教学改革类论文范文文献与发动机原理实验教学改革方面论文例文

《发动机原理实验教学改革》

该文是教学改革类研究生毕业论文范文跟教学改革和发动机和原理相关本科论文范文。

周尧明,王永超,李少伟

（北京航空航天大学航空科学与工程学院,北京100191）

摘要：“发动机原理”课程是飞行器设计类专业的一门专业基础课,文中从课程本身的特点出发,结合多年的教学经验,分析了发动机原理类课程对实验教学的需要.在对美国Turbine Technologies公司开发的“MiniLab燃气轮机动力实验系统”进行了详细的调研之后,分析了其主要功能和特点,指出了应用于本专业实验教学的诸多不足之处.在综合分析了当前的教学现状的基础上,以满专业需求为目标,提出了搭建小型涡喷发动机实验平台为核心的教学改革方案.最后详细描述了实验平台的搭建方法,并在此基础上开发了相应的实验项目.

关键词：实验教学；专业需求；教学改革；实验平台；实验项目

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）11-0094-03

作者简介：周尧明（1987-）,男（汉族）,江苏东海人,博士,北京航空航天大学航空科学与工程学院讲师,研究方向：发动机监测/控制、无人机直升机总体/航电等；李少伟（1991-）,男（汉族）,河北曲周人,硕士,北京航空航天大学航空科学与工程学院,研究方向：无人机航电/控制技术；王永超（1992-）,男（汉族）,河南邓州人,硕士,北京航空航天大学航空科学与工程学院,研究方向：无人机航电/控制技术.

一、“发动机原理”课程对实验教学的需要

航空发动机是飞机的“心脏”,在很大程度上决定了航空技术的发展水平.由于航空发动机应用的特殊性,它无疑是集中体现了现代动力机械的最先进水平[1].众多的航空发动机原理教材在阐述相关原理和性能的过程中均涉及到大量的推导公式和二维平面插图,加之发动机中某些结构复杂的三维构型,使得课程内容枯燥难懂[2].“发动机原理”课程开设的对象是飞行器设计与工程专业本科三年级的学生,其大部分学生毕业后会从事飞行器设计相关的工作.因此,在发动机原理课程的培养要求上与动力工程专业会有根本性的不同.开设“发动机原理”（即将更名为“航空发动机原理与应用”）,目的是让学生对航空发动机的基本工作原理、整体性能乃至飞机的整个动力系统有一定的理解和认识,了解发动机型号的选用方法和选用标准.重点在于“应用”,而非深入研究.为了改善这种枯燥的教学状况,“发动机原理”教学团队利用学校航空航天博物馆的资源,增加了实践参观的学时,组织学生参观拆解过的航空发动机实体.从而使学生对发动机整体的构型以及内部主要构件有了直观、清晰的认识.但是用于评价航空发动机好坏的动态性能和指标难以通过静态的实物得以体现,而这些恰恰是一个飞行器设计人员所应该了解和掌握的.从多年的教学经验来看,传统的教学模式下,教学效果难以得到有效保证[3].因此,对现有的“发动机原理”实验课程进行教学改革显得尤为迫切.要构建具有专业特色的教学体系,就必须结合专业现状,以满足专业需求为目标[4],搭建一套适合于本专业教研情况的实验平台.

美国燃机公司（Turbine Technologies）开发的“MiniLab燃气轮机动力实验系统”是一套专业的、成熟的研究燃气轮机循环过程和工作原理的实验平台.其有以下几个主要特点：（1）具有较高的稳定性；（2）在LabView实验软件的基础上,配有“一键启动”按钮.启动后,推杆调节油门,各关键参数均在主控台上显示,方便快捷,具有较高的自动化程度；（3）完备的传感器量测系统使得可以对动力系统中的压气机部件、透平部件、燃烧室部件乃至整个循环中的性能和参数进行定量分析,并最终通过主控台显示；（4）如果配置消音器的话,可用于噪声研究.

由于专业需求的差异,如果直接采购MiniLab实验系统于本课程的教学实验又存在诸多的不足之处.首先,MiniLab实验系统本身具有较高的自动化程度,且发动机及其安装固定结构、进排气系统、供输油系统、数据采集系统等均安装于防护罩内.因此,难以使学生对整个动力系统的各主要组成部分有一个具体、直观的认识.实验过程中反映发动机状态、性能的各关键参数是通过内部的软件分析处理后显示在主控台上,而不是学生结合书中的原理公式与实际采集的数据处理得到的,从而难以形成深刻理解和认识.其次,设备的部分功能,例如对于透平部件、燃烧室部件的分析太过于深入,对本课程来说是不必要的,其对噪声的研究也可以说是多余的.因此,该设备应用于本课程的教学实验将不能发挥其最大的价值.此外,该设备的主要部件及零件均为美国制造,除了其高昂的成本之外,对于失效零件的采购、更换也会给教学带来诸多的不便.

二、实验平台搭建

经过对发动机实验室,微型涡喷发动机及主要零配件、相关测量控制元件的调研,确定了实验平台搭建方案.

1.设备选型.首先确定微型涡喷发动机一台（套组）,型号：Kingtech K60G（推力60N）,如图1所示.

在此基础上选用的其他主要零配件以及相关的测量控制元件包括：ECU电子控制单元、遥控器和接收机、数显推力计、燃油泵、油箱、防气泡油箱、油虑、关断阀、皮托管式进气道、收敛性尾喷管、终端监控显示屏、进气口过滤网、系统电池、线材/油管若干.

2.搭建方案.根据已开发的实验项目,完成了地面台架的设计,在此基础上搭建的实验平台整体效果如图2所示：

图2中可以看出,微型涡喷发动机固定在台架上,整个台架可以在滑轨上自由滑动.数显推力计固定于实验台面.当发动机启动后,发动机尾喷口喷出高温高压的燃气,推动涡喷发动机向相反的方向运动,当台架接触数显测力计后,测力计开始测量,从而测定发动机产生的推力.

三、实验项目开发

单轴涡轮喷气发动机在使用中大部分时间是在推力小于最大值的状态下工作的,对于流道几何面积不可调节的单轴涡轮喷气发动机,减小推力的最简单的办法是通过减少供油量来降低发动机的转速.供油量的改变可由驾驶员操纵油门杆来实现.

发动机的推力和耗油率随发动机转速而变化的规律,通常称为转速特性,也可称为油门特性.涡轮喷气发动机在研制、生产过程中需要进行大量的地面台架试验以检验发动机的转速特性是否达到设计要求以及是否需要进行调整和修改,否则须采取相应的措施使其达到预定的性能指标.因此,发动机在地面台架试验中,录取发动机的转速特性,进行分析研究,具有十分重要的意义.在此基础上,开发了两个实验项目.

(一)实验一

1.实验目的：获得发动机转速与油门的变化关系、推力与油门的变化关系、推力与发动机转速的变化关系,并与工程实际转速特性曲线相对比,形成直观认识.

2.实验步骤：（1）按照图2实验平台效果图依次安装发动机模块、推力测量模块、燃油系统模块,然后完成ECU电子控制单元、终端监控显示屏、系统电池、数显测力计等测量模块以及遥控器等控制模块间的接线.（2）向油箱加注燃油,将ECU电子控制单元的推力曲线模式调整为FULL EXPO.（3）完成实验前检查,调整油门杆位置到最低,核对确认无误后,操纵遥控器启动涡轮喷气发动机.（4）每次增加油门杆位置10%（遥控器数字显示油门杆位置）,待稳定后,从终端监控显示屏上读取发动机转速,从数显测力计上读取发动机推力,并记录在表1中,直到油门杆位置为100%.（5）遥控器发送指令使发动机停车.（6）将ECU电子控制单元的推力曲线模式调整为LINEAR,重复实验步骤3～5.（7）实验完成,处理数据,绘制发动机转速和推力的关系曲线,油门杆位置与发动机推力的关系曲线,油门杆位置与发动机转速的关系曲线,其中推力与油门杆位置关系曲线如图3所示.

(二)实验二

1.实验目的：测量发动机耗油率随转速变化的关系,发动机推力随转速变化的关系,获得发动机转速特性曲线,并与工程实际转速特性曲线相对比,形成直观认识.

2.实验步骤：（1）在实验一已安装好的实验装置基础上,在油箱侧面贴上刻度尺,并再次进行实验前核对,检测油路,接线等.（2）向油箱加注燃油,将ECU电子控制单元的推力曲线模式调整为FULL EXPO.

（3）完成实验前检查,调整油门杆位置到最低,核对确认无误后,通过遥控器启动涡轮喷气发动机.（4）逐渐推油门杆,将发动机转速增加至0.55nmax附近,待稳定后开始计时,在表2中记录油标刻度以及此时的发动机转速、发动机推力.2分钟后,再次记录油标刻度.（5）按照步骤4的方法,重复测量,发动机转速每次增加0.05nmax,直至nmax,共测量10个测量点的相关数据.

（6）遥控器发送指令使发动机停车.（7）实验完成,处理数据,绘制发动机转速特性曲线,如图4所示.

四、小结

“发动机原理”是对飞行器设计专业本科三年级学生开设的一门专业基础课,由于课程本身较强的理论性,加之发动机内部结构的复杂性,使得课程抽象难懂.当前教学模式中的实践参观环节可以帮助学生对在课堂上难以表达清楚的某些复杂三维构型有一个清晰直观的认识,但却依然无助于学生对发动机整体动态性能的把握.在这种背景下,本文提出了搭建小型发动机实验平台的教学改革方案,并结合实验平台的特性,开发了两个实验项目,详细阐述了实验项目的流程.利用此实验平台,学生在课堂中学到的理论知识将可以得到实验的印证有助于学生对整个动力系统的组成及整体动态性能形成具体的、直观的认识.

参考文献：

[1]王云.航空发动机原理[M].北京航空航天大学出版社,2009：3-15.

[2]张银波.航空发动机原理与构造教学实践与探索[J].科技资讯,2013,（34）：149-151.

[3]施永强,杨青真.航空发动机教学实验仿真平台设计[J].高校实验室工作研究,2012,（4）：60-62.

[4]武和全,李岳林,薛盈盈,等.发动机原理课程教学改革的探索与实践[J].中国科教创新导刊,2011,（16）：62-63.

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