[科普中国]-地面试车台

相关背景

航空发动机作为飞机的动力系统，它的重要性自不用说。它的研究和设计是多学科高度交叉的综合性工作，集机械设计与控制理论、空气动力学、热力学、高强度材料学、工程电子控制与测试技术等为一体。随着信息时代的到来，航空发动机性能不断提升，其结构复杂性和综合性都大大提高。

发动机测试技术在航空工业中占据重要地位，其与设计计算分析、制造技术并称为研制航空发动机的三大支柱技术，是支撑现代航空工业发展的基础技术。航空发动机的试验测试技术与航空技术发展相辅相成，并随着航空新技术的出现与发展，逐渐改善和提高其自身的测试设备、测试技术以及试验结果评价处理方法。在航空发动机的研制过程中，试验测试研究工作约占总研制时间的70%以上，属于高技术、高风险、高投资的项目。发动机试验测试过程中的振动大、噪声高、信号干扰强等复杂环境对试车中多参数的数据采集和数据处理有较大的不良影响。而航空发动机地面试车台试验技术是航空发动机试验研究中极重要的一环，贯穿于整个试验研究过程，渗透在航空发动机生命周期的每一个环节，成为航空发动机生产过程中不可或缺的关键步骤。因此地面试验研究的成功与否对一个发动机的成型、延寿和改进是至关重要的。

随着航空科学技术和高推重比发动机的发展，对发动机试验测试提出了越来越高的要求。测试内容越来越复杂，发动机试车试验不仅需要考虑特定设计工况下的推力、空气流量、燃油流量、转速等参数，还要测试稳态、瞬态和动态、静态等性能参数。测试参数项目种类多，有温度(低温、中温和高温)，压力(气体压力、液体压力和压差)、流量(燃油和空气流量)、还有几何面积尺寸参数、电压、电流等，这些参数直接关系到飞机的航程载荷、操纵性、耐久性等性能。测试精度要求更高，数据容量大。结合以现代化计算机为核心的实时数据采集控制系统，其采样速率高，可实时高效率地获得试验数据，并能够高精度处理试验测试数据，分析评价试验结果。

先进的发动机地面试车台能够进行可靠性试验、加速任务试验、结构完整性试验和疲劳寿命试验等，发动机试车台依靠先进的数据采集系统精确地获得不同工况下的试车数据，通过对参数数据的事后处理进而来判别发动机工作状况和评价发动机的性能。通过试车能达到调整性能、磨合运转以及检查发动机维修质量等目的，最终给出发动机出厂性能报告。随着现代航空技术的不断发展，高性能发动机大量采用新技术、新材料和新工艺来满足现代航空对发动机所提出的性能、可靠性和操作性使用特性等要求。

发展现状航空发动机试验测试是将试验件、试验设备、传感器、以微型计算机为基础的测控系统、控制器与启动装置综合在一体的新技术，在发动机试验中用来测量相关参数、控制相关过程，实现发动机试验的参数采集一数据处理一过程控制一试验管理这一过程的智能化。航空发动机试验测试是新型发动机研制、定型，改进型优化的关键环节，进行试验测试就离不开发动机试车台的试验测试。航空发动机试验的特点是测量参数多，技术复杂、测试环节多、投资大、耗时长等。在每个阶段，还需要进行大量的零部件、整机和辅助系统的性能试验和结构强度试验，包括稳态性能、过渡态性能、失稳状态故障研究，以至一些寿命研究等。

测控工程师可以通过计算机软件自己定义应用程序，从硬件设备中获取数据，分析、处理、显示、存储数据，并可以创建最适合的具体应用与操作用户界面。现在测量测试系统已把测试设备、公共数据库服务器及浏览器紧密连接起来，为用户提供了全新数据采集与处理、实时显示、实验数据存储与分析方法，网络化应用程序使用户更具有主动权。

国外发展现状国外的航空发动机测试技术的发展和试车台建设大概经历了三个阶段，分别为性能试验、适用性试验和耐久性试验。这三个阶段真好验证了航空发动机研制质量的发展，发动机的性能、可靠性、操纵性都得到了稳步提升。

在1941年，罗.罗(R.R)公司研制的惠特尔发动机W9由于部件试验设备的不达标引起喘振并烧坏了涡轮叶片，因此罗.罗(R.R)公司在达比建造了第一台压气机试验设备。在早期发动机研制中部件试验不足的基础上，美、英、法、俄等航空大国都先后建设了相应的发动机部件试验设备，推动了发动机测试向整车试验发展。在此期间，发动机测试也逐渐开始向自动化测试发展。

随着1947年突破音障后，发动机的研制技术得到了大步提升。从60年代开始，国外开始研制第一代加力式涡扇发动机和高涵道比涡扇发动机。进而出现了发动机进气道流场与发动机不匹配的问题，因此以进气道一发动机匹配的试验技术为代表的适用性试验得到发展并建设了新的试验设备。由此带动了发动机稳定性评定试验技术的研究及相应试验设施的建设。例如在TF30发动机研制中，为了应对飞行试验中出现的失速喘振引起的动态畸变，试验台不仅能够满足模拟网格作稳态畸变试验，还发展了基于压力和温度畸变的模拟试验。在60-70年代期间，为了对阵风、侧风、结冰、投鸟、吞水和环境噪音等进行试验模拟，英国NGTE,美国阿诺德工程发展中心(AEDC), P&w公司和通用(GE)公司开始扩建了的模拟试验台。其中美国在阿诺德工程发展中心(AEDC)兴建世界上规模最大的空推进系统试验设(ASTF)，并在此基础上扩建了亚声和超声自由射流试验能力，期间测试技术也从数据采集的脱机向联机发展，动态参数数据的测试、记录和处理技术的也开始发展起来。

从70年代开始，为了确保飞行安全，发动机试验技术开始向耐久性试验发展，如低循环疲劳试验。GE公司在发动机试验工作中，耐久性试验约占60-80%。在1973年定型的推重比8的F100发动机在使用中暴露出了可靠性和耐久性问题，因此美国制订了发动机结构完整性规范，促进了发动机耐久性试验，如加速任务模拟试验等。在这期间以计算机为核心的数据采集和处理及试验，自动试车控制技术得到了发展。

进入90年代，随着计算机技术和虚拟仪器测试技术的发展，计算机辅助测试(Computer Aided Testing，简称C AT)技术在发动机测试中的得到了应用，它融合了动态测试、系统仿真、试验设计等技术为一体。C AT技术能够综合地对试验前、试验中和试验后整个试验过程进行综合测试分析，提高发动机试验的准确性、可靠性，缩短试验周期，提高试验效率。其中美国阿诺德工程发展中心(AEDC)在其试车台上使用了自动测试系统用来模拟不同工况下的发动机的运行;法国ON ERA宇航研究院和德国D LR宇航研究院均在各自发动机部件试验台上使用了计算机辅助(C AT)系统;NASA的Langle y研究中心研制了实时闭环仿真及控制系统。

如今，随着状态监测与故障诊断技术，数据采集处理与控制数字化、综合化技术和传感器技术的发展，发动机试验技术已趋于越来越先进。此外还可以通过数据库和数字仿真的应用，建立发动机的试验数据库、试验软件库和仿真建模库，追踪发动机退化趋势，进行寿命预测，为发动机延寿提供理论依据。如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设计的诊断专家系统;口本石川岛播磨重工研究部研制的发动机试车台故障诊断专家系统;美国Western Kentucky大学研究的用于宇航飞船主发动机试车的经验知识收集及归纳系统。

国内发展现状在国内，航空发动机整机试车技术的研究和应用也完成了起步和蓬勃发展的景象。国内试车台测试技术从20世纪60年代模拟仪表起步，其试车数据主要依靠现场人员利用指针表进行手工记录，同步性差，精确度低。在1953年底，南方公司建造了50号航空发动机试车台，为我国第一台航空发动机的自主试车创造了条件，1959-1961年期间，为了满足航空发动机的试制和试车需要，南方公司还承建了活塞-5、811型和活塞一6发动机试车台，航空发动机试车台的发展开始迅速起步。从1965年开始，我国建设了SB101试车台(1号舱)，该试车台是一个连续气源的直接连接式模拟试车台，有着亚洲第一台之称，填补了我国发动机试车台史的空白。之后我国试车台的研制开始突飞猛进，在“九五”期间，我国先后完成SB121(3号舱)涡轴发动机试车台和((4号舱)小型航空发动机试车台的建设，在“十五”期间，按照科工委的批准，我国完成了2号舱的立项和建设，2号舱不仅可以满足我国新一代发动机研制模拟试验的需求，而且还能够完善和拓展SB101试车台(1号舱)的设备能力。

随着计算机技术和虚拟仪器技术的发展，发动机试车台的发展迈上新的台阶。高效先进的现场测试总线技术，使得试车台数据采集和传输的同步性得到极大改善;计算机技术使得试车台能够远程在线控制，试车数据库更能同步快捷共享，开辟了信息和数据交互的新阶段，在此期间航空发动机试车台辅助测试技术得到了较大的发展和实践应用。在1993年，西北工业大学设计开发了平面叶栅计算机辅助试验系统，此后数年还研制了用于涡喷、涡扇、涡桨发动机等试车的计算机辅助测试系统，并成功应用于多家航空发动机制造厂商。该系统具有数据自动采集、数据显示存储、数据处理发布和发动机状态诊断等功能，以功能强大的软件和硬件技术为基础，实现了一个可靠精确的发动机测试系统。至2007年底，南方公司自主研制了XX66系列发动机二号试车台，并且预留后期增大功率型发动机机型应用的裕度，该试车台技术先进、功能完善，并能实现试车台自主试车。

进入21世纪后，航空发动机试车台的发展更是突飞猛进，融合了更先进的测试硬件和编程软件的试车台能够自主实现用户管理、系统配置和诊断、试车试验过程控制、通道和传感器校准、试车数据的显示和存储、实时通信和报警等功能，并通过采用虚拟仪表形式完成实时图形显示、数据回放、试验报告生成打印等试验数据处理功能。在试验后还能够通过建立试验数据库来有序地管理试验数据，实现了航空发动机试车台测试、处理和管理的智能化，极大提高了试车台的试验效率和精度，更为以后新技术的运用提供裕度。1

试车台系统组成和测试原理试车台主要由发动机、发动机台架、电涡流测功机、转矩转速传感器、燃油及滑油箱、数据采集中心和控制中心等组成。其组成结构如图所示，发动机固定在发动机的台架系统上，台架系统上分别接有燃油、滑油供给管路，相应的测试线路和传感器布置点。控制系统通过发动机的供油管路和测试系统的相互连接实现自动控制供油，试车技术人员通过计算机操作指令控制发动机燃油供油系统的燃油供油量来实现发动机不同工作状态的转换，并且同时可以控制起动供的燃油供给量。滑油系统通过主、副油温加热器向发动机提供合适温度的滑油，并可以通过滑油回油管实现滑油的清洁、循环使用。台架上设有压力、温度、流量、振动、转速等传感器接口，传感器的信号由据采集系统采集，并经采集线路传输至计算机中心，通过计算机中心的事后处理，通过显示屏显示试车发动机的参数状态等;监控报警系统负责发动机转速、排气温度、振动状态等参数的监控，并可以在达到安全闽值实现自动报警和采取安全措施如紧急停车。计算机自动完成发动机工况控制、数据采集与处理、状态指示与数据存盘。以上操作步骤均可由试车技术人员通过控制中心的操作台快速完成。

操作台主要是进行试车台各系统及发动机的运行控制，包括各个按钮开关的操作，以及各种信号的指示。测控系统的测量参数的显示等均在此操作台上进行设置。操作台的设计应满足试车功能按钮需求和试车员的操作习惯，要求结构紧凑和操作便捷。与试车操纵有关的重要参数性能不符合试车技术要求时，应提供颜色变换提示或蜂鸣报警。操作台前面设置各种开关、按钮、指示灯、蜂鸣器等，正前方设置数采系统及监视器的显示器，操作台后面可以放置测振仪、电涡流测功机控制器、监控工控机等设备。2

试车台主要分系统燃油系统燃油系统的功能是为发动机提供充足、清洁的燃油和回油，对起动机燃油消耗量进行测量及燃调附件密封性功能测试。

发动机燃油系统主要由燃油泵、压力表、质量流量计、涡轮流量计、燃油滤等组成。放油和回油管分别回燃油进油泵前(在燃油质量流量计后)和燃油油箱。在燃油放油路中设一个可远程控制的电动燃油放油流量调节器，要求采用线性针阀，调节燃油放油量。

滑油系统试车台滑油系统的主要功能是保障发动机摩擦件的润滑和散热，是保证发动机正常运转的重要组成部分，发动机内部有摩擦件的地方就有滑油，如转子轴承、齿轮、封严装置。试车台滑油系统分为主、副滑油系统，由滑油箱、滑油泵、涡轮流量计、滑油虑、加温器、滑油温度测量接头、滑油压力测量接头和散热器等组成滑油系统中的滑油是循环工作的，滑油由滑油泵从滑油箱抽出，经过油路送往各工作部位，然后经过润滑冷却工作后的滑油由不同位置的回油泵抽回滑油箱，同时可以通过滑油压力传感器监测滑油系统的正常运转与否。

滑油系统技术要求为滑油加温应能够将滑油加温到160摄氏度，循环加温时间不大于20min，并要避免滑油因局部温度高而碳化的问题，油路的设计应简捷和实用，油滤应该选用标准件，便于拆洗。

油封系统试车台油封系统的功能是对完成交付试车或完成性能试车后需保存一定时期的发动机的燃、滑内部系统进行油封，以避免发动机在运输或保存期间受到外界的侵蚀而遭受损害。本系统为试车台提供充足、清洁的润滑油，对发动机燃、滑油系统进行油封。试车台油封系统分为两部分:一部分是滑油系统的油封系统，另一部分是燃油系统的油封系统。

滑油系统的油封系统主要由滑油箱、过滤器、油泵、加热器等组成。燃油系统的油封系统主要是由滑油箱、过滤器、加温器、滑油泵等组成。油封系统采用的滑油与发动机滑油系统所采用的滑油应保持相同。

台架系统试车台台架系统的功能是为发动机工厂台架试车提供一个安全可靠、操作简便、经济实用的安装平台。试车台台架系统技术要求为:发动机的装卸应方便快捷，各连接管路应设置整齐，便于与发动机的连接。卡环的拧紧力矩为15.2士2.ONm，同时装有发动机台架系统的固有振动频率不得高于发动机燃气发生器慢车转速的80%。

测控系统试车台测控系统的功能是采用VXI总线数据采集系统，自动采集分析发动机的参数，并与PLC可编程控制器、电涡流测功器组成了通讯网络完成了对发动机的参数测量和保护控制功能。

电气系统电气系统的功能用于发动机地面台架试车的计算机辅助试验系统控制和发动机性能及辅助设备全部参数的采集、存储、处理、分析和保护。发动机试车台电气系统的可靠性和功能性是整机试车顺利进行的保障，根据试车台设计规范要求，电气系统应能够完全自动的闭环控制发动机的运行，具有对试车全过程(包括稳态和瞬态)的分析处理能力。按功能性电气系统可以分为起动发动机起动控制、发动发动机负载控制、发动机的工作状态监测、发动机应急停车保护工作功能、控制系统的备用电源等。3