航空发动机三维虚拟实验教学系统简介

适用专业:飞行器制造工程、飞行器环境与生命保障工程、飞行器动力工程、探测制导与控制技术等专业。

航空发动机原理课程是飞行器制造工程、飞行器环境与生命保障工程、飞行器动力工程、探测制导与控制技术等相关专业的一门主干基础课,其理论性和实践性都很强,它的实验教学航空是发动机原理课程教学中的一个重要实践环节。目前,现实中的航空发动机原理实验存在以下局限性: 

1、工作原理难以理解。由于发动机内部结构看不见,学生对航空发动机整体结构及航空发动机的工作原理理解困难。

2、实验难以实现航空发动机的一些特性实验,一些实验在真实环境中无法开展需要较大的仪器设备,才能满足学生进行实验的需求;

3、实验成本太高,开展航空发动机整机及部件特性实验的建设和使用成本高,难以对大批量学生进行开放教学,部分实验的操作过程也比较繁琐。

4、实验风险大,航空发动机工作时转速高,排气温度高,学生开展该类型实验难度大、危险性高,部分实验设备学生无法透过外壳看到设备运行时内部零件的相互配合情况,如航空发动机组成原理实验。

随着招生规模的逐年扩大,教学改革的不断深入,航空发动机原理实验的教学任务越来越重,仪器设备台套数和实验教师数量相对不足等问题愈加突出。为了以最少的经费投入解决以上问题,并进一步激发学生的学习兴趣、增强实验效果、提高实验教学质量,我们开发了开放式网上涉及航空发动机原理等虚拟实验室软件。实验采用3D建模动画人机交互等技术,研发了航空发动机一系列虚拟仿真实验,解决航空航天类相关课程实验教学的不足。

使用现有器材模型,系统可开展如下6个常用航空发动机虚拟实验的训练:

•航空发动机建模虚拟实验

•航空发动机燃烧室虚拟实验

•航空发动机典型试车实验

•航空发动机的服役环境模拟虚拟仿真实验

•民航发动机运行监控及性能分析实验

•航空发动机热力循环分析及故障诊断虚拟仿真实验

1.航空发动机建模虚拟实验

通过本实验学生可以了解航空发动机的构成,点击后可查看各部分构件的详细介绍。

图1 航空发动机构成

图2 构件介绍面板

2.航空发动机燃烧室虚拟实验

(1)学生可以观察燃烧室的喷油点火过程及气体流动方向。

图3燃烧室

(2)输入总流量,将流量分布填入表格中,改变输入总流量多次后探寻流量分布规律,可以求出分布比,并进行相应数据的记录。

图4 输入总流量

图5 数据记录

3.航空发动机典型试车实验

实验分为三大板块,分别是设备认知、试车实验、试车实训。

(1)设备认知

通过此部分可以使学生熟悉实验环境及实验设备,了解开始实验前的准备工作,确保后期实验操作的顺利进行。

图6设备认知

(2)试车实验

通过此部分使学生了解试车实验从打开电源总开关到完成全部实验内容的全流程,然后根据实验数据和参考曲线画图,使学生更加深刻理解航空发动机油门开度与相关参数之间的关系。

图7 调整加油角度

图8 填写实验数据

图9 发动机理论曲线

(3)试车实训

图10 绘制实时曲线

4.航空发动机的服役环境模拟虚拟仿真实验

通过该虚拟仿真实验,学生可以了解航空发动机、涡轮叶片、热障涂层服役环境试验模拟装置的各个功能;了解每个功能的实验现象,熟悉热障涂层服役环境试验模拟装置操作方法,熟悉各种无损检测装置的使用方法。

(1)实验操作面板

图11实验操作面板界面

说明:实验总共分为10个大步骤,每个大步骤下面分为若干小步骤。

图12 实验步骤展示

(2)实验流程指导

学生可以根据下图实验步骤,依次完成实验,并整理出实验数据。     

图13固定被测试样

图14实验结果查看

5.民航发动机运行监控及性能分析实验

通过三维建模、虚拟现实、人机交互等技术再现了民航发动机运行过程中真实场景,可以培养学生解决实际问题的能力,强化学生的战技融合素养。

(1)民航发动机运行监控及性能分析实验

图15

(2)民航发动机运行监控及性能分析实验分为:发动机监控参数认识、发动机运行监测、性能分析三部分。

图16 模块选择界面

1)发动机监控参数认识

图17发动机的结构以及透视骨架

2)发动机运行监测

发动机运行监控分为超限报告模式、巡航报告模式两个模块。

图18

图19

3)性能分析

输入对性能趋势以及健康监控的分析,并提交实验报告后实验结束。     

图20 实验报告

6.航空发动机热力循环分析及故障诊断虚拟仿真实验

系统针对无人机作战过程中典型的姿态、轨迹自主控制过程开展虚拟仿真实验。通过三维建模、虚拟现实、人机交互等技术,再现察打一体型无人机巡航飞行的真实场景,还原无人机自主飞行中姿态变化、飞行轨迹、运动参数、舵面偏转的动力学过程,使学生理解无人机的空间运动表示方法,掌握无人机自主姿态、自主轨迹、半自主航向、半自主高度控制的基本原理、控制过程及参数变化影响。 

(1)实验主界面

图21 实验界面

(2)进行场景漫游,了解实验室组成及熟悉实验器材     

 

图22

   (3)以弹出窗口的方式了解实验原理、实验目的、注意事项

图23

(4)基础实验—航空发动机试车测试实验

依次完成:检查卷帘门是否打开、房间是否通风、检查发动机通风盖子是否打开、检查发动机油箱中滑油是否足够、打开燃油手动阀门和冷却水阀门、转动发动机扇叶、检查是否顺畅,完成上述操作后回到实验室开始实验。

图24

根据生成的曲线完成判断发动机试车台的启动过程,点击提交完成此模块。

图25

(5)点击综合实验进行热力循环与性能分析

输入试验所需参数后启动发动机,并将工况记录在下面的表格中,点击确定

图26

点击控制热力循环图,根据上面的数据计算各点熵值结束后点击下一步并绘制出图像。 

图27

返回主界面后选择创新实验完成对发动机故障的分析,进入故障选择,选择后点击确定,进入分析界面,根据提供的数据对故障的分析后实验结束。 

图28