壓氣機性能試驗穩(wěn)態(tài)數據錄取方法探討

金宗亮

摘要：本文針對壓氣機試驗中狀態(tài)穩(wěn)定的判定方法與穩(wěn)態(tài)數據錄取的采樣時間進行研究，并以某高壓壓氣機試驗為例，對不同錄取方法獲取的試驗數據進行對比分析。結果表明，等熵效率可作為壓氣機試驗狀態(tài)穩(wěn)定的表征參數，通過實時效率判定是否具備穩(wěn)態(tài)數據采集條件可以保證試驗數據的質量;壓氣機總性能參數測量不確定度分量中，測量設備誤差導致的系統(tǒng)不確定度占主導，在壓氣機狀態(tài)穩(wěn)定后采集10秒取平均值作為測量結果，可以有效降低隨機標準不確定度。

關鍵詞：壓氣機;性能試驗;狀態(tài)判定;采樣時間

0 ?引言

試驗技術在航空發(fā)動機研制過程中起到重要支撐作用，航空發(fā)動機研制的過程是設計與試驗反復迭代的過程[1]。從試驗運行成本以及項目周期的角度，試驗數據的質量、試驗結果的有效性至關重要。在高壓壓氣機試驗中，影響試驗數據質量的因素主要包括兩個方面，一方面是測量設備的精度，另一方面是試驗數據錄取的方法。其中，前者決定數據測量的系統(tǒng)不確定度，后者影響數據測量的隨機不確定度。

為了獲取壓氣機真實的性能參數，在錄取某一工況下的穩(wěn)態(tài)數據時，通常穩(wěn)定一段時間使得壓氣機狀態(tài)達到穩(wěn)定，此外消除引壓管延遲等因素的影響。另一方面，為了消除隨機效應造成的測量誤差，通常將采集一段時間的數據取平均值作為測量結果。以國外某先進壓氣機試驗單位為例，為保證試驗數據質量，在每次調節(jié)壓氣機工作狀態(tài)后，穩(wěn)定2分鐘進行數據采集，每次采集30秒，采樣頻率10Hz，取平均值作為該狀態(tài)點的穩(wěn)態(tài)測量結果。這種試驗工藝雖然便于執(zhí)行，但是在開展試驗的過程中發(fā)現，按照這種方式錄取穩(wěn)態(tài)數據大幅度增加了試驗時長，造成了試驗成本的提高。

本文針對壓氣機試驗中狀態(tài)穩(wěn)定的判定方法與穩(wěn)態(tài)數據錄取的采樣時間進行研究，找到一種有效的判定方法以及合理的數據采樣時間，在保證試驗數據質量的前提下縮短數據錄取所需時間。

1 ?狀態(tài)穩(wěn)定判定方法

壓氣機總性能參數主要包括換算流量、壓比及等熵效率，是壓氣機試驗過程中獲取的最關鍵的參數。其中，等熵效率的輸入參數包括壓氣機進口總壓、總溫與壓氣機出口總壓、總溫。試驗過程中，壓氣機轉速、壓比、可調靜葉角度、進氣節(jié)流比、引氣量的變化均會引起上述四個輸入參數的變化。因此，將壓氣機等熵效率作為判定壓氣機狀態(tài)穩(wěn)定的表征參數，試驗中通過觀察實時效率判定是否具備穩(wěn)態(tài)數據采集條件是一種易于實現的方法。

本文以某高壓壓氣機試驗為例，在不同轉速下完成壓氣機工作狀態(tài)調節(jié)后，采取兩種方式錄取試驗數據。第一組數據為效率穩(wěn)定后采集的數據，第二組為穩(wěn)定2分鐘后采集的數據。每次采集時間30秒，采樣頻率10Hz，取平均值作為測量結果。

某轉速下壓比調節(jié)前后效率的變化如圖1所示。上文所述效率穩(wěn)定后開始采集數據的時刻對應圖1中所示80s時刻。此外，最后一次作動排氣閥門時刻為圖1中所示約55s時刻。

按照上述兩種方式錄取壓氣機80%、87%、94%相對換算轉速下堵點至最高效率點的試驗數據，將設計點壓比、換算流量作為參考點，無量綱化的換算流量-壓比、換算流量-效率特性線如圖2、圖3所示。

兩種錄取方式得到的特性線幾乎完全重合，表明效率穩(wěn)定后錄取數據與工況調節(jié)完成后穩(wěn)定2分鐘錄取數據得到的試驗結果基本沒有差異。然而，由圖1可知，在閥門調節(jié)完成后約25秒效率達到穩(wěn)定，相比于穩(wěn)定2分鐘后采集數據，大幅度縮短了穩(wěn)態(tài)數據采集前穩(wěn)定的時間。此外，試驗過程中發(fā)現，不同轉速下，調節(jié)壓比后效率達到穩(wěn)定所需的時間不同;相同轉速下，調節(jié)節(jié)流比、引氣率、可調靜葉角度與調節(jié)壓比后效率達到穩(wěn)定的時間也不同，但總體上效率穩(wěn)定所需時間短于2分鐘。

此外，從轉子葉尖間隙對壓氣機性能影響的角度[4]，本文進行了進一步的探討。調節(jié)壓氣機工況后穩(wěn)定時間不同，轉子葉片葉尖間隙會有一定差異。以壓氣機升轉過程為例，從87%相對換算轉速升轉至91%相對換算轉速后，轉子葉尖間隙的變化如圖4所示。

由圖4可知，壓氣機轉速升高后，在離心力的轉子葉片伸長，葉尖間隙減小;隨后機匣溫度升高產生熱膨脹，葉尖間隙增大;最后隨著轉子溫度的升高，葉尖間隙略有減小。壓氣機轉速調節(jié)后10分鐘，轉子葉尖間隙尚未完全達到平衡。因此，通過穩(wěn)定一段時間使轉子葉尖間隙穩(wěn)定后進行采集穩(wěn)態(tài)數據，在實際試驗過程中不具備可執(zhí)行性。

綜上所述，利用實時效率判定是否具備穩(wěn)態(tài)采集條件的方法可行且有效，在保證數據質量的同時縮短了穩(wěn)定時間。此外，對于不同臺份的壓氣機，這種判定方法有利于保證試驗數據質量的一致性，比通過計時判定狀態(tài)穩(wěn)定的方法更加合理。

2 ?穩(wěn)態(tài)數據采樣時間

穩(wěn)態(tài)數據采集的采樣時間主要用于提高重復測量次數，降低隨機效應導致的測量不確定度。為了研究采樣時間對測量結果的影響，將壓氣機相同工況下采集10秒的數據與采集30秒的數據進行對比，不同采樣時間的測量結果如圖5、圖6所示。

采集10秒取平均值與采集30秒取平均值得到的特性線差異非常小。為了更直觀的從數值上對比不同采樣時間對測量結果的影響，本文對測量結果的隨機標準不確定度進行對比。

對于壓氣機性能參數的測量不確定度，朱理等[3，4]以某型壓氣機試驗中效率和流量測量為例，對測量不確定度評定方法進行了介紹。其中，包括重復測量誤差對應的不確定度，即本文所述的隨機不確定度。根據標準不確定度的A類評定方法，可通過參數樣本的標準差計算測量參數的隨機標準不確定度[5]。

本文以94%相對換算轉速的某狀態(tài)點的試驗數據為例，換算流量、壓比、效率的標準差以及根據公式（1）、公式（2）計算得到的隨機標準不確定度如表1所示。其中，Wc表示換算流量，π表示壓比，η表示效率。

由表1可知，無論采集30秒還是采集10秒，測量結果的隨機標準不確定度都非常小，延長采樣時間的收益不大。此外，根據以往試驗數據分析結果，壓氣機總性能參數的測量不確定度主要來源于前端受感部，如總溫總壓探針、熱電偶等，以及后端測量設備如溫度掃描閥、壓力掃描閥。

因此，在壓氣機試驗狀態(tài)穩(wěn)定后，采集10秒取平均值作為測量結果，可以有效降低測量結果的隨機標準不確定度，保證試驗數據的質量。

3 ?結語

關于壓氣機性能試驗中穩(wěn)態(tài)數據的錄取方法，總結如下：

①等熵效率可作為壓氣機試驗中判定狀態(tài)穩(wěn)定的表征參數，通過實時效率判斷是否具備穩(wěn)態(tài)采集條件的方法可行且易于實施。此外，這種方法在保證數據質量的同時縮短了穩(wěn)定時間，比通過計時判定狀態(tài)穩(wěn)定更加合理。

②壓氣機總性能參數測量不確定度分量中，測量設備誤差導致的系統(tǒng)不確定度占主導，在壓氣機狀態(tài)穩(wěn)定后采集10秒取平均值作為測量結果，可以有效降低隨機標準不確定度，進一步延長采樣時間的收益。

參考文獻：

[1]向宏輝，侯敏杰，等.軸流風扇/壓氣機氣動性能試驗若干問題探討[J].航空動力學報，2015，30（6）：1423-1431.

[2]曹傳軍，翟志龍.葉尖間隙對民用大涵道比跨音速壓氣機性能的影響[J].科學技術與工程，2019（10）：230-236.

[3]朱理，吳偉力.某型壓氣機效率測量不確定度的評定[J].測控技術，2011（30）：403-407.

[4]朱理，單曉明.某壓氣機空氣流量測量不確定度的評定[C]. 2007年航空試驗測試技術學術交流會.烏魯木齊：測控技術，2007：647-652.

[5]ASME PTC19.1 Test Uncertainty[S]. New York. American Society of Mechanical Engineers， 2013.