祝澤強 吳雙金 馬子生

（中國直升機設計研究所 江西省景德鎮(zhèn)市 333001）

1 引言

作為極具特色的旋翼航空器，直升機以能進行低空、低速、高機動性飛行和垂直起降等突出特點廣泛應用于軍民領域品；而且，隨著直升機技術的發(fā)展以及市場需求的不斷增長，直升機逐漸受到社會公共事業(yè)、民眾生產生活等諸多領域的重視[1]。作為直升機重要系統(tǒng)之一，發(fā)動機起動系統(tǒng)對直升機的使用性、安全性等性能有著至關重要的影響，發(fā)動機起動系統(tǒng)分為兩類：一類是電起動系統(tǒng)，另一類是空氣起動系統(tǒng)。對于無人直升機、較小功率或較小噸位的直升機而言，一般采用電起動系統(tǒng)，使用28V 地面電源作為電起動動力, 地面電源失效后，可以使用蓄電池進行代替使用[2]；對于大噸位大功率的直升機而言，采用空氣起動系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過輔助動力裝置APU（Auxiliary Power Unit）或者地面氣源站提供起動機所需要高溫高壓的氣體，將發(fā)動機帶轉到慢車狀態(tài)[3]。

直升機地面氣源站系統(tǒng)是屬于直升機發(fā)動機起動系統(tǒng)的專用保障設備，地面氣源站只有在APU 啟動損壞或失效的前提下才會使用，實現通過氣源正常啟動發(fā)動機的功能，保障發(fā)動機通過高溫高壓氣壓完成正常啟動工作[4]。發(fā)動機快速、可靠地起動是直升機正常運行以及安全飛行的重要前提，發(fā)動機的地面起動性能直接影響著直升機的整體性能[5]。所以無論是直升機機場、停機坪，還是地面聯合試驗臺都需要配置相應地面氣源站，以保證直升機發(fā)動機的正常起動，而控制系統(tǒng)直接決定了地面氣源站的功能及性能，因此進行直升機地面氣源站控制系統(tǒng)設計有著必要性。本文以某型號直升機的地面聯合試驗臺發(fā)動機起動系統(tǒng)為對象，進行地面氣源站控制系統(tǒng)的設計，并進行試驗驗證，進行實測結果分析，保證控制系統(tǒng)的設計效果。

2 地面氣源控制系統(tǒng)原理

地面氣源站系統(tǒng)的工作方式是地面氣源站與發(fā)動機起動系統(tǒng)使用供氣軟管通過單向閥接口進行連接，為發(fā)動機起動系統(tǒng)提供一定流量和壓力的穩(wěn)定氣流，帶動起動機工作，起動機再通過齒輪箱帶動發(fā)動機工作，從而使得直升機發(fā)動機正常起動[6]。地面氣源站控制系統(tǒng)由氣壓系統(tǒng)、油路系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)組成，核心組成設備包括螺桿式變頻空壓機、離心式油氣分離器、空氣加熱器、西門子可編程控制器（PLC）、液晶觸摸屏以及上位機等。

氣壓系統(tǒng)是地面氣源站的重要部分，其功能是提供具有一定溫度和一定壓力的穩(wěn)定氣源，其工作原理是空氣通過空氣過濾器濾清空氣中的雜質，通過進氣閥到達螺桿式變頻空壓機，氣壓壓力升高后與潤滑油形成油氣混合物，經過止逆閥進入離心式油氣分離器，分離過后氣體經過三級精密過濾器逐級過濾后再進行干燥、加熱，最終形成滿足技術要求的氣源供給起動系統(tǒng)，工作流程如圖1 所示；油路系統(tǒng)主要起到潤滑、密封和冷卻的作用，其工作流程是在空壓機內與凈化后的空氣形成油氣混合物，經由油水分離器分離后通過兩級過濾器和冷卻器回到空壓機主機內，最終形成閉環(huán)油路，油路系統(tǒng)工作原理如圖2 所示?？刂葡到y(tǒng)是地面氣源站的核心系統(tǒng)，其主要功能是完成對地面氣源站電機和各類控制閥的邏輯控制、完成各個傳感器信號（如：壓力、溫度等）相關參數的采集和顯示，過溫、過壓等報警功能。

圖1：氣壓系統(tǒng)工作流程圖

圖2：油路系統(tǒng)工作原理圖

3 系統(tǒng)設計

圖3：程序流程圖

直升機地面氣源車控制系統(tǒng)設計包括氣壓控制系統(tǒng)、油路控制系統(tǒng)、控制軟件三大部分的設計，主要是控制系統(tǒng)的氣源流量、氣壓和溫度，以保證提供的氣源能滿足直升機發(fā)動機起動系統(tǒng)的技術要求，以某型號直升機地面聯合試驗臺發(fā)動機起動系統(tǒng)為設計對象，根據該型號起動系統(tǒng)地面氣源站的技術要求指標進行詳細設計，判斷地面氣源站設計成功與否的指標為燃氣渦輪轉速能達到20000rpm 以上，并且發(fā)動機能在1 分鐘之內正常起動。地面氣源站技術要求如表1 所示，其中容積流量、質量流量、工作壓力以及出口溫度是系統(tǒng)設計最為關注的性能指標，直接決定了地面氣源站系統(tǒng)設計的成功與否。此外，還要求地面氣源站能滿足一定的安全性和可靠性要求。該套控制系統(tǒng)由工控機、以太網交換機和西門子可編程控制器組成，工控機通過以太網交換機與PLC 連接，可以完成對現場各設備的遠程控制和監(jiān)視[7]。

3.1 氣路控制系統(tǒng)設計

根據起動系統(tǒng)技術要求以及氣路系統(tǒng)的工作流程進行氣路系統(tǒng)設計， 氣路系統(tǒng)主要由空氣過濾器、螺桿式變頻空壓機、止逆閥、油氣分離器、三級精密過濾器、干燥器、緩沖罐、加熱器以及流量計組成,需要控制進氣閥的開關狀態(tài)、空壓機運行狀態(tài)、干燥器以及加熱器的工作狀態(tài)，監(jiān)控油氣分離器最小壓力閥狀態(tài)、三級過濾器等閥件的工作情況。氣路控制系統(tǒng)主要完成螺桿式空壓機和各類控制閥的邏輯控制，完成各個傳感器信號相關參數的采集和顯示，還應具有過溫、過壓、報警等功能。

3.2 油路控制系統(tǒng)設計

油路系統(tǒng)主要包括油氣分離器、粗過濾器、油泵、溢流閥、溫控閥、油冷卻器以及油過濾器等組成，油路控制系統(tǒng)主要控制油泵的啟停、油路的溫度以及油冷卻器的運行狀態(tài)，保證潤滑油的純凈度以及潤滑效果。溢流閥能根據壓力自動切換開關狀態(tài)，溫控閥是一個三通閥，當油溫溫度高于設定值能自動將油路旁通到油冷卻器中進行冷卻，以保證潤滑油溫度是在允許范圍內，保證潤滑冷卻的效果，兩級過濾器保證潤滑油的純凈度，進而保證壓縮空氣的純凈度以及保護空壓機和油氣分離器。

表1：設計技術指標表

表2：預調試實測結果表

表3：發(fā)動機冷轉試驗實測結果表

表4：發(fā)動機地慢試驗實測結果表

3.3 軟件設計

軟件編程采用的是LabVIEW 編程軟件，利用其強大的數據處理分析能力和良好的編程環(huán)境以及與PLC 的友好兼容特性，可以大大縮短軟件開發(fā)時間[8]。本控制系統(tǒng)的核心是可編程邏輯控制器PLC，通過模擬量采集模塊接入到PLC 中進行信號的采集，再通過以太網建立OPC 服務器與PLC S7 的連接，組態(tài)成功后在LabVIEW 內綁定變量地址，實現改變上位機變量狀態(tài)，達到遠程控制目的[9]。程序流程如圖3 所示。

前面板是人機交互的界面，操作者可以通過前面板對地面氣源系統(tǒng)進行遠程操作以及監(jiān)控，對運行結果數據進行保存以備后續(xù)分析使用。另外，還需具有報警和緊急停止功能。前面板設計包括控制方式區(qū)、設備控制參數輸入區(qū)以及監(jiān)視窗口區(qū)，控制方式區(qū)中可以選擇氣路系統(tǒng)的控制方式，一般選擇自動控制方式，手動控制需改變空壓機變頻器的參數，有一定風險，除特殊情況不要選用手動控制方式；設備控制參數輸入區(qū)中可以設定變頻器工作壓力、風機啟停溫度、干燥器啟停濕度、加熱器目標溫度、油冷卻器運行溫度等參數；監(jiān)視窗口區(qū)中可監(jiān)控系統(tǒng)中各設備的運行狀況以及出口處氣源壓力、流量和溫度實時變化表。前面板設計如圖4、5 所示。

圖4：軟件前面板（手動運行）

圖5：軟件前面板（自動運行）

4 系統(tǒng)實測結果

完成軟件開發(fā)后，進行試驗驗證。為了保護直升機發(fā)動機和人身安全，首先進行不接起動機的預調試試驗，預調試實測結果如表2 所示。

根據預調試實測結果顯示，系統(tǒng)能穩(wěn)定工作，能達到設計要求，將地面氣源站系統(tǒng)接入直升機發(fā)動機系統(tǒng)，首先進行地面氣源啟動冷轉發(fā)動機試驗，根據燃氣渦輪轉速選定合適的氣源壓力（0.38MPa）和溫度（120℃），再進行地面氣源啟動發(fā)動機地慢試驗，實測結果分別如表3、表4 所示。實測值中的流量為換算成標況下的流量。

選定合適的氣源壓力和溫度進行三次發(fā)動機地慢試驗，發(fā)動機起動時間分別為54s、52s 和52s，滿足發(fā)動機起動時間范圍要求（小于1min）；燃氣渦輪轉速分別為20588rpm、20746rpm 和20876 rpm，滿足發(fā)動機起動轉速要求范圍（大于20000rpm）。綜上所述，地面氣源啟動發(fā)動機地慢試驗成功，該地面氣源站設計成功，能滿足直升機發(fā)動機的起動要求。

5 結束語

本文詳細介紹了直升機地面氣源控制系統(tǒng)的組成、工作流程和原理。在設計中，采用PLC 作為系統(tǒng)的控制單元，使用LabVIEW作為編程軟件，兩者通過OPC 進行通訊，對油路進行閉環(huán)自動控制，氣路采用自動和手動控制兩種方式，完成軟硬件的設計后，進行試驗驗證，結果顯示該地面氣源系統(tǒng)能滿足起動要求。并且，該系統(tǒng)已成功應用于某型號直升機地面聯合試驗，系統(tǒng)準確可靠，能夠使發(fā)動機穩(wěn)定起動，且系統(tǒng)將具有很好的通用性和拓展性，具有很好的應用前景。