航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口動(dòng)態(tài)溫度場測試耙設(shè)計(jì)

張校東，孫海龍，王曉良，薛秀生

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽110015）

0 引言

隨著中國航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)技術(shù)的完善與成熟，各種特殊環(huán)境下的發(fā)動(dòng)機(jī)流場測試技術(shù)逐漸成為發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)亟需解決的技術(shù)難題。發(fā)動(dòng)機(jī)在飛機(jī)起飛時(shí)進(jìn)氣道吸入高溫水蒸氣，其進(jìn)口產(chǎn)生一定的溫度畸變，對(duì)其穩(wěn)定性造成嚴(yán)重影響。因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中亟需1種測量發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口動(dòng)態(tài)溫度場的方法，計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)吸入高溫水蒸氣時(shí)的溫度場畸變，并評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)特殊工況下的穩(wěn)定性。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)參數(shù)測量條件惡劣，測試元件長時(shí)間處于高溫、高壓、強(qiáng)振動(dòng)的氣動(dòng)環(huán)境中工作。為保證動(dòng)態(tài)溫度測試系統(tǒng)工作的可靠性，提高其使用壽命，經(jīng)常在感溫元件外加裝保護(hù)套管，致使傳感器存在較大的熱慣性[1-4]。當(dāng)測量的溫度隨時(shí)間變化較快時(shí)，上述溫度傳感器所測溫度信號(hào)總是滯后于被測對(duì)象真實(shí)溫度變化，從而產(chǎn)生較大的測溫誤差[5-7]。文獻(xiàn)[8]用鎳鉻-考銅材料制作片狀熱電偶，介紹了時(shí)間常數(shù)的校準(zhǔn)和確定方法；文獻(xiàn)[9-10]在國內(nèi)首次利用多裕度細(xì)絲熱電偶實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)溫度的單點(diǎn)測量，并在飛機(jī)武器發(fā)射試驗(yàn)中獲得成功應(yīng)用。

本文以細(xì)絲熱電偶為溫敏元件研制1種發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口動(dòng)態(tài)溫度場測試耙，并將其成功應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)水蒸氣吸入試驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口動(dòng)態(tài)溫度場測試，獲得了良好的測量效果。

1 動(dòng)態(tài)溫度場測試耙設(shè)計(jì)與分析

目前國內(nèi)主要針對(duì)小尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)或者小型飛機(jī)進(jìn)氣道設(shè)計(jì)并使用測量耙進(jìn)行畸變場測試，而針對(duì)大涵道發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)用的大尺寸測量耙的研制和使用尚屬于起步階段，研制需求十分迫切[11]。文獻(xiàn)[12-15]設(shè)計(jì)了1種發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣畸變測量耙，詳細(xì)介紹了畸變耙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和測試改裝方法，并完成了相關(guān)的振動(dòng)、動(dòng)應(yīng)力等基礎(chǔ)驗(yàn)證試驗(yàn)。

1.1 動(dòng)態(tài)溫度場測試耙整體方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)溫度場測試耙（如圖1所示）安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口進(jìn)氣測量截面，周向采用“水”字形布置，包括6支小慣性熱電偶耙臂和1個(gè)支撐內(nèi)環(huán)。小慣性熱電偶耙臂以及支撐內(nèi)環(huán)橫截面均設(shè)計(jì)成前大后小的翼型結(jié)構(gòu)，不僅可以減小整個(gè)測試受感部的氣動(dòng)載荷，也大大降低了受感部對(duì)后面發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口流場的干擾[16]。

每支小慣性熱電偶耙臂上按照等環(huán)面分布5個(gè)動(dòng)態(tài)溫度測點(diǎn)，通過4個(gè)螺釘緊固在機(jī)匣安裝座上。由于每支耙臂較長，為更好地抑制耙臂的振動(dòng)情況，提高整個(gè)溫度測試耙的整體抗振能力，在內(nèi)環(huán)上盲孔和耙臂端部圓柱利用浮動(dòng)連接的方式將周向6支耙熱電偶耙臂連接。耙臂和內(nèi)環(huán)的連接結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 動(dòng)態(tài)溫度測試耙布置

圖2 臂和內(nèi)環(huán)的浮動(dòng)連接

1.2 動(dòng)態(tài)溫度場測試耙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口的測試受感部的設(shè)計(jì)，強(qiáng)度計(jì)算是極其重要的環(huán)節(jié)。根據(jù)動(dòng)態(tài)溫度場測試耙在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣上的實(shí)際安裝結(jié)構(gòu)，將小慣性熱電偶耙臂與支撐內(nèi)環(huán)之間的連接定義為剛性接觸碰撞，建立動(dòng)態(tài)溫度場測試耙的有限元分析模型，并對(duì)其進(jìn)行靜強(qiáng)度和動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算。

在動(dòng)態(tài)溫度場測試耙設(shè)計(jì)工況條件下，靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如圖3所示。從圖中可見，最大應(yīng)力位于小慣性熱電偶耙臂根部，根據(jù)動(dòng)態(tài)溫度場測試耙的耙臂和內(nèi)環(huán)材承力部件材料性能可知，整個(gè)測試耙靜強(qiáng)度裕度系數(shù)nb滿足受感部強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

圖3 受感部最大應(yīng)力分布

對(duì)動(dòng)態(tài)溫度場測試耙進(jìn)行特征頻率計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 動(dòng)態(tài)溫度場測試耙固有頻率

本文設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)溫度場測試耙安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣測量段上，承受發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣機(jī)匣的振動(dòng)載荷，進(jìn)氣機(jī)匣振動(dòng)頻率可近視等效為低壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率。由文獻(xiàn)[17]可知，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)測試受感部的動(dòng)強(qiáng)度校核，應(yīng)以固有頻率（3階內(nèi)）與激振頻率差值是否大于25%作為主要判據(jù)，動(dòng)態(tài)溫度場測試耙前3階固有頻率的裕度均大于25%，動(dòng)態(tài)溫度場測試耙動(dòng)強(qiáng)度裕度滿足受感部設(shè)計(jì)要求。

2 小慣性熱電偶設(shè)計(jì)與標(biāo)定

2.1 小慣性熱電偶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了測得氣流的瞬間溫升，本文設(shè)計(jì)的小慣性熱電偶響應(yīng)時(shí)間要求毫秒級(jí)別。根據(jù)對(duì)細(xì)偶絲時(shí)間常數(shù)的相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，本文選用Φ=0.08 mm K型偶絲作為溫敏元件，時(shí)間常數(shù)為0.04 s。考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口氣流環(huán)境較為惡劣，小慣性熱電偶測溫探頭必須具有可修復(fù)性，本文所設(shè)計(jì)的測溫探頭采用Φ=0.08、Φ=0.5 mm 2種K型偶絲搭接而成，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

測溫探頭安裝座以及耙臂內(nèi)部均采用Φ=0.5 mm的偶絲，保證整個(gè)小慣性熱電偶內(nèi)部灌封偶絲的使用壽命。測溫探頭外露感溫處局部采用Φ=0.08 mm的偶絲，與Φ=0.5 mm的偶絲采用儲(chǔ)能點(diǎn)焊焊接。由于Φ=0.08 mm偶絲強(qiáng)度較弱，使用壽命十分有限，試驗(yàn)中可直接將Φ=0.08 mm偶絲快速更換，并與Φ=0.5 mm偶絲重新焊接。

圖4 測溫探頭結(jié)構(gòu)

2.2 小慣性熱電偶的標(biāo)定

根據(jù)K型偶絲的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)可知，I級(jí)K型偶絲在200℃以上具有較高的精度，在200℃以下的低溫區(qū)域工程應(yīng)用較少。另外，為研究2種規(guī)格偶絲相互焊接以及細(xì)絲熱電偶修復(fù)性焊接是否對(duì)偶絲精度產(chǎn)生影響，應(yīng)當(dāng)對(duì)小慣性熱電偶進(jìn)行低溫區(qū)域的對(duì)比標(biāo)定。分別取2組本文設(shè)計(jì)的小慣性熱電偶和1組常規(guī)的Φ=0.5 mm K型熱電偶進(jìn)行對(duì)比標(biāo)定試驗(yàn)，標(biāo)定結(jié)果見表2。

表2 對(duì)比標(biāo)定結(jié)果

從表中可見，在各標(biāo)定溫度下本文設(shè)計(jì)的小慣性熱電偶與常規(guī)Φ=0.5 mm偶絲的熱電勢基本一致，與標(biāo)準(zhǔn)熱電勢相比，最大偏差為-1.5℃，滿足K型偶絲I級(jí)精度要求；2組小慣性熱電偶標(biāo)定結(jié)果幾乎完全相同，本文設(shè)計(jì)的細(xì)絲熱電偶重復(fù)更換并與Φ=0.5 mm偶絲焊接對(duì)測溫性能無影響。

3 試驗(yàn)測試結(jié)果

3.1 測試系統(tǒng)簡介

本次試驗(yàn)動(dòng)態(tài)壓力測試系統(tǒng)原理如圖5所示。

圖5 動(dòng)態(tài)溫度測試系統(tǒng)

信號(hào)放大器選用VISHBY公司ModelA2信號(hào)放大器，具有溫度測試模塊，多路擴(kuò)展，自帶溫度補(bǔ)償功能，溫度測試方便快捷，最高響應(yīng)頻率為110 kHz，符合此次試驗(yàn)要求。數(shù)據(jù)采集卡選用凌華DAQe-2208高速數(shù)據(jù)采集卡，可進(jìn)行多路高速高精度數(shù)據(jù)采集，相關(guān)參數(shù)符合發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口動(dòng)態(tài)溫度場測試要求。

3.2 數(shù)據(jù)處理

采集到的原始數(shù)據(jù)噪聲較大，為了滿足動(dòng)態(tài)測量誤差的修正，必須對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，提高信號(hào)的信噪比。采用的濾波器為Butterworth低通濾波器，截止頻率為1 kHz，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波。

由于熱電偶本身具有熱慣性，當(dāng)氣流溫度變化時(shí)，熱電偶測量端的變化在時(shí)間上滯后于氣流溫度的變化，所以要對(duì)測量到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)誤差的修正，修正公式為[17]

式中：Tt為t時(shí)刻修正后的實(shí)際溫度值；Tit為t時(shí)刻瞬態(tài)指示溫度，為了減少部分噪聲的干擾，Tit用t時(shí)刻前2個(gè)數(shù)據(jù)與t時(shí)刻后2個(gè)數(shù)據(jù)瞬時(shí)算術(shù)平均值代替；τ為熱電偶時(shí)間常數(shù)；（dT/dt）i為t時(shí)刻瞬態(tài)指示溫升率，是5點(diǎn)瞬時(shí)值經(jīng)最小二乘法直線擬合的斜率。

該測試耙在某型發(fā)動(dòng)機(jī)高溫水蒸氣吸入試驗(yàn)累計(jì)使用時(shí)間17 h 12 min。由于試驗(yàn)中高溫水蒸氣被發(fā)動(dòng)機(jī)吸入后瞬間液化，對(duì)小慣性熱電偶測點(diǎn)造成較大的沖擊載荷，使小慣性熱電偶測點(diǎn)壽命受限。在整個(gè)試驗(yàn)中對(duì)小慣性熱電偶個(gè)別測點(diǎn)進(jìn)行多次修復(fù)，取得了較好的動(dòng)態(tài)溫度場測試效果。2種狀態(tài)下水蒸氣吸入瞬間發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口30個(gè)測點(diǎn)動(dòng)態(tài)溫度的變化如圖6、7所示。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，本文設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口動(dòng)態(tài)溫度場測試耙測量數(shù)據(jù)能夠有效地反映發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口在高溫水蒸氣吸入瞬間的溫度場變化情況，對(duì)于后續(xù)高溫水蒸氣吸入位置的變化情況、吸入量的變化規(guī)律以及發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口溫度畸變持續(xù)時(shí)間的計(jì)算提供基礎(chǔ)測試數(shù)據(jù)支撐。

圖6 狀態(tài)1動(dòng)態(tài)溫度曲線

圖7 狀態(tài)2動(dòng)態(tài)溫度曲線

4 結(jié)論

通過航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口動(dòng)態(tài)溫度場耙的設(shè)計(jì)及應(yīng)用，得出以下結(jié)論：

（1）基于浮動(dòng)連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口流場測試耙具有足夠的強(qiáng)度裕度，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)測試受感部設(shè)計(jì)要求；

（2）通過細(xì)絲搭接法設(shè)計(jì)的小慣性熱電偶測溫性能滿足動(dòng)態(tài)溫度測試要求。