航空發(fā)動機(jī)計量基礎(chǔ)及前沿技術(shù)介紹

宋娜，李新良，張大治

(中航工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所，北京 100095)

0 引言

計量技術(shù)是航空發(fā)動機(jī)研制過程中重要的基礎(chǔ)技術(shù)，涉及航空發(fā)動機(jī)設(shè)計、生產(chǎn)和使用的全過程。有了可靠的計量手段和相應(yīng)的控制方法，才能保障航空發(fā)動機(jī)性能測試的準(zhǔn)確可信;同時，計量技術(shù)能夠揭示航空發(fā)動機(jī)更深層次的性質(zhì) (如結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷)，實現(xiàn)健康監(jiān)測、診斷和預(yù)計，有助于優(yōu)化其設(shè)計。

由于航空發(fā)動機(jī)的工作環(huán)境極為惡劣，很多關(guān)鍵參數(shù)又必須采用在現(xiàn)場或在線的方式進(jìn)行測試，隨著其性能的不斷提高，對關(guān)鍵參數(shù)的測量也提出了更高的要求。

目前，在發(fā)動機(jī)測試技術(shù)上，研究內(nèi)容主要有信號傳輸技術(shù) (滑環(huán)和遙測)、高溫動壓測量與傳感技術(shù)、高溫燃?xì)鉁y量技術(shù)、非干涉壁溫測試技術(shù)、動應(yīng)力測量技術(shù)等;在發(fā)動機(jī)校準(zhǔn)技術(shù)上，注重更高精度校準(zhǔn)技術(shù)的研究;在發(fā)動機(jī)檢測技術(shù)上，復(fù)合材料、金屬基體材料和超級合金的應(yīng)用及新加工工藝的應(yīng)用所需的檢測技術(shù)是國外一流發(fā)動機(jī)公司特別關(guān)注的技術(shù);在發(fā)動機(jī)的控制上，注重機(jī)構(gòu)復(fù)雜、控制功能及性能要求高的數(shù)控系統(tǒng)和先進(jìn)測試技術(shù)及校準(zhǔn)手段的研究;在發(fā)動機(jī)零部件檢測方面，解決了一系列的具體問題，如采用激光掃描、影像測量和三坐標(biāo)測量機(jī)對推重比大于10的發(fā)動機(jī)和大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)葉片類部件、發(fā)動機(jī)燃燒室和火焰筒類部件小孔位置度、發(fā)動機(jī)推力矢量噴管等進(jìn)行測量，開發(fā)適用于非金屬葉片的葉尖間隙測量技術(shù)等，但具體技術(shù)細(xì)節(jié)未見報道。

本文主要介紹了航空發(fā)動機(jī)高溫、動壓、應(yīng)變及振動等參數(shù)的通用測量方法及前沿測量技術(shù)，并就研究、應(yīng)用情況及未來的發(fā)展做了較詳細(xì)分析和介紹。

1 高溫參數(shù)計量測試技術(shù)

準(zhǔn)確測量發(fā)動機(jī)熱端部件特別是渦輪等旋轉(zhuǎn)部件溫度，是正確評價渦輪葉片冷卻效果和工作狀態(tài)、保證發(fā)動機(jī)工作在最佳的溫度范圍及其安全性的前提，其測試方法主要包括:

1)測量高溫氣流溫度的方法包括:熱電偶測溫;燃?xì)夥治龇椒╗1];輻射測溫儀測溫;聲學(xué)測溫儀測溫[2];激光測量技術(shù)測溫[3];藍(lán)寶石光纖測溫[4]。

2)測量高溫表面溫度的方法包括:薄膜熱電偶測溫[5－6];示溫漆測溫[6－8];光電高溫計測溫[8];各種輻射測溫方法，如紅外輻射測溫[6，8－9]、多波長溫度測量[8]、譜色溫度測量[8]、多光譜測量方法[4]等。

目前國內(nèi)發(fā)動機(jī)溫度測量大多使用水冷或氣冷保護(hù)外殼的鉑銠30－鉑銠6熱電偶傳感器。隨著高推重比型號發(fā)動機(jī)的研制，燃燒室后燃?xì)鉁囟葘⒃絹碓礁摺Ｔ谖磥硪欢螘r期內(nèi)，這些場合的溫度測量將繼續(xù)采用熱電偶接觸法測量，因此滿足更高要求的熱電偶溫度傳感器是未來的研究重點。

國外，美國NASA在干燒熱電偶方面進(jìn)行了深入的研究，選用耐溫更高的熱電偶材料以及外殼 (支撐)材料制成溫度傳感器，可以不使用水冷或氣冷，使測溫更高、更準(zhǔn)確。選用的熱電偶材料主要包括:

1)耐溫更高的貴金屬熱電偶材料如 PtRh40，PtRh20以及銥銠熱電偶;

2)難熔金屬熱電偶材料如鎢錸合金，測溫上限可以達(dá)到2300℃或更高，價格只是貴金屬熱電偶材料的1/10到1/15，通過表面鍍膜或惰性物填充等工藝改善，可用于高溫測量中。美國NASA Glenn研究中心將鎢錸熱電偶 (W－5%Re/W－26%Re)置于BeO保護(hù)套管內(nèi)，并在保護(hù)套管內(nèi)充入惰性氣體，BeO本身具有優(yōu)良的高溫絕緣性能并且抗熱沖擊性強(qiáng)，該傳感器在高溫氣流中使用不需水冷，測溫上限可達(dá)2589 K;

3)非金屬熱電偶材料如ZrB2，ZrC材料等，如能采取良好的增韌措施，將具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

對于干燒熱電偶的外殼材料，俄羅斯選用難熔金屬，并在其表面通過電子束濺射等方式鍍膜，目前國內(nèi)也有單位打算效仿，但鍍膜工藝是個難點。

克山縣確保高效節(jié)水灌溉工程長久發(fā)揮效益的實踐……………………………………… 秦福興，國傳江，李學(xué)成(11.25)

此外，還有兩種新興的測溫方法:

1)光纖溫度傳感器測溫[10]

光纖溫度傳感器是國內(nèi)外研究和使用最多的一種，并廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，這也為航空測控系統(tǒng)中的溫度測量提供了新手段。光纖測溫系統(tǒng)與傳統(tǒng)的傳感器相比具有動態(tài)范圍大、靈敏度高、響應(yīng)快、抗電磁干擾、耐腐蝕、光路可彎曲、便于實現(xiàn)遙測等優(yōu)點。目前這一領(lǐng)域的應(yīng)用研究國內(nèi)外尚處于起步階段。

2)相干反斯托克斯拉曼波譜 (CARS)法[11－12]

相干反斯托克斯拉曼波譜法是一種非常好的溫度測量方法，其探測區(qū)的產(chǎn)生與邁克爾遜干涉儀類似，都是通過疊加兩束或更多不同頻率光束產(chǎn)生相干信號。對相干反斯托克斯拉曼波譜信號進(jìn)行頻率分析，可獲得和檢測分子的拉曼波譜相關(guān)的相干反斯托克斯拉曼波譜，從波譜的形狀可以歸納出溫度。該測量方法提供了高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，誤差只有百分之幾。除了因激光扭曲無法對在高壓條件下運行的燃燒室進(jìn)行測量外，幾乎能測量所有的區(qū)域，甚至最復(fù)雜的試驗設(shè)備，但應(yīng)用該技術(shù)進(jìn)行測量所需的時間和費用都很高。圖1所示為目前CARS測溫常用實驗裝置。

近年來美國NASA已成功地將CARS測溫技術(shù)應(yīng)用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的溫度測量。該方法測量的時間、空間以及光譜的分辨力均較高，可用于測量燃燒場的分子密度、溫度及濃度分布等復(fù)合參量，對分析燃燒場的燃燒過程具有重要指導(dǎo)意義，因而可應(yīng)用于發(fā)動機(jī)等燃燒場的測量診斷中，但對環(huán)境條件要求較高，整套設(shè)備價格昂貴。

圖1 CARS測溫常用實驗裝置

2 動壓參數(shù)計量測試技術(shù)

航空發(fā)動機(jī)研制過程中需要對壓力參數(shù)進(jìn)行大量測試，作為設(shè)計及技術(shù)驗證的依據(jù)。

國內(nèi)某研究所針對壓力傳感器的室內(nèi)動態(tài)校準(zhǔn)問題，相繼研制了激波管、中頻正弦信號發(fā)生器等校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，但壓力范圍有限，幅值脈動較高，無法模擬負(fù)壓測量環(huán)境，且因缺少校準(zhǔn)方法難以保證實際測量精度。早在20世紀(jì)50年代，美國和前蘇聯(lián)就開始對動壓系統(tǒng)的動態(tài)特性及其測量系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法進(jìn)行研究，并提出動態(tài)測量的計量保障問題;70年代后，動態(tài)校準(zhǔn)技術(shù)引起了科技界和工業(yè)部門的廣泛重視，動壓校準(zhǔn)裝置及其相應(yīng)的校準(zhǔn)方法層出不窮。近幾年，有報道稱俄羅斯CIAM實驗基地已成功研制出現(xiàn)場發(fā)動機(jī)壓力測量通道過渡特性的專用校準(zhǔn)設(shè)備，通過模擬發(fā)動機(jī)過渡態(tài)的實際壓力變化，實現(xiàn)對測量系統(tǒng)的現(xiàn)場校準(zhǔn)，但國內(nèi)尚未見到類似的專用校準(zhǔn)裝置。

3 應(yīng)變參數(shù)計量測試技術(shù)

合金航空構(gòu)件的焊接殘余應(yīng)力對其強(qiáng)度、壽命的影響引起了人們越來越多的關(guān)注。國內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛的應(yīng)力測試手段包括無損的X射線法[13]及破壞性較小的小孔法[14]。X射線法基于衍射原理，對結(jié)構(gòu)表面的平整性要求特別高，測量存在較大的難度和誤差。小孔法發(fā)展較成熟，國內(nèi)外有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和方法，只要鉆孔和貼片技術(shù)操作正確，可達(dá)到較高的測量精度，對表面狀況及環(huán)境等因素的影響不太敏感，因而被廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究中。國內(nèi)某發(fā)動機(jī)設(shè)計研究所研制的900℃動態(tài)應(yīng)變計成功應(yīng)用于某型發(fā)動機(jī)臺架渦輪轉(zhuǎn)子葉片的動應(yīng)力測試中[15]。該應(yīng)變計適宜于任何型面的貼片，由于附貼性好，靈敏度系數(shù)分散的情況比以前高溫應(yīng)變計明顯減少，在國內(nèi)尚屬首例。

測量裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的方法有焦散線法、光彈性法、云紋法、散斑法等，其中焦散線法對試件的表面粗糙度要求較高，光彈性法、云紋法試驗過程復(fù)雜，散斑法的試驗條件相對較易滿足。用非線性最小二乘法和J積分法對散斑測量結(jié)果進(jìn)行處理，能夠消除裂紋尖端坐標(biāo)定不準(zhǔn)帶來的誤差，與經(jīng)典理論解相比具有更高精度，該方法用于測量發(fā)動機(jī)榫槽底裂紋等復(fù)雜情況也較可靠，有實際的應(yīng)用和推廣前景。

4 振動參數(shù)計量測試技術(shù)

有效測量振動，并通過振動進(jìn)行故障定位，是有效降低返修率的關(guān)鍵手段和措施。目前國外振動測量主要涉及以下方面:

1)對發(fā)動機(jī)在運行條件下進(jìn)行多點和連續(xù)的監(jiān)測并進(jìn)行記錄，特別要對有較大振動或振動參數(shù)的某些特性 (比如頻率分量)和有明顯變化時的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄并保存。

2)同時測量并計算與振動有密切關(guān)系的參數(shù)，比如動不平衡量，可實時進(jìn)行發(fā)動機(jī)的動平衡，以降低發(fā)動機(jī)的振動水平。

3)用激光散斑技術(shù)測量發(fā)動機(jī)葉片的變形和模態(tài)。由于完全的無接觸和整個葉面的同時測量，使測量的準(zhǔn)確度和可靠性都得到很大的改善。

4)用發(fā)動機(jī)的振動信號實現(xiàn)發(fā)動機(jī)的故障診斷并建立專家系統(tǒng)，實現(xiàn)實時在線的故障診斷和報告。

發(fā)達(dá)國家在航空測試中大力發(fā)展和使用非接觸測量技術(shù)，單點和多點式激光測振儀已經(jīng)形成商業(yè)化產(chǎn)品，并廣泛應(yīng)用于航空測振領(lǐng)域。

此外，發(fā)達(dá)國家廣泛開展了發(fā)動機(jī)振動監(jiān)測和故障診斷的研究，建立了許多新方法。目前多數(shù)飛機(jī)上都有振動測量及分析設(shè)備，美國已開始裝備機(jī)載故障診斷，實時不間斷地對飛機(jī)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測、診斷和預(yù)測。目前，應(yīng)用最多和市場占有率最高的是瑞士生產(chǎn)的振動監(jiān)測系統(tǒng) EVM，該系統(tǒng)已安裝在波音 (如A380)和空客生產(chǎn)的許多客機(jī)上。

目前我國發(fā)動機(jī)振動測試?yán)碚摵头椒ㄑ芯肯鄬Ρ∪酰芯繖C(jī)構(gòu)和成果較少且大都處于跟蹤研究階段。現(xiàn)有接觸式測試方法在高頻信號采集、測試點數(shù)量、傳感器安裝、信號線纜傳輸?shù)确矫媸艿较拗疲虼思毙璋l(fā)展非接觸測試技術(shù)。此外，機(jī)載測振儀以及系統(tǒng)化、智能化的故障診斷系統(tǒng)還有待研制和產(chǎn)品化。

目前國內(nèi)外比較先進(jìn)的航空發(fā)動機(jī)測振方法主要有:

1)基于光纖技術(shù)的非接觸式測量方法

國內(nèi)外測量發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子葉片振動參數(shù)的一種較先進(jìn)的方法是采用光纖振動傳感器進(jìn)行測量。高溫光纖傳感探頭可在航空發(fā)動機(jī)內(nèi)部高溫、高塵環(huán)境中長時間穩(wěn)定工作，可實現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)葉片的實時在線振動檢測。

2)激光全息測振方法

正確測試與識別發(fā)動機(jī)葉片的振動模態(tài)參量，對了解與研究葉片的振動特性及葉片的設(shè)計、制造、故障診斷等非常必要。采用激光全息測量技術(shù)測量葉片的振動模態(tài)屬非接觸式測量，其最大特點是獲取信息量大，測量精度高，目前國內(nèi)外均有大量研究，集中在光學(xué)系統(tǒng)研制與應(yīng)用兩方面。

3)整體式耐高溫振動傳感器[16]

SHQ-80型振動傳感器將壓電敏感元件產(chǎn)生的電信號直接可靠地傳輸?shù)诫x測點1.5 m遠(yuǎn)的輸出端，避免了傳統(tǒng)傳感器接插件處于測點和高溫區(qū)內(nèi)易發(fā)生故障的問題。該傳感器靈敏度高，頻響范圍寬，可靠性好，有效消除了電磁干擾，能在400℃甚至更高溫度的環(huán)境中正常工作，使其能夠在航空發(fā)動機(jī)內(nèi)部或渦輪高溫部位使用。

5 結(jié)論

航空發(fā)動機(jī)是一個高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速的熱力機(jī)械系統(tǒng)，在航空發(fā)動機(jī)的研制、試驗、生產(chǎn)及使用維修過程中，需要進(jìn)行眾多參數(shù)的測量，而所有這些參數(shù)的測量工作都需要在發(fā)動機(jī)運行的惡劣環(huán)境中進(jìn)行，想要達(dá)到準(zhǔn)確測量十分困難，而準(zhǔn)確可靠的測量技術(shù)關(guān)乎發(fā)動機(jī)的試驗驗證和使用的安全性、可靠性。國外發(fā)達(dá)國家相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)較為成熟。近年來隨著國家對航空發(fā)動機(jī)研制項目的重視與支持，國內(nèi)航空發(fā)動機(jī)的測試技術(shù)的探索和研究也得到越來越多的關(guān)注，未來這些新方法、新技術(shù)的研究和應(yīng)用將是我國航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域重點研究的內(nèi)容之一。

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