航空發動機零組件流量測試系統誤差控制研究

張萬虎　張亞莉

摘要：為提高航空發動機零組件空氣流量測試結果的準確性、控制和降低流量測試系統誤差，以某型發動機高壓渦輪前內噴嘴支承組件的測試為例，對空氣流量測試相關的氣源、設備、夾具等系統性因素進行逐一分析和研究。研究結果表明：通過對氣源、設備、夾具進行綜合控制，可以有效地控制和降低流量測試誤差。其中，應對氣源進行過濾、干燥，使測試氣體的雜質顆粒直徑≤1μm，殘留油份含量≤1×10^-6，露點≤-2℃。設備測量誤差可依據推導出的測量誤差計算公式通過正確分配和選擇各測量器件的精度進行控制。測試夾具應考慮設計集氣腔和緩沖板，并使用恰當的密封方法。

關鍵詞：航空器制造工藝；空氣流量測試；系統誤差控制；音速噴嘴；流量測試夾具

文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2018）05-0137-05

0引言

對于航空發動機中的熱端零部件如渦輪葉片、高壓渦輪機匣等來說，為了增強其承受高溫的能力，除了使用更高耐熱性能的基體材料、熱障涂層外，同時需要引入氣流進行冷卻。為了實現飛行過程中對冷卻氣流大小的精確控制，這些零組件往往在裝配之前就需要按照一定條件進行空氣流量測試，用以對氣流通道的通流能力進行檢測。目前，用于測量空氣流量的儀器主要有熱式流量傳感器、標準孔板和臨界流文丘里噴嘴等類型。其中，臨界流文丘里噴嘴（也稱音速噴嘴）因其具有精度高、重復性好、性能穩定、結構簡單等優點，在空氣流量計量和控制領域得到了廣泛應用。

一般來說，零件在進行空氣流量測試后還應對不合格的氣流通道進行返工或返修，流量測量結果的準確性直接影響著零件的后續加工量。因此，應當盡可能地控制和降低整個測量系統的系統誤差，從根本上保證測試的準確性和有效性。為此，學者們也開展了相關研究工作。Lima等和Chahine等研究了相對濕度對音速噴嘴測量流量準確性的影響：李普良等對音速噴嘴測量質量流量w時的誤差大小進行了分析研究。然而，關于空氣流量測試系統誤差的具體控制方法與具體控制條件則在國內外的研究中較為少見。鑒于此，本文以GE航空LEAP系列某型發動機中的高壓渦輪前內噴嘴支承組件的測試為例，對基于臨界流文丘里噴嘴測量空氣流量相關的氣源、設備、夾具等系統性因素進行逐一分析，并給出了控制和降低測量系統誤差的具體方法與控制條件，對工程實際應用有一定指導作用。

1臨界流文丘里噴嘴測量流量的原理與零件技術要求

典型的音速噴嘴的形狀結構如圖1所示。當噴嘴喉部氣體達到臨界流狀態（速度達到當地音速）時，通過臨界流文丘里噴嘴的空氣流量w為

（1）式中：P₁——噴嘴進口的壓力；

A——噴嘴的喉部面積：

C^*——氣體的臨界流函數：

C_d——流出系數；

g_c——單位轉換常數；

R——氣體常數：

T₁——噴嘴進口的溫度。

由式（1）可以看出，在臨界流狀態下通過音速噴嘴的流量與噴嘴進口處壓力成正比，而與下游氣體狀態無關。因而，只需對音速噴嘴上游的氣體狀態進行檢測即可計算得出通過噴嘴的氣流流量大小。

本測試需對某型高壓渦輪前內噴嘴支承組件的鑄造成形的一組氣流通道進行空氣流量測試，測試技術條件為：在零件入口與出口壓力比R_P=1.63的條件下測量氣流通道的有效面積A_e，合格范圍為0.7500_-0.0037^+0.0187；in²（1 in=25.4 mm）；測試設備的測量精度應達到零件測試誤差范圍的1/8，即±0.186%。

測試使用的流量測試設備為美國Flow svstems公司的High Flow Test Stand設備，該設備是一款基于臨界流文丘里噴嘴測量流量的設備。零件在進行空氣流量測試時，整個測試系統的排布如圖2所示。從氣源引出的氣流依次經過設備（音速噴嘴）、夾具、零件，最后排人大氣環境中。在具有良好密封的條件下，當氣流在規定條件下達到穩態時，根據連續性原理，測量通過音速噴嘴的空氣流量，即可得通過零件的空氣流量大小。為了保證整個測試過程中供氣充足，采用了總容量8m³的儲氣罐。測試用的音速噴嘴的喉部直徑為18 mm。

2測量系統誤差來源及控制

零件的空氣流量測試主要依賴于氣源、設備、夾具等因素，這些同時也是造成系統測量誤差的主要原因。

2.1氣源

考慮到成本，流量測試介質一般選取壓縮空氣。由于空壓機直接產生的壓縮空氣中含有大量的水分和雜質顆粒，為了使噴嘴保持優異的工作性能及提高測試結果的準確性，需要預先通過過濾器將空氣中的雜質顆粒、水分、油霧等進行過濾分離。一般來說，測試空氣中的雜質顆粒直徑不應大于1μm，殘留油份含量不應大于1×10^-6。即使經過了過濾，空氣中仍然會有一定水分存在，它們會造成空氣的純度降低，從而對流函數C^*值產生影響。Aschenbrenner定量研究了空氣濕度對C^*的影響，結果表明95%的相對濕度造成C^*的變化小于0.02%。可見，空氣濕度雖然會影響流量測試結果，但影響效果非常有限。雖然如此，對于高精度的空氣流量測試來說，一般仍需將過濾后的空氣再利用空氣干燥機進一步提高干燥度，使露點達到-2℃以下，以盡可能地降低由于氣源產生的測量誤差。

2.2測試設備

對于測試設備來說，誤差主要來源于音速噴嘴、壓力測量系統、溫度測量系統等測量器具的測量誤差。為了定量表示測試設備測量誤差的大小，進行了如下的誤差傳遞分析。

雖然式（1）中右邊的各物理量并非完全獨立，如C^*為P₁和T₁的函數，C_d為A的函數。但是，在絕大多數實際應用中完全可以認為它們是互相獨立的凹。基于此，依據誤差傳遞數學理論，使用和方根法可由式（1）求得流量w的合成相對誤差為

式（2）中，由于A、g_c為常數，其相對誤差e_A、e_gc均為0。另外，測試使用的是經過過濾、干燥的純凈空氣，R也可認為是恒定常數，因此e_R≈0。文獻中列出了干燥空氣的C^*值，所得數據的不確定度為0.05%，因此取ec-=0.05%。由此，式（2）可寫成

式（6）即為設備測量A。時的合成相對誤差計算公式。

由于客戶對設備的測量精度有明確要求，因此應正確分配和選擇音速噴嘴、壓力測量系統、溫度測量系統的測量精度，使e_Ae值滿足規定要求。根據誤差分配原則，為了減小e_AE值，應首先設法降低影響（權重系數）較大的因子，即e_p和e_Cd。而考慮到降低e_Cd值的成本遠遠高于其他兩個物理量，且目前市場上可供選用的音速噴嘴的最高精度為0.15%，為滿足技術要求，只能選擇此精度的音速噴嘴來完成該零件測試，即e_Cd=0.15%。在此基礎上，按照等精度原則對壓力測量系統和溫度測量系統進行精度分配。代入各已確定的參數值由式（6）可得，e_T≈2e_p≈0.096%。基于此，本測試選用了精度為0.04%的壓力測量系統和精度為0.5 °F的溫度測量系統（由于式（1）計算流量時采用的是蘭氏溫標，因此在32～122 °F（0-50℃）的使用溫度下，0.5 °F對應的最低精度為0.5/（32+459.67）=0.1%）。綜上，由精度0.15%的音速噴嘴、精度0.04%的壓力測量系統和精度0.5 °F的溫度測量系統組成的測試設備可滿足該零件的流量測試要求。

2.3測試夾具

測試夾具是空氣流量測量系統誤差的重要來源。確保夾具準確測得零件入口的氣體壓力，以及具有良好的密封保證測試過程中空氣基本完全流向測試通道是提高流量測試結果準確性的關鍵所在。為此，夾具設計應考慮以下3個方面。

1）設計集氣腔。集氣腔有一個顯著特點，其截面積遠大于氣流傳輸管道的截面積（見圖3）。它能夠使通過管道進入夾具的氣流速度顯著降低，達到一種相對靜滯狀態，從而為準確測量零件入口的氣體總壓提供條件。這是因為，氣體總壓P_總=P_靜+P_動=P_靜+1/2pv²，其中p為氣體密度，v為氣流速度。當氣流速度越小時，靜壓越接近總壓。為了使得測量的靜壓能夠代表總壓，顯著降低測量誤差，一般應使集氣腔中氣流速度與聲速之比小于0.02。由此，可根據流量計算公式w=pAv和氣體狀態方程PM=PRT（M為空氣的摩爾質量），并代人常溫下（25℃）的各氣體性質參數，求得集氣腔的最小截面積應達到：

2）設計緩沖板。緩沖板的作用是使流經集氣腔的空氣進一步充分均勻地混合。緩沖板上通常設計有多個均布的通孔，其典型樣式如圖4所示。通孔的總面積占整個板面積的40%～60%為宜。通過緩沖板后氣體均勻一致地流向測試零件，從而有助于提高測試的準確性。

3）保證優異的密封。流量測試過程中，為了防止氣體發生泄露，應對零件與夾具的接合面、零件上的非流量測試通道采取恰當的密封。通常可使用橡膠材質的墊圈、O型圈（見圖5），利用其在裝夾后產生的受壓變形來實現密封。針對零件上的孔，還可使用特制橡膠塞、鋁箔膠帶粘貼的方式密封。為了確認密封效果，應在每次流量測試前進行泄露檢查。一般應使整個測試系統的氣體泄露速率不超過零件規定流量下限的0.1%。

3零件流量測試結果

使用滿足上述條件的氣源、設備和夾具組成的空氣流量測試系統對零件進行測試，并重復50次以求取平均值，每次測量前都將夾具拆卸掉并重新安裝。同時，在內部完成測試后將該零件發往美國CTL實驗室進行比對測量。兩家單位測試結果如表1所示。

4結束語

本文對影響空氣流量測試準確性的氣源、設備和夾具等系統性因素進行了逐一分析和研究，并得到了以下結論：

1）通過對氣源、設備、夾具進行綜合控制，可以有效地控制和降低流量測試系統誤差。

2）流量測試應選擇經過過濾、干燥的氣源。一般應使測試氣體的雜質顆粒直徑≤1 μm，殘留油份含量≤1×10^-6，露點≤-2℃。

3）可利用音速噴嘴測量有效面積A_e的合成相對誤差計算公式對音速噴嘴、壓力測量系統、溫度測量系統的測量精度進行正確分配和選擇。

4）設計空氣流量測試夾具時應考慮設計集氣腔和緩沖板，并使用恰當的密封方法。

（編輯：李妮）