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航空发动机特种测试技术

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【摘要】:
概述现代先进航空发动机的结构复杂(如图1所示),且在高温、高压、高转速等苛刻条件下工作。目前,不论是发动机的设计、材料和工艺水平,还是使用、维修和管理水平,都不能保证发动机在使用中不出现故障。据统计,航空发动机的故障发生率约占整个飞机故障的30%以上;飞机因机械原因发生的重大飞行事故中40%左右是由于发动机故障导致的。因此,对被喻为飞机心脏的发动机各项参数进行及时、有效的检测和监测是非常必要的。由

概述

现代先进航空发动机的结构复杂(如图1所示),且在高温、高压、高转速等苛刻条件下工作。目前,不论是发动机的设计、材料和工艺水平,还是使用、维修和管理水平,都不能保证发动机在使用中不出现故障。据统计,航空发动机的故障发生率约占整个飞机故障的30%以上;飞机因机械原因发生的重大飞行事故中40%左右是由于发动机故障导致的。因此,对被喻为飞机心脏的发动机各项参数进行及时、有效的检测和监测是非常必要的。

由于航空发动机内部复杂的气动、热力过程、结构形式和控制规律,决定了它的研究和发展是设计→试制→试验与测试→再设计→再试制→再试验与测试的反复迭代过程。试验与测试技术作为验证和修改设计的唯一手段,是贯穿于发动机研制全过程的关键技术,是指导和验证发动机设计的重要依据,是评价发动机部件和整机性能的重要判据。

图1 发动机结构示意图

发动机测试技术分类

发动机在设计、试验、制造、使用全寿命周期都涉及试验与测试技术,试验与测试技术有多种分类方法,尤其是在我国发动机测试技术体系或发动机测试技术族谱未形成的状态下,人们可以从试验与测试对象、试验与测试目的、试验与测试参数、试验与测试环境、试验与测试方法及试验与测试原理等多角度去归类。

根据试验与测试对象可分为模型试验、零部件/系统试验和整机试验;

根据试验与测试目的可分为性能试验、适用性试验、结构强度、可靠性、耐久性试验等;

根据试验与测试参数可分为压力、温度、流量、振动、噪声、转速测试等;

根据试验与测试环境条件可分为地面试验、高空台试验、飞行试验等;

根据试验与测试方法可分为实物试验、半实物模拟试验和数值仿真试验等;

根据试验与测试原理可分为声、光、电、磁等测试技术。

其中,根据试验对象对测试关键技术进行的分类如图2所示。

 

 

图2 航空发动机测试技术分类

发动机的各种试验,对测试提出了很高的要求。目前的测试技术水平已经制约了发动机试验技术的发展。新型发动机畸变、防喘、稳定性和过渡态等试验对测试系统的动态特性、稳定性及精度等指标提出了更高的要求;推重比为12~15的涡扇发动机的涡轮前燃气温度范围提高到1950~2100K,涡轮叶片的温度范围为1410~1430K,这些极端恶劣条件超出了传统测量方法的测量范围。叶尖间隙、气流高温、壁面高温及燃烧室温度场等参数的测试技术,是我国发动机自主研制的重要测试手段。

上面所提及的很多发动机测试技术,都面临很大挑战,目前无法满足发动机研制和维护保障的需求,因此需要研究非常规的测试手段,习惯上称之为特种测试技术。

基本概念

航空发动机的特种测试技术目前尚没有准确的定义,不同时期、不同人员对特种测试的概念有不同解释,但大多涉及新原理、新方法、新材料和工艺在发动机测试中的应用。

航空发动机的特种测试技术主要针对传统测试方法由于在发动机测试过程中的测试空间、测试位置和测试感应手段达不到测试要求而产生的测不出和测不准的情况,将新材料、新工艺和新方法引入航空发动机测试领域中,利用特殊的测试手段和特殊的测试方法,有效地提高发动机在高温,高压和高转速情况下试验参数的获取能力。

发动机测试存在的难题,正是对特种测试提出的需求,概括起来包括3个方面:①没有检测方法,有待于从理论上解决;②检测方法不完善,需要从多方面进行改进;③检测能力无法适应发动机的发展,需要在原有的基础上取得突破。

发动机测试覆盖全寿命过程,贯穿于研制设计、生产加工、部件试验与整机试验、出厂验收、使用维护直至最终停用的各个阶段,每个阶段各有侧重,都会对测试提出要求,都可能与特种测试有关。

特种测试包括的内容很多,如高温测试、间隙测试、叶片振动测试、轴向力测试、尾喷流辐射测试、声场测试、旋转件信号传输、发动机气路测试等,本节仅对发动机行业普遍关注的内容,如复杂环境下的旋转部件测试技术、发动机气路状态测试技术、叶尖间隙测试技术和高温燃气温度场测试技术等进行重点介绍。

发动机旋转部件测试技术主要是研究在高速旋转条件下部件的性能和状态,通常需要测试静态应变、动态应变、温度和压力等信号,每个物理量的变化对发动机的影响都非常大,一些参数的变化甚至影响发动机的安全性,使发动机构件断裂或造成其他严重破坏。测量旋转部件信号通常采用的方法有集流器传输、无线传输和光电传输等方式。

发动机气路状态测试技术是从发动机中读取某些热力参数,如温度(发动机进气温度,发动机排气温度)、压力、转子转速、燃油流量等,然后把这些参数转换成标准状态下的数值,最后与发动机厂家所给定的该型发动机的标准性能参数进行比较,通过看偏差的变化情况来确定发动机的健康状况。普惠公司的ECM、通用电气公司的ADEPT和罗罗公司的COMPASS都采用这种方法实现发动机的状态监测。

发动机叶尖间隙测试技术研究的是转子叶片叶尖与机匣之间径向间隙的测试技术和测试手段,以减少工作介质的泄漏而造成的效率损失,提高发动机工作的气动稳定性。据统计,叶尖间隙每增加叶片长度的1%,效率就会降低约1.5%,耗油率增加约3%。但从另一方面看,如果片面地为了提高发动机性能而追求较小的间隙则可能导致叶尖与机匣的碰摩而引发整机振动问题,影响发动机的安全。因此,如何设计和控制间隙使其最为合适,对提高发动机性能、保证飞行安全非常重要。而目前叶尖间隙的大小靠理论方法准确计算分析尚不可行,必须在试验中进行实时监控测量。鉴于上述原因,叶尖间隙监测对发动机气动性能的设计将起到强有力的支撑作用,不仅可以验证设计方法而且还可以积累数据,为设计更高性能发动机奠定基础。

发动机高温测试技术是通过传感器探头对发动机燃烧室或燃烧室出口气流进行测试的一种重要手段。高性能航空发动机在运行时,由于气流工作压力和温度的增加,使燃烧室后气流温度和高温旋转热端部件表面温度的准确测试成为当前测试技术的瓶颈。因此,燃烧室出口燃气温度场对于评价其效率和温度分布具有重要意义。其中,沿叶高温度场分布的最大不均匀性决定了转子叶片寿命,周向温度分布的最大不均匀性决定导向器叶片是否被烧坏。对于热端旋转部件来讲,准确测试其表面温度,对于正确评价涡轮叶片的冷却效果和工作状态,保证发动机工作在最佳的温度范围和确保发动机的安全都具有重要意义。

发展概况

西方航空先进国家对于发动机特种测试技术非常重视,开展了广泛的研究并研制出大量的传感器。进而,基于这些传感器又开展了多项先进测试技术研究,包括高温燃气温度场测试、级间测试和动态测试等,并且朝着以多机和网络技术为基础,实现测试、处理、控制和管理的全自动化方向发展。其结果是,大大降低了费用和损耗,提高了试验效率和质量。同时,为了提高测试系统数据处理能力,还在对并行处理技术进行更深层次的研究与开发。

美国阿诺德工程发展中心的ASTF推进系统高空模拟试车台,配置了现阶段世界上最先进的测试系统。该系统将数据采集、处理、显示、分析和控制综合为一体,缩短了试验周期,节省了发动机工作寿命,降低了运行费用,并且减少了工作人员。此外,系统还能存储更多的有用数据,从而为优化发动机设计提供了可靠的证据。

对于发动机进出口工质的测试技术,美国GE公司进行了大量的研究,开发了损伤监测系统(EDMS)和气路碎屑监测的吞咽式监测系统(IDMS),并准备在JSF战斗机上进行应用。

近年来,国外航空发达国家将新材料和新工艺引入航空发动机的测试领域,有效地提高了在高温、高压和高转速情况下对发动机试验参数的获取能力。迫切需要研究的高温、高压等极限参数,温度、压力和振动等动态参数,以及高温应变、高温振动等复杂参数的测量正在不断寻求新的测量方法和测量手段。这方面的成就可以通过下述情况得以印证:由于钛、铝、镁等部件难以实现传感器的安装,故将特种温度、压力传感器直接铸造或镶嵌到静子叶片和支板上实现测试;示温漆的测温范围己扩展到了1400℃,使用数字成像技术对示温漆颜色进行自动判读,判读精度可达±8℃;美国NPS等公司采用压力敏感涂料技术对压气机静叶、转子、盘等部件的表面压力进行了大量的试验与测试,获取了大量有价值的研究成果;晶体测温技术(俄罗斯研制出了测温晶体,可以直接测量构件温度,测温范围和精度可达1800±6℃)、辐射高温测量技术、红外高温测量技术、示温漆、薄膜热电偶测温和晶体测温技术等已广泛应用于发动机热端部件表面温度的测试;遥测系统的工作环境已能达到温度达150℃,离心负荷达70000g,测量通道多达几百个的水平;在动态、间隙、高温和级间参数等的测试方面,已研制出先进的测试设备和仪表。近年来,由美国政府和多个发动机权威机构组成的联合体——发动机仪表工作组(PIWG),合作解决在发动机研制中共同面临的测试高新技术难题。PIWG目前研究的内容主要有:高温动压测量技术、新型传感技术(光学、化学、物理、声学等)、特种传感技术(如光纤技术)、高温燃气测量技术、非干涉壁温测试技术、动应力测量技术、信号传输技术(滑环和遥测)以及开发适用于非金属叶片的叶尖间隙测量技术等。

我国航空发动机专用的各种测试技术,如压气机级间参数测试技术、高温测试技术、气动稳定性测试技术、探针技术、隐身测试技术、燃烧测试技术和非接触测量技术等,都取得了一定的进步。高温测试方面已研制出使用温度达1650℃的高温热电偶,并成功地用于燃烧室出口温度场的测试;研制了单色和多色示温漆,实现了复杂构件表面温度场测量;达800℃的高温应变计已取得技术突破;在气动参数测量方面研制出了上百种的气动探针、叶型受感部、三孔/五孔探针、新型方向/速度探针、气冷/水冷探针等,并已成功用于发动机试验中;发动机转子轴向力测量分析技术也日趋成熟;基于光纤的黑体高温传感器和高温下的压力传感器的研究工作已经启动;矢量和脉动推力测量、扭矩实时监测、PIV、热线热膜、燃气分析、叶尖间隙测量、新型引电器、非接触振动测量等项目的研究与开发也都已展开。

压气机级间参数稳态、动态测试技术。国内测取压气机的级间性能参数多采用叶型受感部,该方法实施方便,成本低,测试数据可靠。相关科研机构为压气机级间动态参数测试研制了圆柱单孔高频压力探针、双斜孔和楔顶圆柱双孔高频压力探针;为低速风机叶轮出口的温度、压力场测量研制了吸气式单热膜探针;在低速大尺寸轴流发动机实验台上对转子内流和叶尖流动等进行了实验研究。但是国内对于压气机级间参数测试还没有形成系统化,如堵塞对发动机性能量化影响的研究还十分欠缺。

高温燃气温度测试及壁温测试技术。国内对热电偶的性能开展了系统的研究和试验,不同结构形式的热电偶在燃烧室和加力燃烧室部件试验中获得了应用。开展了红外测温、高温光学计和蓝宝石光纤测温技术的研究课题。示温漆应用于火焰筒、涡轮导向器叶片、涡轮转子叶片表面温度的测量,取得了较好的结果。光纤传感技术已经成熟应用于建筑等行业,有望实现在发动机测试中的应用。

发动机气动稳定性测控技术。已经建立了温度畸变发生器、压力畸变插板扰流器、组合畸变发生器等关键设备。开展了在失速/喘振、颤振和进口畸变流场特征等发动机气动稳定性方面的测量技术研究。

 

 

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