费仇浩 朱振宇 包兴旺 陆星宇 邹权 孙兆荣

摘  要：发动机飞机的核心，保证其安全可靠和快速起动，对飞机飞行安全和及时迅速地起飞并执行完成预期的任务是至关重要的，所以有必要对飞机的起飞过程进行更加深入地研究。然而真实的飞机发动机造价昂贵，且对于实验室建设的要求过高，因此我们跟随导师共同完成航空发动机电气控制半实物虚拟仿真平台大学生创新创业项目的创立，我们结合民航发动机电气控制系统原理及功能，设计开发集发动机转速、电气运动部件、控制率等于一体的硬件模拟平台，运用LABVIEW软件开发发动机电气控制及状态监控上位机软件，实现上位机与硬件平台的协调工作，完成发动机电气控制的关键功能。同时，开发3D虚拟发动机模型，实现上位机、硬件平台及虚拟模型的联动，充分再现真实发动机的控制规律与过程。

关键词：3D软件;LABVIEW;上位机;硬件平台及虚拟模型的联动

中图分类号：V23           文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）10-0038-04

Abstract： The core of the engine aircraft， to ensure its safe， reliable and fast start， is very important for the aircraft to take off safely and quickly and complete the expected tasks in a timely manner， so it is necessary to conduct a more in-depth study on the take-off process of the aircraft. However， the real aircraft engine is expensive， and the requirements for laboratory construction are too high， so we follow our mentor to complete the creation of the innovative and entrepreneurial project of the aero-engine electrical control hardware-in-the-loop virtual simulation platform for college students. Combined with the principles and functions of the civil aviation engine electrical control system， we design and develop a hardware simulation platform that integrates engine speed， electrical motion parts， control rate and so on. The upper computer software of engine electrical control and condition monitoring is developed using LABVIEW software， which realizes the coordination between the host computer and the hardware platform， and completes the key functions of engine electrical control. At the same time， the 3D virtual engine model is developed， so as to realize the linkage of the host computer， the hardware platform and the virtual model， and fully reproduce the control law and process of the real engine.

Keywords： 3D software; LABVIEW; host computer; linkage of hardware platform and virtual model

1 發动机的结构构造

航空发动机作为航空飞行器的动力核心，起动过程的顺利与否直接决定了发动机能否正常工作，起动性能的好坏也是一项衡量一个航空发动机综合性能的重要指标。

航空发动机的结构非常复杂，形式非常多样，因此想要航空发动机的模型建立前必须要对真实发动机结构有清晰的认识。本课题建立的仿真模型全部是基于CFM56-5系列航空发动机。空中客车A320系列飞机使用的就是这种发动机。这款发动机的起飞推动范围可达21000至30000磅，完全适用于此类飞行器的需求。涡轮发动机大家族里最为典型的，最具有代表性的就是这款发动机。它长2.14m，宽1.97m，可达2381kg。核心机部分和整流罩部分是涡轮发动机的动力装置最重要的组成部分。在外形上，整流罩完全达到空气动力学的标准，是飞机在高空作业时，依然保持良好的飞行稳定性，使得平稳飞行。提供动力的还有空气系统，除此之外它还可以冷却涡轮发动机内部由于旋转产生大量热量的高温部件。增压轴承腔内，使舱场内部通气。负责供给和传送则是燃油系统，通过燃烧室燃烧的化学能来达到发动机活门的伺服压力调节。

空气通过进气道进去涡轮发动机后有两个去向，一方面从内涵道，空气依次经过低压压气机，高压压气机，燃烧室，高压涡轮，低压涡轮，从而被排出机外。另一方面则从外涵道流过，经过风扇直接排除机外，与内涵空气一起喷射，产生大量动力。CFM56-5系列航空发动机是典型的双轮发动机，此类发动机有两个转子系统互相独立，分别为高压转子和低压转子。它们由5个轴承连接，内部还有两个轴承腔。

总体而言，CFM56-5系列航空发动机采取的是模块式设计，大大小小可分为17个模块。但是大体上根据功能可以归类于三大模块：风扇模块，核心机模块，低压涡轮模块。风扇模板可分为风扇，低压压气机组件，风扇结构组件等。核心机模块分为：高压压气机，燃烧室和高压涡轮机等。

2 3D模型的建造

为了项目的更好的实施，逼真，模型的建立要足够的精确。就现在而言，3D模型的建立，国内外的许多机械师都使用Solidwoks软件。因为就目前SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，且该软件功能强大，组件繁多。它每个平面的草图都与CAD草图的绘制过程相同，对于有CAD使用基础的用户非常便捷。对于初学者而且，简单易学，操作简便，便于理解。满足现代机械设计的全部需求。

对于本项目而言，我们需要对涡轮发动机的几个核心部件进行模型建立，如风扇部件，压气机部件，转子部件等。每一个部件都得尽量的逼近实际，以达到项目要求。在零部件都完全建造完成后通过Solidworks的组装功能进行拼装，完成目标。

我们以叶片的构造为例：对于涡轮发动机而言，完成压气机和涡轮的进行功能转换的最为重要的组成元件就是叶片了。叶片虽小，但构造极为困难。它是由机身和棒头组成的。对于叶身而言，它本身的截面就拥有一些弯曲的叶型，截面的形状与位置和叶高的不同是息息相关的，随着叶高的不同而不断变化。工作状态下，叶片由于样头可以达到固定在转盘的效果。所以在造型方案的确定阶段，我们可以将叶片分为叶身和檸头两部分从而进行构造，并且分别造型，然后根据尺寸大小进行拼装缝合。

关于叶身方面的构造，看似简单，实则复杂，由于本身是由许许多多的连续扭转曲面构成的扇形。由于叶片具有自身剖切面重心在一条直线上这个显著的特点，使得我们可以用垂直于这一重心線的六个剖切平面去剖切叶身，形成的剖切平面可以轻松投影成一个封闭的二维曲线。然后就可以通过Solidworks的自带功能，进行平移，翻转等操作构造叶身的框架。具体的实施步骤则是（1）选择六个剖切基准面：叶片本身就是一个三维图形，对于它的六个剖切平面，我们得事先确定好基准面，在基准面上进行详细操作。基准面是具有平行关系的，因此我们可以选择等距平面。（2）构造二维曲线：曲线本身是非常圆滑的，但是由于叶片曲线是由两段圆弧和中间的曲线段光滑连接组成。所以我们可以通过取点的方法来间接性实现，在二段圆弧上取一系列的点，在去除圆弧本身，根据基准面的数据进行选择性的连接构造，实现目标。（3）扭曲平面的相对形成：各截面的形状和相对位置与叶高息息相关的，随着叶高的变化而变化。通过二维曲线的构建成所封闭的封闭曲线，根据不同的扭转角进行旋转平移的实际操作。同时保证它们的截面中心必须在同一点上，这样才能达到要求。（4）叶身的最终拼装。通过上述获得的零部件，通过旋转，拉伸，最终得到叶身。

榫头造型的模型构造相对于叶身显得简单了。我们只需要考虑计算榫头实际形状、榫头与叶身构成的相对位置、榫头在轮盘上实际安装位置和榫头的设计形状是圆台的一部分等一些重要因素。其主要步骤则是先选择合适的基准面，在基准面上进行详细的草图绘制，然后再将凸台进行拉伸，凸台上再选择基准面，绘制详细的结构草图，切除多余部分。以此步骤进行九次才能得到榫头设计。最终再通过软件的强大功能，根据技术要求进行细致准确的拼装，完成叶片的模型构造（如图2）。

3 虚拟平台的建立

在进行完涡轮发动机的3D模型的构造后，我们则进入该项目设计的最为关键，最为核心的部分：虚拟仿真平台设计。关于虚拟仿真平台，我们推荐使用LABVIEW软件，LABVIEW是NI公司专门研发出来基于图形的集成化程序软件开发环境，在其设计中，加入了虚拟机的构造内容。同时LABVIEW的功能也是十分强大，它完全可以胜任数据采样，仪器控制和数据分析等强大功能。其次对于LAVIEW的运行，我们不需要太高的配置，在一般的配置电脑上也能轻松运行，构造出用户心仪的虚拟模型机，其功能特性与真实机器功能相差不大。与此同时，它还备有强大的函数库资源，提供非常多的数据库模板的选择，无需封装，点开即用，非常方面与快捷。由于LABVIEW本身是由G语言构造，而且前面板与程序版只需要通过元件连线就可以轻松实现并达到预期要求，不需要精通C等各种语言，也可以轻松容易的达成。对于LABVIEW的虚拟机的构造，我们可以分为几大步骤。（1）建立Solidworks软件与LABVIEW软件的联系：Solidworks与LABVIEW可以进行转换的，首先把Solidworks中绘制的发动机零件转换为WRL格式，在另存为WRL格式前要先设置Solidworks的输出选项，即输出的版本格式选择为VRML_97，单位设置为毫米级。虽然Solidworks与LABVIEW存在连续，但Solidworks的输出格式则并不是为了LABVIEW服务的。如果格式不能是LABVIEW所接受的，则会显示错误，导致三维模型建立以失败告终，程序无法运行。（2）模型的路径构造：对于路径的构造，我们可以根据零部件的相关联度进行路径的确立。我们以整流罩为底座作为基路径，成为一切路径的基础，其次在其分支上设立分路径，根据关系将分路径与零部件一一对应详细构造而成。由路径构成，但并不能保证零部件在情景的呈现是否无缝连接，我们还得需要根据实际情况进行零部件的平移与转移。（3）涡轮风扇发动机转子和叶片的转速控制模块并确定每个零件的旋转方向：这部分得根据涡轮发动机的实际情况进行详细的操作。在旋转速度的控制方面采取分支结构，在每一个要旋转的零部件比如转子，压气机等方面设立单独的旋转控制系统与之对应。对于一些显性的控制，我们可以直接控制的地方，比如叶片的旋转，我们可以在前面板构造一个叶片的旋转控制按钮。通过这个按钮来控制程序版的执行，使得叶片开始旋转。对于一些隐性构造则是直接通过内部程序版得到的数据进行自动的旋转运行。（4）声音反馈：对于转速的变化，我们肉眼是无法看出来的，所以构造一个声音的反馈系统，通过采样转子的速度，根据快慢得到相对的声音，比如转子慢时，声音显得沉闷;快时，则声音会非常尖锐。我们可以根据这样直观的感受得到转子快慢的速度体现。这样我们的LABVIEW的主体框架就做好了，其余部分，我们还可以对LABVIEW的前面板进行美化，修改。比如背景图的设立，情景框图的大小，模型的位置，按钮的排版都需要我们去完成构造（如图3）。

4 硬件平台的形成

对于硬件平台的组成部分分别为控制器，直流电机，步进电机，直流电机控制板和步进电机控制版。左右发动机的模拟则是由直流电机来模拟。至于发动机的燃油计数部分和起动空气阀的开度由步进电机实现。对于硬件平台的设立：（1）元件的选择：关于元件的选择，例如我们选择FPGA开发板作为直流电机的选择控制，为了实现对实验箱内部的控制电路部分。它不仅可以处理定制电路的各种弊处，还可以增加可编辑门电路的数量，以便达成良好的控制编程效果，大大提高了工作效率，使开发空间有了很大的提升。（2）电路的制造：我们必须事先通过学习整理描绘出电路的连接直观图，分析电路中存在的错误，计算出电路的可实时性，不断优化和改进，以便达到最佳的效果。（3）平台的打造：根据已画的电路图，对比相对应的元件，注意元件的正负特性，规划好平台的构造理念，使排版更为简单，一旦出现问题，维修更加方便（如图4）。

5 软硬件的相互调试

随着硬件平台的完全搭建，接下来就是硬件与软件的连接调试工作了，即虚拟机与实验箱的同步运行了。要求发动机模型虚拟的动态选择速度能够与实验箱的保持一致。航空发动机的模拟的高低压转子与前面板的数值变化也应保持一致，达成项目的设立要求。

6 结论

本项目我们研究了以CFM56发动机为典型而建立的半实物虚拟仿真平台的开发，着重的研究了此类发动机的结构特点，控制系统的实施，起动的过程和发动机在LABVIEW软件环境下实施的情况，实现了与硬件平台的信息交互，完成项目的构造，但是这只是完成了项目的初期要求，结合实际，发动机的构造远远不止这些，远比这复杂的很。实际中发动机的气流量，燃油的消耗率，排气温度等因素都是具有非常大的作用的。因此对于项目的后续，我们还有以下设想：完善发动机的各种参数，研究在不同参数下发动机的各种表现，进一步的提高系统的可靠性和逼真度。

参考文献：

[1]郑绪生.某型涡轴发动机起动建模技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2005.

[2]刘同胜，刘建勋.航空发动机起动过程建模方法研究[J].科教文汇，2011，4：86-88.

[3]王永杰.航空燃氣涡轮发动机起动过程数值模拟研究[D].西安：西北工业大学，2006.