航空發動機試驗測試技術發展探討

王振華，王 亮

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽110015）

0 引言

航空發動機是1個復雜的動力裝置，主要由進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪、加力燃燒室、尾噴管、附件傳動裝置與附屬系統等組成。其內部的氣動、熱力和結構特性非常復雜，因此對其工況尚不能從計算上給予詳盡準確地描述，必須依靠試驗來獲得相關數值。在進行發動機裝配前，需要確認每個部件的性能均滿足設計指標，同時，需要在試車臺上進行試驗測試（如壓氣機的增壓比、空氣流量、喘振點，燃燒室的燃燒效率、出口溫度分布等），獲得整機的推力、單位耗油量等性能數據，用于評價其是否滿足設計使用要求。發動機研制中要進行大量的材料、零部件、整機試驗測試才能確認其性能、可適用性、環境條件、完整性、戰斗生存力等是否滿足發動機使用要求。據統計，一型航空發動機研制工作一般需要進行10萬h的部件試驗，4萬h的材料試驗，1萬h的整機試車。試驗測試技術是發展先進航空發動機的關鍵技術之一，試驗測試結果既是驗證和修改發動機設計的重要依據，也是評價發動機部件和整機性能的重要判定條件。“航空發動機是試出來的”已成為行業共識。

本文簡述了航空發動機試驗測試技術國內外發展現狀，并分析了其發展需求，提出了發展設想。

1 航空發動機試驗測試技術的特點

航空發動機是1種集流體力學、熱力學、結構強度、機械傳動、計算機與電子技術、光學技術、材料、自動控制、故障診斷、噪聲控制和紅外隱身等多學科于一身，對溫度、壓力、應力、間隙和腐蝕等工作條件要求苛刻，對質量、可靠性、壽命等要求極高的復雜系統。航空發動機試驗測試技術是1門綜合性、多學科技術，涉及到力學、幾何量、熱學、電磁學、時頻、聲學、光學等專業領域；測試參數包括溫度、壓力、轉速、空氣流量、燃油流量、推力、扭矩、軸向力、功率、振動、位移、間隙、角度、氣流速度與方向、面積、電流、電壓、組分濃度、濕度、滑油品質、進排氣顆粒、紅外輻射、噪聲等；應用技術包括結構設計、氣動熱力分析、信號傳感、信號處理、信號傳輸、數據采集處理、數據分析、數據存儲技術等。

航空發動機工作的壓力變化范圍約為10～4000 kPa、溫度變化范圍約為200～2200K、轉速為20000 r/min或更高，具有溫度高、壓力高、轉速高、內流復雜、結構復雜、空間狹小等特點，其結構及工作條件如圖1所示。因此，航空發動機的測試系統必須適應這種環境，覆蓋發動機的各種參數測量需求，并且能夠測得到、測得準、測得快。

圖1 航空發動機結構及工作條件

隨著發動機性能的不斷升級和對于可靠性、安全性和經濟性越來越高的要求，測試系統必須具備準確度高、靈敏度高、通道多、小型化、量程廣、抗惡劣環境、非接觸、動態響應好、智能化等特性，才能適應航空發動機研制和使用要求。發動機試驗測試結果必須符合設計要求的準確度，才能為航空發動機研制提供扎實有力的支持。

2 航空發動機試驗測試技術發展現狀

經過60余年的發展，中國航空發動機試驗測試技術取得了較大進步。在高溫測試方面，已研制出使用溫度達1800℃的高溫熱電偶，并成功地用于燃燒室出口溫度場測試（如圖2所示）；示溫漆測溫最高可達1250℃，可用于復雜構件表面溫度場測量；已掌握1000℃高溫應變計測量技術，正在開展1100℃高溫應變技術研究。在氣動參數測量方面，能夠設計制造各種氣動探針，壓力探針測試可以滿足Ma=0.1～1.4的測試，并已成功用于發動機試驗中。

圖2 燃燒室出口溫度場

在動態壓力測試方面，已研制和開發出多套動態采集設備（采樣率最高200kS/s，可實現100kHz以內信號測試分析）及信號分析軟件，能夠開展大發激波測試（如圖3所示）、非定常流、畸變旋渦尺度、整機氣動極限參數、失速喘振監測、消喘等工作；能夠設計制造通用引電器及特殊結構引電器和遙測系統；葉尖間隙測量（測量范圍0.3～3.0mm、傳感器端面耐溫高達1400℃）、燃氣分析、非接觸葉尖振動測量技術、軸向力測量等已成功應用于發動機部件及整機試驗測試；能夠進行大規模試驗數據采集分析，試驗數據管理系統（TDM）已建成并投入使用。

圖3 航空發動機激波測量結果

西方發達國家對發動機試驗測試工作非常重視，美國成立了推進儀表工作組PIWG（Propulsion Instru mentation Working Group），歐洲成立了EVI-GTI（European Virtual Institute for Gas Turbine Instrumenta tion），致力于研究發動機關鍵試驗測試技術和測量儀器。歐洲投資了HEATTOP（Accurate High Temperature Engine Aero-Thermal Measurements for Gas-Turbine Life Optimization,Performance and Condition Monitoring）計劃；美國持續實施綜合高性能渦輪發動機技術(IHPTET)、多用途經濟可承受先進燃氣渦輪發動機（VAATE）、先進燃氣輪機系統（ATS,ADVANCED TURBINE SYSTEM）等項目。這些項目推動了先進發動機試驗測試技術的發展。

多年來，國外知名的發動機制造公司、研究機構以及專業發動機測試設備制造公司在測試技術研究方面加大投入，掌握了大量先進的測試技術，并持續推進測試技術預先研究。例如，德國MTU公司掌握1400K高溫應變測試技術，其自主開發的BSSM系統配備多個電容測頭，可同時實現葉尖間隙、葉片振動、葉片解扭角的測量以及對葉片裂紋進行監測；NASA Glenn研究中心在薄膜熱電偶、熱流計、應變計方面開展了大量研究；Vibro-Meter公司推出了可測量高壓渦輪的微波葉尖間隙測量設備；HEATTOP計劃中已實現了在1550℃下動態壓力測量以及響應時間為0.2s時測量壁面溫度的快速響應熱電偶等技術；英國ROTADATA公司的ROTAMAP系統，利用紅外測溫技術實現了對測量渦輪葉片表面溫度場的測量。目前中國很多高端發動機測試設備仍然依靠進口，在航空發動機先進測試技術研究和先進測試設備研究方面與國外尚有較大差距。

此外，一些先進發動機國家建立了完善的發動機試驗測試技術體系和標準體系。國外在20世紀70年代就編制了《AEDC-TR-73-5 Handbook,uncertainty in gas turbine measurements》[1]（《燃氣渦輪發動機測量不確定度指南》），至今仍然被航空發動機行業廣為引用；NASA編制的《NASA-HDBK-8739.19-2 Measuringand Test Equipment Specifications》[2]（《測量和試驗設備規》）、《NASA-HDBK-8739.19-3Measure ment Uncertainty Analysis Principlesand Methods》[3]（《測量不確定度分析原理與方法》）等文獻，對測量數據不確定度評定以及測量可靠性分析技術方面進行了詳細描述；ASME出版的PTC系列標準內容詳實、可操作性強，對發動機測試工作具有很高的參考價值，例如《ASMEPTC19.1Test Uncertainty》（《試驗不確定度》）[4]、《ASMEPTC19.2Pressure Measurement》（《壓力測量》）[5]、《ASMEPTC19.5Flow Measurement》（《流量測量》）[6]等；SAE也有大量與航空發動機試驗測試關聯度很高的技術標準和技術報告，例如《SAE-AIR-4951 Test Cell Thrust Measurement》（《試車間推力測量》）、《SAEAIR4979 Estimation Of Measurement Uncertainty In Engine Tests Based On NATO AGARD Uniform Engine Test Program》（《NATO A GARDUETP計劃測量不確定度評估》）、《SAEAMS 2750 PYROMETRY》（《高溫測量》）[7]等。相對而言，中國在試驗測試方面的標準規范在專業覆蓋面、標準規范的細致程度和可操作性、標準體系的關聯性及完備性等方面仍有較大差距。

3 航空發動機試驗測試技術發展需求

未來發動機技術的發展要求發動機具有更高的渦輪進口溫度、效率和可靠性，以及更低的排放和噪聲，這些都對發動機試驗測試技術提出了新的挑戰。新1代智能發動機將采用更多的主動控制技術和健康管理技術，這對傳感技術提出了更高要求。文獻[8]描述了研制效率更高、環境更友好且價格更有競爭力的燃氣輪機對傳感器和控制系統要求；文獻[9]對目前發動機傳感技術現狀、未來需求和發展方向作了較為詳細的敘述；文獻[10]對發動機主動控制和健康管理方面對傳感器的需求進行了詳述。

未來航空發動機試驗測試技術發展的需求主要包括：高性能測試儀器、小型傳感器設計、長壽命高可靠傳感器設計、嵌入式傳感、高溫燃氣溫度測量及校準、高溫構件表面溫度測量及校準、涂層狀態監測、高溫氣體流量測量校準、燃油流量動態測量校準、葉尖間隙測量與校準、整機和部件應力和振動測量、遙測、噪聲測量校準分析、排放測試、滑油品質在線監測、氣路監測診斷、氣動穩定性及動態壓力測量、空氣系統測量、流場精細測量等試驗測試技術研究工作、專用測試設備校準技術及試驗測試結果的準確度提高技術等。

4 試驗測試技術發展設想

4.1 推進航空發動機試驗測試儀器研究開發

隨著航空發動機研制水平的深入，需要開展的試驗種類和數量越來越多；需要測量的參數類型越來越多，測量范圍越來越寬，測量準確度要求越來越高。現有試驗測試儀器的能力與不斷增長的航空發動機試驗測試需求之間的矛盾日益明顯，國家應有計劃地開展航空發動機研制部件和整機試驗所需的測試儀器的研究與開發工作，包括特種測量儀器、傳感器、測試系統等，以便及時滿足航空發動機研制需要。

4.2 深入開展試驗測試技術研究

針對航空發動機發展對試驗測試技術的需求，應深入開展試驗測試技術研究，應積極制訂相關措施，如組建類似PIWG、EVI-GTI的專業組織并設立發動機試驗測試技術專項計劃；或依靠承擔航空發動機研制任務的組織，設立專項經費，開展航空發動機研制所需的高溫燃氣溫度、高溫構件表面溫度、葉尖間隙、整機和部件應力和振動、氣動穩定性及動態壓力等試驗測試方法、試驗測試技術和試驗測試校準技術的研究及應用，提升航空發動機試驗測試技術水平。

4.3 加強專業間交流和協同

發動機測試工作與發動機設計、試驗工作是高度融合的，應加強專業間的技術交流并運用系統工程的思想大力開展專業間協同，這樣才能更好地推動發動機研制工作。設計工作需要試驗來驗證其設計的可行性及技術指標是否滿足要求；試驗工作需要設計試驗方法、建設試驗設備以滿足試驗要求；測試工作要根據試驗要求構建測試系統、準確獲取數據、開展數據處理和分析等工作。發動機測試工作需要在發動機設計初期開展，需要與發動機性能設計專業探討性能測試點的數量和布局是否科學合理；需要與發動機結構工程師研究測試結構的可行性，即需要在發動機結構設計時考慮發動機的可測試性；還需要與試驗專業研究測試系統與試驗設備的相容性，試驗程序與測試系統的匹配性等。因此，應通過設計、試驗、測試工作的流程梳理，在設計流程中集成于試驗、測試相關的模塊和技術接口，在試驗和測試流程中設置與設計協同的模塊和接口，同時細化每個流程模塊的技術細節，形成1個有機整體，才能達到預期的試驗測試目標。

4.4 提高試驗測試結果準確度

隨著航空發動機研制的深入，需要更為準確的試驗測試結果為設計提供依據，驗證設計是否滿足要求，為修改設計提供依據，為部件和整機交付驗收提供判據。

欲提高試驗測試結果的準確度，不僅要了解測量設備的工作原理和技術指標，還要了解被測對象的特性、測量設備工作環境、測量方法、測量程序等環節的細節。

根據發動機試驗測試實踐以及文獻[11-13]的介紹，發動機測試與常規測試工作相比具有其特殊性，測試系統與發動機之間的相互作用可能對測試數據的準確度產生較大影響。因此，需要將發動機測試技術與發動機試驗技術、發動機性能評價技術結合起來進行綜合研究。例如，測試探針對發動機流道堵塞的影響；位移機構的移動速度和穩定時間之間匹配對測量結果的影響；氣流速度、輻射、導熱等對測量準確度的影響；非均勻流場下測試截面測點布局對測量結果的影響；氣流參數動態波動對穩態測量結果的影響；發動機機械平衡和熱平衡狀態對性能變化的影響；試驗器、發動機控制系統動態特性對發動機狀態的影響；轉速控制、導向葉片角度、間隙變化對發動機性能的影響；數據處理平均算法對性能數據的影響；大氣溫濕度壓力對發動機性能的影響；進氣溫度壓力畸變對發動機性能的影響；進、排氣系統設計對發動機性能的影響；泄漏、引氣等對發動機性能的影響；試車間流場、試車臺架對發動機推力測量的影響等。以上影響因素在不同的試驗中可能有不同表現，需要針對具體情況作具體分析。

找到影響試驗數據準確性的因素，量化和評估這些影響量的大小以及對各項測量結果影響的敏感系數，需要大量的工程經驗和相關數據庫的支撐，并開展大量的基礎研究工作，才具備評定試驗數據不確定度的條件，參照文獻[1-4]、文獻[14-15]評定試驗數據的不確定度。測量結果是否可用很大程度上取決于其不確定度的大小，測量不確定度是對測量結果質量的定量表征。

完成影響因素分析和不確定度評定后，即可根據分析結果對影響較大的因素采取控制措施，例如控制試驗設備技術狀態、優化試驗程序、開展現場系統校準、優化測量截面測點布局、關鍵測量點冗余設計、通過數據驗證技術剔除包含較大誤差的數據、開展試驗前的檢查，以確保試驗成功。美國阿諾德工程開發中心（AEDC）規定的試驗前活動如圖4所示[16]。

4.5 加強試驗測試標準規范體系建設

標準是根據科學、技術和經驗的綜合成果編制的技術規范或文件，是相關科研活動的依據，能夠提高質量，提升效率。在發展航空發動機試驗測試技術的同時，應對成熟及重復使用的測試技術進行總結提煉，轉化編制成標準，以利于不斷提升航空發動機試驗測試技術水平，促進航空發動機高水平的快速發展。

圖4 阿諾德工程開發中心規定的試驗前活動

開展試驗測試標準規范體系建設需要運用系統工程的方法綜合分析國內外現狀，主要應開展以下幾方面工作：

（1）對國內外標準規范現狀進行對比分析，找出差距，為體系建設提供支撐。

（2）研究標準規范分類的準則。參考國內外相關分類方法及相關資料，研究并確定分類準則。根據各類標準規范的專業類型和特征，明確劃分其類別，將同類規范合并、整理。

（3）編制標準規范總目錄。建立試驗測試標準規范的結構框架，明確規范動態管理的更新機制和方法，為不斷完善標準規范體系打下良好基礎。

（4）根據急用先行的原則，按照體系框架結構，分期分批編制相關標準規范，逐步完善標準規范體系。

5 結束語

試驗測試數據是評價部件及整機性能和優化設計的重要依據。因此，加速航空發動機試驗測試技術發展，對于提升中國航空發動機發展水平意義重大。應適時開展航空發動機研制試驗所需試驗測試儀器研究和開發；組建專業組織，設立專項計劃開展航空發動機試驗測試技術研究，加強專業間交流和協同，進一步提高試驗測試結果的準確度，建立和完善航空發動機試驗測試技術標準規范，以促進航空發動機研制水平的快速發展。

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