先進燃氣渦輪發動機測試技術及發展

（海軍裝備部，陜西 西 安 7 10000）

隨著燃氣渦輪發動機技術的不斷提升，新材料、新工藝、新結構大量應用，對相應的測試計量技術也提出了更高得要求，本文分析了國外先進燃氣渦輪發動機測試計量現狀，重點研究了國內新一代發動機在測試計量校準體系、量值溯源體系、綜合測試系統校準技術、專用測試設備校準技術、特種測量技術的校準技術、現場校準技術方面的需求，并提出了相應的解決方案，同時結合我國燃氣渦輪發動機行業現狀，提出了急需發展的關鍵測試計量技術。

1 概述

1.1 先進燃氣渦輪發動機技術特點及發展趨勢

先進燃氣渦輪發動機特別強調高的熱力性能、可靠性、維修性和低壽命費用。其采用的新技術主要有：損傷容限和高效率的寬弦葉片、三維壓氣機葉片、刷式封嚴和故障診斷和狀態監控系統。其發展趨勢主要為：

（1）渦輪前溫度T4大幅提高；

（2）總增壓比持續提高；

（3）新材料應用:有機復合材料、陶瓷基復合材料、纖維增強超基合金等；

（4）控制系統數字化。

1.2 先進測試技術

先進測試技術是對被測對象的參量進行測量，將測量信息進行采集、變換、存儲、傳輸、顯示和控制的技術，是能大量儲存和快速處理信息的計算機技術和傳輸信息的通信技術的綜合[1~2]。現代制造技術的快速進步引發了許多新型計測問題，推動著傳感器、測試計量儀器的研究與發展，促使測試技術中的新原理、新技術、新裝置系統不斷出現，呈現出一些新的特點[3]：

（1）精密測試與極端測試需求不斷增加；

（2）測試系統的網絡化與智能化；

（3）測試信息的集成與多信息融合；

（4）虛擬測試與虛擬儀器廣泛應用。

2 國外先進燃氣渦輪發動機測試計量現狀

2.1 發動機測試技術

在發動機測試技術上，先進的測試系統加快了燃氣渦輪發動機的試驗進程，也催生了信息化平臺的建立，帶動了燃氣渦輪發動機設計、仿真技術的發展。特種測試儀器、測試技術和傳感器的應用，為更加快捷的獲取發動機的特性數據提供了新方法。例如，紅外高溫計、示溫漆、薄膜熱電偶測溫和晶體測溫等技術，已廣泛應用于發動機熱端部件表面溫度的測試。

2.2 發動機檢測

在發動機檢測上，復合材料、超級合金以及新加工工藝的應用所需的檢測技術也受到特別關注。例如，美國GE檢驗科技公司研發的LOGIQ9R NDT超聲波相控陣檢測系統，融合了GE在醫療設備上的專利技術，是專門為檢測發動機盤、環類零件而設計的，可完全滿足GE飛機發動機鍛件檢驗的技術要求，并將檢驗時間至少縮短一半，大大降低了總成本，是目前效率最高的檢驗系統，榮獲了“2005弗洛斯特和蘇利文杰出技術獎”。

2.3 發動機計量校準

在發動機的計量校準上，更加注重更高精度校準技術的研究，美國空軍阿諾德工程發展中心及俄羅斯的CIAM試驗基地，都有相當高的計量技術水平，擁有先進的校準及檢測機構。例如，CIAM試驗基地擁有既滿足自身要求，又滿足行業需求的發動機全部參數的測量標準和裝置，其校準系統的多項標準代表著其國家計量的最高水平，其實驗中心的計量部門已被授予具有檢驗測量設備、鑒定測量方法和評審計量文件的權利。

2.4 發動機計量保障

歐美國家發動機研制中的計量保障工作，已經從計量室的純量值傳遞延伸到試驗現場的校準，走到了對發動機研制全過程實施計量保障服務的階段。無論是發動機研制所需的專用或通用測量器具、測量設備，還是仿真系統，凡是有數據輸出的，無一例外，都要在使用中受到量值溯源性的約束，以確保其使用的準確性與適用性。

3 國內新一代燃氣渦輪發動機對測試計量技術的需求分析研究

3.1 新一代燃氣渦輪發動機對測試計量校準體系的需求

發動機制造和試驗的計量與校準，就是建立完善的燃氣渦輪發動機試驗全流程物理測量參數量值溯源及試驗測試設備校準體系。通過實驗室或現場檢定、比對、標定及校準等量值傳遞和溯源活動來保證燃氣渦輪發動機及其零部件試驗測試數據的單位統一和量值準確可靠。為了獲得高精度的測試，現代燃氣渦輪發動機的試驗，更多的是依靠標準裝置或校準設備對測試系統、試驗設備進行定期或不定期的，在線或離線的校準來達到的。

3.2 量值溯源體系的完善

完善新一代燃氣渦輪發動機參數量值溯源體系，特別是流量參數量值溯源體系部分（包括燃油流量校準、小流量校準、空氣流量校準等）、溫度極限參數量值溯源體系部分（包括高達1 800 K以上的高溫校準以及低溫校準）和應力、應變參數量值溯源體系部分。

3.3 綜合測試系統校準技術

GJB241-87《航空渦輪噴氣和渦輪風扇發動機通用規范》和GJB721-89《渦噴渦扇發動機試車臺校準規范》明確規定了燃氣渦輪發動機測試系統必須經過計量、校準達到規定的技術要求。由于發動機試車臺綜合測試系統是集多參數、多通道的綜合測試系統，其系統組成復雜、涉及參數多，研究形成統一的校準、評定方法是目前急需解決的問題。

3.4 專用測試設備校準技術

在新一代燃氣渦輪發動機試驗過程中，有許多特殊的專用測試設備無法通過單純的實驗室計量、校準完成量值溯源，以及對其測量結果準確性、可靠性的驗證。使用單位必須根據專用測試設備的結構、組成、參數特性研究其計量、校準技術。如推力臺架及測試設備的綜合校準、推力矢量測量系統的校準等。

3.5 特種測量技術的校準技術

新一代燃氣渦輪發動機試驗必將采用許多新的測試方法、測試技術，在開展新測試技術研究的同時，必須開展其校準技術的研究。如紅外測溫校準技術、示溫漆測溫校準技術、熒光衰變測溫校準技術、激光多譜勒測速儀和粒子成像速度計校準技術、壓敏漆測壓校準技術等。

3.6 現場校準技術

新一代燃氣渦輪發動機試驗環境條件惡劣，其測試設備的技術性能、相互干擾相比于實驗室額定條件有不可忽略的影響。通過開展現場校準技術研究，可以準確、真實地反映測試系統在試驗條件下的技術狀態。需開展燃油流量現場校準技術、高溫現場校準技術等研究。

4 新一代發動機研制中零部件加工及裝配階段所需的關鍵測試計量技術探討

保障體系的建立與完善其根本目的就是嚴格控制零部件的加工品質，使其達到設計型面、尺寸、粗糙度、強度、結構、材料等要求，另外就是在裝配過程中對裝配質量進行控制，確保裝配達到設計結構配合要求。現階段，我國燃氣渦輪發動機行業急需發展的關鍵測試計量技術有以下幾個方面：

（1）整體葉盤焊接過程的定位、控制和在線檢測技術；

（2）葉片在線檢測技術；

（3）薄壁件幾何參數的非接觸測量檢測技術；

（4）噴嘴關鍵件的光學成像準確檢測技術；

（5）2D及3D參數、形貌分析及粗糙度參數非接觸測量技術；

（6）齒輪、螺紋參數等復雜零件三坐標測量檢測技術；

（7）發動機靜子機匣各截面橢圓度和支點跳動光學方法檢測技術；

（8）寬范圍燃油流量測量。

5 結束語

通過系統的梳理國內外燃氣渦輪發動機行業測試技術發展現狀，提出了建立我國新一代發動機測量體系和相關技術的發展方向，經秦嶺發動機等幾個型號研制生產試用，進一步完善了發動機測量技術體系，也極大的推動了發動機研制生產進程。

[1]殷國富，楊杰斌，趙雪峰，等.面向現代制造的先進測試技術及其發展趨勢[J].中國測試，2010,36(1):2-3.

[2]郭陽寬.現代測控技術及應用[M].北京：電子工業出版社，2007.

[3]國家自然科學基金委員會工程與材料科學部.學科發展戰略研究報告：機械與制造科學[R].北京：科學出版社，2006.