障时还存在一些不足。

发展现状旋转机械试验台在设计时需要考虑多方面因素，如模拟的准确性、模拟因素的全面性、台架结构的复杂性、台架的可扩展性、台架的安全性、建造成本、使用成本等等。但是首要的是台架本身具有与模拟对象的相似性，在实际设计转子试验台时，转子试验台不仅要具备物理和机械结构特性相似，最重要的是具备动力学特性相似。在此基础上可依据模拟工况对试验台进行大幅度的简化，如国内马辉、李朝峰等人研究的只是转子的不对中和不平衡，故采用了能够满足试验要求的单轮盘、两端支撑的单转子试验台;转子的不对中和不平衡分别是通过改变轮盘上的平衡螺栓数量和叠高轴承支座来实现。而转子的临界转速主要是通过更换不同的轮盘来调节。国外Eduardo Rubio和Juan C. Jauregui等人也是利用这种结构比较简单的单轮盘、两端支撑的单转子试验台研究转子的碰摩故障。这类转子试验台结构较简单，但是试验台转子与模拟对象在几何结构和物理结构上还是存在较大的差异。为此国内外学者采用了一些不同的方法对原模型进行简化，以便更好的设计转子试验台。

胡培明研究了相似理论在转子试验台设计中的应用，研究表明若将转子的径向尺寸按比例k缩小，而轴向尺寸按比例d缩小设计成相似模型，则相似模型的扭振频率特性曲线和实际转子的扭振频率特性曲线相似，且各阶扭振频率遵守固定的相似比例，与径向尺寸缩比k无关，各阶振型完全相同。

席文奎，杨兆建等设计的多支撑转子一轴承系统试验台就是以物理和机械结构特性以及动力学特性相似为依据的。在结构特性相似方面，试验台采用与原模型相同的支撑方式和结构形式;而在动力学特性相似方面，为了充分揭示多支撑轴承一转子系统的动力学特性，试验台的前三跨转子一、二阶临界转速尽量与实际转子保持一致。

在转子试验台设计过程中，进行合理的动力学特性分析是优化转子试验台的重要措施。目前国内外进行动力学特性分析主要采用数值模拟计算和试验验证。而在传统的动力学特性计算分析中，更多的是关注转子的临界转速、不平衡响应、稳定性以及在各种激励下的瞬态响应等动力学特性。但随着转子动力学的不断研究发展，轴承、轴承座以及其它有关结构也纳入到转子动力学研究中来。目前可解决这类问题的商用软件较多，如ADINA, NASTRAN, ANSYS等。

设计注意事项在设计试验台时需要从以下方面进行考虑:

1)物理和机械结构特性相似:包括转子的结构型式(是单转子还是双转子)、转子的支撑方式以及轮盘数量等;

2)动力学特性相似:包括转子的临界转速、振型以及不平衡响应等;

3)试验台的扩展性:主要指转子试验台能否根据需要，进行一定的调节以满足不同试验的需要;

4)转子及关键部件的维护和保养:包括转子工作时轴承的润滑和冷却，转子的安装和拆卸，挤压油膜阻尼器的安装、调试和保养等;

5)安全防护:转子安全运行，需要考虑哪些因素，包括给转子安装防护罩、将操作设备与试验台隔离等措施;

6)其它方面:试验操作的难易，试验台的搭建成本以及使用成本等。3