航空發動機計量基礎及前沿技術介紹

宋娜，李新良，張大治

(中航工業北京長城計量測試技術研究所，北京 100095)

0 引言

計量技術是航空發動機研制過程中重要的基礎技術，涉及航空發動機設計、生產和使用的全過程。有了可靠的計量手段和相應的控制方法，才能保障航空發動機性能測試的準確可信;同時，計量技術能夠揭示航空發動機更深層次的性質 (如結構內部缺陷)，實現健康監測、診斷和預計，有助于優化其設計。

由于航空發動機的工作環境極為惡劣，很多關鍵參數又必須采用在現場或在線的方式進行測試，隨著其性能的不斷提高，對關鍵參數的測量也提出了更高的要求。

目前，在發動機測試技術上，研究內容主要有信號傳輸技術 (滑環和遙測)、高溫動壓測量與傳感技術、高溫燃氣測量技術、非干涉壁溫測試技術、動應力測量技術等;在發動機校準技術上，注重更高精度校準技術的研究;在發動機檢測技術上，復合材料、金屬基體材料和超級合金的應用及新加工工藝的應用所需的檢測技術是國外一流發動機公司特別關注的技術;在發動機的控制上，注重機構復雜、控制功能及性能要求高的數控系統和先進測試技術及校準手段的研究;在發動機零部件檢測方面，解決了一系列的具體問題，如采用激光掃描、影像測量和三坐標測量機對推重比大于10的發動機和大涵道比渦扇發動機葉片類部件、發動機燃燒室和火焰筒類部件小孔位置度、發動機推力矢量噴管等進行測量，開發適用于非金屬葉片的葉尖間隙測量技術等，但具體技術細節未見報道。

本文主要介紹了航空發動機高溫、動壓、應變及振動等參數的通用測量方法及前沿測量技術，并就研究、應用情況及未來的發展做了較詳細分析和介紹。

1 高溫參數計量測試技術

準確測量發動機熱端部件特別是渦輪等旋轉部件溫度，是正確評價渦輪葉片冷卻效果和工作狀態、保證發動機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;燃氣分析方法[1];輻射測溫儀測溫;聲學測溫儀測溫[2];激光測量技術測溫[3];藍寶石光纖測溫[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。

目前國內發動機溫度測量大多使用水冷或氣冷保護外殼的鉑銠30－鉑銠6熱電偶傳感器。隨著高推重比型號發動機的研制，燃燒室后燃氣溫度將越來越高。在未來一段時期內，這些場合的溫度測量將繼續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保護套管內，并在保護套管內充入惰性氣體，BeO本身具有優良的高溫絕緣性能并且抗熱沖擊性強，該傳感器在高溫氣流中使用不需水冷，測溫上限可達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。

克山縣確保高效節水灌溉工程長久發揮效益的實踐……………………………………… 秦福興，國傳江，李學成(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外研究和使用最多的一種，并廣泛應用于各個領域，這也為航空測控系統中的溫度測量提供了新手段。光纖測溫系統與傳統的傳感器相比具有動態范圍大、靈敏度高、響應快、抗電磁干擾、耐腐蝕、光路可彎曲、便于實現遙測等優點。目前這一領域的應用研究國內外尚處于起步階段。

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，其探測區的產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生相干信號。對相干反斯托克斯拉曼波譜信號進行頻率分析，可獲得和檢測分子的拉曼波譜相關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量的數據，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行測量外，幾乎能測量所有的區域，甚至最復雜的試驗設備，但應用該技術進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測溫技術應用于燃氣渦輪發動機的溫度測量。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合參量，對分析燃燒場的燃燒過程具有重要指導意義，因而可應用于發動機等燃燒場的測量診斷中，但對環境條件要求較高，整套設備價格昂貴。

圖1 CARS測溫常用實驗裝置

2 動壓參數計量測試技術

航空發動機研制過程中需要對壓力參數進行大量測試，作為設計及技術驗證的依據。

國內某研究所針對壓力傳感器的室內動態校準問題，相繼研制了激波管、中頻正弦信號發生器等校準標準，但壓力范圍有限，幅值脈動較高，無法模擬負壓測量環境，且因缺少校準方法難以保證實際測量精度。早在20世紀50年代，美國和前蘇聯就開始對動壓系統的動態特性及其測量系統的校準方法進行研究，并提出動態測量的計量保障問題;70年代后，動態校準技術引起了科技界和工業部門的廣泛重視，動壓校準裝置及其相應的校準方法層出不窮。近幾年，有報道稱俄羅斯CIAM實驗基地已成功研制出現場發動機壓力測量通道過渡特性的專用校準設備，通過模擬發動機過渡態的實際壓力變化，實現對測量系統的現場校準，但國內尚未見到類似的專用校準裝置。

3 應變參數計量測試技術

合金航空構件的焊接殘余應力對其強度、壽命的影響引起了人們越來越多的關注。國內外應用較為廣泛的應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，對結構表面的平整性要求特別高，測量存在較大的難度和誤差。小孔法發展較成熟，國內外有相關的標準和方法，只要鉆孔和貼片技術操作正確，可達到較高的測量精度，對表面狀況及環境等因素的影響不太敏感，因而被廣泛應用于科學研究中。國內某發動機設計研究所研制的900℃動態應變計成功應用于某型發動機臺架渦輪轉子葉片的動應力測試中[15]。該應變計適宜于任何型面的貼片，由于附貼性好，靈敏度系數分散的情況比以前高溫應變計明顯減少，在國內尚屬首例。

測量裂紋尖端應力強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果進行處理，能夠消除裂紋尖端坐標定不準帶來的誤差，與經典理論解相比具有更高精度，該方法用于測量發動機榫槽底裂紋等復雜情況也較可靠，有實際的應用和推廣前景。

4 振動參數計量測試技術

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

1)對發動機在運行條件下進行多點和連續的監測并進行記錄，特別要對有較大振動或振動參數的某些特性 (比如頻率分量)和有明顯變化時的數據進行記錄并保存。

2)同時測量并計算與振動有密切關系的參數，比如動不平衡量，可實時進行發動機的動平衡，以降低發動機的振動水平。

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

4)用發動機的振動信號實現發動機的故障診斷并建立專家系統，實現實時在線的故障診斷和報告。

發達國家在航空測試中大力發展和使用非接觸測量技術，單點和多點式激光測振儀已經形成商業化產品，并廣泛應用于航空測振領域。

此外，發達國家廣泛開展了發動機振動監測和故障診斷的研究，建立了許多新方法。目前多數飛機上都有振動測量及分析設備，美國已開始裝備機載故障診斷，實時不間斷地對飛機狀態進行監測、診斷和預測。目前，應用最多和市場占有率最高的是瑞士生產的振動監測系統 EVM，該系統已安裝在波音 (如A380)和空客生產的許多客機上。

目前我國發動機振動測試理論和方法研究相對薄弱，研究機構和成果較少且大都處于跟蹤研究階段。現有接觸式測試方法在高頻信號采集、測試點數量、傳感器安裝、信號線纜傳輸等方面受到限制，因此急需發展非接觸測試技術。此外，機載測振儀以及系統化、智能化的故障診斷系統還有待研制和產品化。

目前國內外比較先進的航空發動機測振方法主要有:

1)基于光纖技術的非接觸式測量方法

國內外測量發動機轉子葉片振動參數的一種較先進的方法是采用光纖振動傳感器進行測量。高溫光纖傳感探頭可在航空發動機內部高溫、高塵環境中長時間穩定工作，可實現高速旋轉葉片的實時在線振動檢測。

2)激光全息測振方法

正確測試與識別發動機葉片的振動模態參量，對了解與研究葉片的振動特性及葉片的設計、制造、故障診斷等非常必要。采用激光全息測量技術測量葉片的振動模態屬非接觸式測量，其最大特點是獲取信息量大，測量精度高，目前國內外均有大量研究，集中在光學系統研制與應用兩方面。

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生的電信號直接可靠地傳輸到離測點1.5 m遠的輸出端，避免了傳統傳感器接插件處于測點和高溫區內易發生故障的問題。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℃甚至更高溫度的環境中正常工作，使其能夠在航空發動機內部或渦輪高溫部位使用。

5 結論

航空發動機是一個高溫、高壓、高轉速的熱力機械系統，在航空發動機的研制、試驗、生產及使用維修過程中，需要進行眾多參數的測量，而所有這些參數的測量工作都需要在發動機運行的惡劣環境中進行，想要達到準確測量十分困難，而準確可靠的測量技術關乎發動機的試驗驗證和使用的安全性、可靠性。國外發達國家相關領域的技術較為成熟。近年來隨著國家對航空發動機研制項目的重視與支持，國內航空發動機的測試技術的探索和研究也得到越來越多的關注，未來這些新方法、新技術的研究和應用將是我國航空發動機領域重點研究的內容之一。

[1]鐘華貴，吉洪湖，李繼保.燃氣分析測量高溫燃氣溫度的方法 [J].航空動力學報，2005，20(3):460－466.

[2]王交峰，田豐，田金光.基于聲學CT重建航空發動機燃燒室出口溫度場的仿真研究 [J].沈陽航空工業學院學報，2009，26(2):38－42.

[3]毛茂華，黃春峰，石小江.先進航空發動機燃燒室試驗溫度激光測量技術[J].測控技術，2010，29(S0):79－83.

[4]楊永軍，蔡靜，趙儉.航空發動機研制高溫測量技術探討[J].計測技術，2008，28(S1):46－48.

[5]黃春峰，蔣明夫，毛茂華.國外航空發動機薄膜熱電偶技術發展研究 [J].航空發動機，2011，37(6):53－57.

[6]李楊，李志敏，熊兵，等.航空發動機渦輪葉片溫度測量技術現狀與發展 [C]//第十五屆中國科協年會第13分會場:航空發動機設計、制造與應用技術研討會論文集.北京:中國科學技術協會學會技術部，2013.

[7]李楊，陳洪敏，熊慶榮.不可逆示溫涂料的發展及應用[J].中國涂料，2010，25(5):16－19.

[8]蔡靜，楊永軍，趙儉，等.航空發動機熱端表面溫度場測量 [J].計測技術，2009，29(1):1－3.

[9]徐銳，徐紅琴，沈獻紹，等.紅外測溫系統在航空發動機輪盤試驗中的應用[J].中國測試，2012，38(4):32－35.

[10]王萍.國外發動機領域光纖測溫技術的發展 [C]//2011航空試驗測試技術學術交流會論文集.北京:測控技術雜志社，2011.

[11]吳倩倩，張天天.CARS光譜測溫技術的三種理論模型研究 [J].電子世界，2012(13):100－101.

[12]李榮福，千慶姬，高春歌.利用OPO的CARS光譜測溫及狹縫函數的影響 [J].激光與紅外，2008，38(7):697－700.

[13]段能全，任建亮，龐瑞強，等.3003鋁合金X射線法表面殘余應力的檢測[J].中國表面工程，2012，25(6):79－84.

[14]付鵬飛，左從進，毛智勇，等.電子束焊接GH536合金殘余應力分布小孔法測試 [J].焊接學報，2005，26(11):21－23.

[15]郝兵，李成剛，王德友.900℃動態應變計的研制與應用[J].航空發動機，2005，31(2):24－27.

[16]李榮生.整體式耐高溫振動傳感器的研究[J].測控技術，1998，17(6):27－29.