多級(jí)軸流壓氣機(jī)試驗(yàn)中壓力掃描閥參考端的研究

金宗亮

摘要：本文對(duì)壓氣機(jī)試驗(yàn)中壓力掃描閥參考端的選取進(jìn)行了研究，通過測(cè)量不確定度分析得到壓力掃描閥壓差傳感器與絕壓傳感器量程的理論最優(yōu)分配關(guān)系，并以此為依據(jù)提出了選取級(jí)間壁面靜壓作為參考端的方案。為驗(yàn)證該方案的可行性與有效性，本文以某十級(jí)高壓壓氣機(jī)試驗(yàn)為例，分析大氣壓作為參考端與壓氣機(jī)出口壁面靜壓作為參考端的測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)比了兩種方案下壓氣機(jī)出口總壓的測(cè)量不確定度。結(jié)果表明，對(duì)于高壓比工況，使用壓氣機(jī)出口壁面靜壓作為參考端，壓氣機(jī)出口總壓測(cè)量的擴(kuò)展不確定度可降低約0.4kPa，對(duì)于提升壓氣機(jī)高轉(zhuǎn)速工況的壓力測(cè)量精度意義不大。對(duì)于壓比不小于3的工況，使用壁面靜壓作為參考端可保證出口總壓測(cè)量相對(duì)擴(kuò)展不確定度小于0.2%，顯著提高了中低轉(zhuǎn)速工況的壓力測(cè)量精度。

Abstract： The reference layer for the pressure scanners in the compressor test is investigated through theoretical analysis and test data. Using the static pressure in compressor stages as the reference layer is proposed based on the theoretical optimal ratio of range between the differential pressure sensor and the absolute pressure sensor. In order to verify the feasibility and effectiveness， this methodology has been adopted in a ten-stage compressor test. Indicated by the result， the expanded measurement uncertainty of the total pressure at compressor outlet can be reduced by approximately 0.4kPa， which has little effect on improving the pressure measurement accuracy under high-speed operating conditions of the compressor. However， the relative expanded uncertainty is less than 0.2% for the operating conditions where the pressure ratio is higher than 3， which significantly improves the pressure measurement accuracy at low and medium speeds.

關(guān)鍵詞：壓氣機(jī)試驗(yàn);壓力掃描閥;參考端

Key words： pressure scanner;reference layer;compressor test

0? 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制在一定程度上依賴測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，隨著研制的深入，對(duì)試驗(yàn)過程中參數(shù)測(cè)量精度的要求不斷提高，以獲取更精確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)用于支撐設(shè)計(jì)優(yōu)化。壓力掃描閥是航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)測(cè)試領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的壓力測(cè)量設(shè)備，具有測(cè)量精度高、集成度高的優(yōu)點(diǎn)[1]。壓力掃描閥配備參考端和測(cè)量端，以PSI9116壓力掃描閥為例，16路測(cè)量端分別對(duì)應(yīng)16個(gè)獨(dú)立的壓差傳感器，用于測(cè)量各測(cè)點(diǎn)與參考端的壓差。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)試驗(yàn)中，通常將壓力掃描閥的參考端通大氣，使用高精度的絕壓傳感器測(cè)量大氣壓作為參考?jí)毫Γ瑝毫y(cè)量值為參考?jí)毫χ蹬c壓力掃描閥測(cè)量的壓差值之和。然而，對(duì)于多級(jí)軸流式壓氣機(jī)，設(shè)計(jì)點(diǎn)壓比高，使用大氣壓作為參考端導(dǎo)致用于壓氣機(jī)出口及后面級(jí)壓力測(cè)量的掃描閥的量程遠(yuǎn)大于絕壓傳感器的量程，這種量程分配方式對(duì)于測(cè)量精度造成一定影響。

本文針對(duì)壓力掃描閥在高壓壓氣機(jī)試驗(yàn)中的應(yīng)用，研究參考端的選取方法。以某十級(jí)高壓壓氣機(jī)試驗(yàn)為例，通過測(cè)量不確定度分析得出理論上的量程最優(yōu)分配方案，以此為依據(jù)提出一種壓力掃描閥參考端的選取方法，達(dá)到優(yōu)化量程分配、降低測(cè)量不確定度的目的，并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證這種選取方法的可行性與有效性。

1? 理論分析

測(cè)量過程中的隨機(jī)效應(yīng)和系統(tǒng)效應(yīng)均會(huì)導(dǎo)致測(cè)量不確定度，總體標(biāo)準(zhǔn)不確定度為隨機(jī)標(biāo)準(zhǔn)不確定度與系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)不確定度的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度[2]。

2? 參考端的選取方案

2.1 初步方案

試驗(yàn)過程中，高壓壓氣機(jī)出口總壓隨試驗(yàn)工況變化，為了使壓力掃描閥與絕壓傳感器量程滿足上述關(guān)系，存在一個(gè)問題。若選擇一個(gè)低壓的參考端，高轉(zhuǎn)速壓氣機(jī)出口總壓與參考端的壓差會(huì)超過壓力掃描閥的量程，導(dǎo)致無法測(cè)量;若選擇一個(gè)高壓的參考端，在壓氣機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)，參考端的壓力會(huì)超過壓氣機(jī)出口總壓，導(dǎo)致無法測(cè)量。因此，需要選擇一個(gè)壓力可變的參考端。

為了滿足上述參考端壓力可變的需求，壓氣機(jī)的級(jí)間壓力是一個(gè)合適的選擇，既滿足壓力隨試驗(yàn)工況變化，又不需要增加額外的壓力源和壓力調(diào)節(jié)裝置。此外，為了便于測(cè)點(diǎn)的布置和引壓管的安裝，可選擇級(jí)間壁面靜壓作為參考端。參考端初步方案如圖1所示。

2.2 級(jí)間位置的選取

根據(jù)前述總量程與絕壓傳感器量程的理論最優(yōu)關(guān)系，選取的參考端時(shí)，壓氣機(jī)出口總壓與參考端壓力的比值為1.4是最理想的情況。

多級(jí)軸流式高壓壓氣機(jī)的單級(jí)平均壓比一般在1.2～1.5，前面級(jí)壓比通常高于后面級(jí)[3]。因此，前一級(jí)的靜壓可作為參壓力掃描閥考端選項(xiàng)之一。根據(jù)設(shè)計(jì)階段的計(jì)算結(jié)果，第十級(jí)設(shè)計(jì)點(diǎn)壓比為1.23。但是，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的喘振裕度一般要求達(dá)到25%以上，對(duì)于喘點(diǎn)附近，壓氣機(jī)出口總壓與前一級(jí)壁面靜壓的比值超過1.5。因此，選擇前一級(jí)靜壓作為參考端，壓力偏小。

3? 可行性驗(yàn)證

根據(jù)公式（1），測(cè)量結(jié)果的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度中，除系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量，還包含隨機(jī)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不確定度的A類評(píng)定方法[4]，通過測(cè)量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差，計(jì)算直接測(cè)量參數(shù)的隨機(jī)標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

為驗(yàn)證級(jí)間壁面靜壓作為參考端的可行性，本文以某型高壓壓氣機(jī)在某轉(zhuǎn)速的測(cè)量數(shù)據(jù)為例，分別對(duì)選擇大氣壓作為參考端與選擇壓氣機(jī)出口壁面靜壓作為參考端進(jìn)行不確定度分析。試驗(yàn)中每個(gè)穩(wěn)定工況點(diǎn)錄取數(shù)據(jù)30秒，采樣頻率10Hz，取平均值作為該工況下的測(cè)量結(jié)果。

大氣壓作為參考端與壓氣機(jī)出口壁面靜壓作為參考端的一組30秒測(cè)量數(shù)據(jù)如圖2與圖3所示。圖中，Pr1表示大氣壓測(cè)量值，Pd1表示壓力掃描閥測(cè)量的壓差值;Pr2表示壓氣機(jī)出口壁面靜壓測(cè)量值，Pd2表示壓力掃描閥測(cè)量的壓差值。

兩組測(cè)量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差與隨機(jī)標(biāo)準(zhǔn)不確定度如表1所示。

由表2可知，雖然壓氣機(jī)出口壁面壁面靜壓的波動(dòng)量大于大氣壓，但綜合參考端測(cè)量值的隨機(jī)標(biāo)準(zhǔn)不確定度與壓差測(cè)量值的隨機(jī)標(biāo)準(zhǔn)不確定度，壓氣機(jī)出口總壓測(cè)量值的合成隨機(jī)標(biāo)準(zhǔn)不確定度僅增大約0.035kPa。因此，選擇級(jí)間壁面靜壓作為參考端的方法可行。

4? 對(duì)測(cè)量不確定度的影響

4.1 某工況點(diǎn)總壓測(cè)量不確定度對(duì)比

兩種參考端選取方法對(duì)應(yīng)的測(cè)量設(shè)備精度與量程如表2所示。

根據(jù)公式（3）與表2數(shù)據(jù)分別計(jì)算兩種參考端選取方式的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)不確定度，并根據(jù)公式（1）與表1數(shù)據(jù)計(jì)算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度。此外，假設(shè)測(cè)量誤差符合正態(tài)分布，近似95%包含概率的包含因子取值2，則擴(kuò)展不確定度為：

4.2 不同壓比下對(duì)測(cè)量不確定度的對(duì)比

不同壓比下，壓氣機(jī)出口總壓不同，為了更加直觀，采用相對(duì)不確定進(jìn)行對(duì)比。壓氣機(jī)出口總壓相對(duì)擴(kuò)展不確定度定義如下。

由圖4可知，選取壓氣機(jī)出口壁面靜壓作為參考端，可保證在壓比3～18范圍內(nèi)，壓氣機(jī)出口總壓測(cè)量不確定度小于0.2%，有助于提升壓氣機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)的出口總壓測(cè)量精度。

5? 結(jié)論

關(guān)于壓氣機(jī)試驗(yàn)中壓力掃描閥參考端的選取，總結(jié)如下：

①對(duì)于高壓壓氣機(jī)出口總壓的測(cè)量，使用壓氣機(jī)出口壁面靜壓作為參考端相比于大氣壓作為參考端，隨機(jī)不確定度不會(huì)因參考端壓力波動(dòng)而顯著增大，系統(tǒng)不確定度因量程分配的優(yōu)化而降低。

②對(duì)于高壓比工況，使用壓氣機(jī)出口壁面靜壓作為參考端，可在一定程度上降低壓氣機(jī)出口總壓的測(cè)量不確定度，擴(kuò)展不確定度降低約0.4kPa，因此對(duì)于提升高轉(zhuǎn)速工況的壓力測(cè)量精度意義不大。但是，對(duì)于壓比不小于3的工況，使用壁面靜壓作為參考端可保證出口總壓測(cè)量相對(duì)擴(kuò)展不確定度小于0.2%，顯著提高了中低轉(zhuǎn)速工況的壓力測(cè)量精度。

③對(duì)于多級(jí)軸流式高壓壓氣機(jī)的出口總壓或后面級(jí)總壓測(cè)量，可以考慮選取該級(jí)的壁面靜壓或者前一級(jí)的壁面靜壓作為參考端的備選方案，用于提高中低轉(zhuǎn)速工況的壓力測(cè)量精度。

參考文獻(xiàn)：

[1]Bela G. Liptak， Kriszta Venczel. Pressure Scanners[J]， Measurement and Safety. 2016， 1252-1258.

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

[3]GB/T27418，測(cè)量不確定度評(píng)定與表示[S].北京：國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，2017.

[4]胡俊.航空葉片機(jī)原理[M].北京：國(guó)防教育出版社，2014：25-102.