航空发动机计量基础及前沿技术介绍

宋娜，李新良，张大治

(中航工业北京长城计量测试技术研究所，北京 100095)

0 引言

计量技术是航空发动机研制过程中重要的基础技术，涉及航空发动机设计、生产和使用的全过程。有了可靠的计量手段和相应的控制方法，才能保障航空发动机性能测试的准确可信;同时，计量技术能够揭示航空发动机更深层次的性质 (如结构内部缺陷)，实现健康监测、诊断和预计，有助于优化其设计。

由于航空发动机的工作环境极为恶劣，很多关键参数又必须采用在现场或在线的方式进行测试，随着其性能的不断提高，对关键参数的测量也提出了更高的要求。

目前，在发动机测试技术上，研究内容主要有信号传输技术 (滑环和遥测)、高温动压测量与传感技术、高温燃气测量技术、非干涉壁温测试技术、动应力测量技术等;在发动机校准技术上，注重更高精度校准技术的研究;在发动机检测技术上，复合材料、金属基体材料和超级合金的应用及新加工工艺的应用所需的检测技术是国外一流发动机公司特别关注的技术;在发动机的控制上，注重机构复杂、控制功能及性能要求高的数控系统和先进测试技术及校准手段的研究;在发动机零部件检测方面，解决了一系列的具体问题，如采用激光扫描、影像测量和三坐标测量机对推重比大于10的发动机和大涵道比涡扇发动机叶片类部件、发动机燃烧室和火焰筒类部件小孔位置度、发动机推力矢量喷管等进行测量，开发适用于非金属叶片的叶尖间隙测量技术等，但具体技术细节未见报道。

本文主要介绍了航空发动机高温、动压、应变及振动等参数的通用测量方法及前沿测量技术，并就研究、应用情况及未来的发展做了较详细分析和介绍。

1 高温参数计量测试技术

准确测量发动机热端部件特别是涡轮等旋转部件温度，是正确评价涡轮叶片冷却效果和工作状态、保证发动机工作在最佳的温度范围及其安全性的前提，其测试方法主要包括:

1)测量高温气流温度的方法包括:热电偶测温;燃气分析方法[1];辐射测温仪测温;声学测温仪测温[2];激光测量技术测温[3];蓝宝石光纤测温[4]。

2)测量高温表面温度的方法包括:薄膜热电偶测温[5－6];示温漆测温[6－8];光电高温计测温[8];各种辐射测温方法，如红外辐射测温[6，8－9]、多波长温度测量[8]、谱色温度测量[8]、多光谱测量方法[4]等。

目前国内发动机温度测量大多使用水冷或气冷保护外壳的铂铑30－铂铑6热电偶传感器。随着高推重比型号发动机的研制，燃烧室后燃气温度将越来越高。在未来一段时期内，这些场合的温度测量将继续采用热电偶接触法测量，因此满足更高要求的热电偶温度传感器是未来的研究重点。

国外，美国NASA在干烧热电偶方面进行了深入的研究，选用耐温更高的热电偶材料以及外壳 (支撑)材料制成温度传感器，可以不使用水冷或气冷，使测温更高、更准确。选用的热电偶材料主要包括:

1)耐温更高的贵金属热电偶材料如 PtRh40，PtRh20以及铱铑热电偶;

2)难熔金属热电偶材料如钨铼合金，测温上限可以达到2300℃或更高，价格只是贵金属热电偶材料的1/10到1/15，通过表面镀膜或惰性物填充等工艺改善，可用于高温测量中。美国NASA Glenn研究中心将钨铼热电偶 (W－5%Re/W－26%Re)置于BeO保护套管内，并在保护套管内充入惰性气体，BeO本身具有优良的高温绝缘性能并且抗热冲击性强，该传感器在高温气流中使用不需水冷，测温上限可达2589 K;

3)非金属热电偶材料如ZrB2，ZrC材料等，如能采取良好的增韧措施，将具有非常广阔的应用前景。

对于干烧热电偶的外壳材料，俄罗斯选用难熔金属，并在其表面通过电子束溅射等方式镀膜，目前国内也有单位打算效仿，但镀膜工艺是个难点。

克山县确保高效节水灌溉工程长久发挥效益的实践……………………………………… 秦福兴，国传江，李学成(11.25)

此外，还有两种新兴的测温方法:

1)光纤温度传感器测温[10]

光纤温度传感器是国内外研究和使用最多的一种，并广泛应用于各个领域，这也为航空测控系统中的温度测量提供了新手段。光纤测温系统与传统的传感器相比具有动态范围大、灵敏度高、响应快、抗电磁干扰、耐腐蚀、光路可弯曲、便于实现遥测等优点。目前这一领域的应用研究国内外尚处于起步阶段。

2)相干反斯托克斯拉曼波谱 (CARS)法[11－12]

相干反斯托克斯拉曼波谱法是一种非常好的温度测量方法，其探测区的产生与迈克尔逊干涉仪类似，都是通过叠加两束或更多不同频率光束产生相干信号。对相干反斯托克斯拉曼波谱信号进行频率分析，可获得和检测分子的拉曼波谱相关的相干反斯托克斯拉曼波谱，从波谱的形状可以归纳出温度。该测量方法提供了高质量的数据，误差只有百分之几。除了因激光扭曲无法对在高压条件下运行的燃烧室进行测量外，几乎能测量所有的区域，甚至最复杂的试验设备，但应用该技术进行测量所需的时间和费用都很高。图1所示为目前CARS测温常用实验装置。

近年来美国NASA已成功地将CARS测温技术应用于燃气涡轮发动机的温度测量。该方法测量的时间、空间以及光谱的分辨力均较高，可用于测量燃烧场的分子密度、温度及浓度分布等复合参量，对分析燃烧场的燃烧过程具有重要指导意义，因而可应用于发动机等燃烧场的测量诊断中，但对环境条件要求较高，整套设备价格昂贵。

图1 CARS测温常用实验装置

2 动压参数计量测试技术

航空发动机研制过程中需要对压力参数进行大量测试，作为设计及技术验证的依据。

国内某研究所针对压力传感器的室内动态校准问题，相继研制了激波管、中频正弦信号发生器等校准标准，但压力范围有限，幅值脉动较高，无法模拟负压测量环境，且因缺少校准方法难以保证实际测量精度。早在20世纪50年代，美国和前苏联就开始对动压系统的动态特性及其测量系统的校准方法进行研究，并提出动态测量的计量保障问题;70年代后，动态校准技术引起了科技界和工业部门的广泛重视，动压校准装置及其相应的校准方法层出不穷。近几年，有报道称俄罗斯CIAM实验基地已成功研制出现场发动机压力测量通道过渡特性的专用校准设备，通过模拟发动机过渡态的实际压力变化，实现对测量系统的现场校准，但国内尚未见到类似的专用校准装置。

3 应变参数计量测试技术

合金航空构件的焊接残余应力对其强度、寿命的影响引起了人们越来越多的关注。国内外应用较为广泛的应力测试手段包括无损的X射线法[13]及破坏性较小的小孔法[14]。X射线法基于衍射原理，对结构表面的平整性要求特别高，测量存在较大的难度和误差。小孔法发展较成熟，国内外有相关的标准和方法，只要钻孔和贴片技术操作正确，可达到较高的测量精度，对表面状况及环境等因素的影响不太敏感，因而被广泛应用于科学研究中。国内某发动机设计研究所研制的900℃动态应变计成功应用于某型发动机台架涡轮转子叶片的动应力测试中[15]。该应变计适宜于任何型面的贴片，由于附贴性好，灵敏度系数分散的情况比以前高温应变计明显减少，在国内尚属首例。

测量裂纹尖端应力强度因子的方法有焦散线法、光弹性法、云纹法、散斑法等，其中焦散线法对试件的表面粗糙度要求较高，光弹性法、云纹法试验过程复杂，散斑法的试验条件相对较易满足。用非线性最小二乘法和J积分法对散斑测量结果进行处理，能够消除裂纹尖端坐标定不准带来的误差，与经典理论解相比具有更高精度，该方法用于测量发动机榫槽底裂纹等复杂情况也较可靠，有实际的应用和推广前景。

4 振动参数计量测试技术

有效测量振动，并通过振动进行故障定位，是有效降低返修率的关键手段和措施。目前国外振动测量主要涉及以下方面:

1)对发动机在运行条件下进行多点和连续的监测并进行记录，特别要对有较大振动或振动参数的某些特性 (比如频率分量)和有明显变化时的数据进行记录并保存。

2)同时测量并计算与振动有密切关系的参数，比如动不平衡量，可实时进行发动机的动平衡，以降低发动机的振动水平。

3)用激光散斑技术测量发动机叶片的变形和模态。由于完全的无接触和整个叶面的同时测量，使测量的准确度和可靠性都得到很大的改善。

4)用发动机的振动信号实现发动机的故障诊断并建立专家系统，实现实时在线的故障诊断和报告。

发达国家在航空测试中大力发展和使用非接触测量技术，单点和多点式激光测振仪已经形成商业化产品，并广泛应用于航空测振领域。

此外，发达国家广泛开展了发动机振动监测和故障诊断的研究，建立了许多新方法。目前多数飞机上都有振动测量及分析设备，美国已开始装备机载故障诊断，实时不间断地对飞机状态进行监测、诊断和预测。目前，应用最多和市场占有率最高的是瑞士生产的振动监测系统 EVM，该系统已安装在波音 (如A380)和空客生产的许多客机上。

目前我国发动机振动测试理论和方法研究相对薄弱，研究机构和成果较少且大都处于跟踪研究阶段。现有接触式测试方法在高频信号采集、测试点数量、传感器安装、信号线缆传输等方面受到限制，因此急需发展非接触测试技术。此外，机载测振仪以及系统化、智能化的故障诊断系统还有待研制和产品化。

目前国内外比较先进的航空发动机测振方法主要有:

1)基于光纤技术的非接触式测量方法

国内外测量发动机转子叶片振动参数的一种较先进的方法是采用光纤振动传感器进行测量。高温光纤传感探头可在航空发动机内部高温、高尘环境中长时间稳定工作，可实现高速旋转叶片的实时在线振动检测。

2)激光全息测振方法

正确测试与识别发动机叶片的振动模态参量，对了解与研究叶片的振动特性及叶片的设计、制造、故障诊断等非常必要。采用激光全息测量技术测量叶片的振动模态属非接触式测量，其最大特点是获取信息量大，测量精度高，目前国内外均有大量研究，集中在光学系统研制与应用两方面。

3)整体式耐高温振动传感器[16]

SHQ-80型振动传感器将压电敏感元件产生的电信号直接可靠地传输到离测点1.5 m远的输出端，避免了传统传感器接插件处于测点和高温区内易发生故障的问题。该传感器灵敏度高，频响范围宽，可靠性好，有效消除了电磁干扰，能在400℃甚至更高温度的环境中正常工作，使其能够在航空发动机内部或涡轮高温部位使用。

5 结论

航空发动机是一个高温、高压、高转速的热力机械系统，在航空发动机的研制、试验、生产及使用维修过程中，需要进行众多参数的测量，而所有这些参数的测量工作都需要在发动机运行的恶劣环境中进行，想要达到准确测量十分困难，而准确可靠的测量技术关乎发动机的试验验证和使用的安全性、可靠性。国外发达国家相关领域的技术较为成熟。近年来随着国家对航空发动机研制项目的重视与支持，国内航空发动机的测试技术的探索和研究也得到越来越多的关注，未来这些新方法、新技术的研究和应用将是我国航空发动机领域重点研究的内容之一。

[1]钟华贵，吉洪湖，李继保.燃气分析测量高温燃气温度的方法 [J].航空动力学报，2005，20(3):460－466.

[2]王交峰，田丰，田金光.基于声学CT重建航空发动机燃烧室出口温度场的仿真研究 [J].沈阳航空工业学院学报，2009，26(2):38－42.

[3]毛茂华，黄春峰，石小江.先进航空发动机燃烧室试验温度激光测量技术[J].测控技术，2010，29(S0):79－83.

[4]杨永军，蔡静，赵俭.航空发动机研制高温测量技术探讨[J].计测技术，2008，28(S1):46－48.

[5]黄春峰，蒋明夫，毛茂华.国外航空发动机薄膜热电偶技术发展研究 [J].航空发动机，2011，37(6):53－57.

[6]李杨，李志敏，熊兵，等.航空发动机涡轮叶片温度测量技术现状与发展 [C]//第十五届中国科协年会第13分会场:航空发动机设计、制造与应用技术研讨会论文集.北京:中国科学技术协会学会技术部，2013.

[7]李杨，陈洪敏，熊庆荣.不可逆示温涂料的发展及应用[J].中国涂料，2010，25(5):16－19.

[8]蔡静，杨永军，赵俭，等.航空发动机热端表面温度场测量 [J].计测技术，2009，29(1):1－3.

[9]徐锐，徐红琴，沈献绍，等.红外测温系统在航空发动机轮盘试验中的应用[J].中国测试，2012，38(4):32－35.

[10]王萍.国外发动机领域光纤测温技术的发展 [C]//2011航空试验测试技术学术交流会论文集.北京:测控技术杂志社，2011.

[11]吴倩倩，张天天.CARS光谱测温技术的三种理论模型研究 [J].电子世界，2012(13):100－101.

[12]李荣福，千庆姬，高春歌.利用OPO的CARS光谱测温及狭缝函数的影响 [J].激光与红外，2008，38(7):697－700.

[13]段能全，任建亮，庞瑞强，等.3003铝合金X射线法表面残余应力的检测[J].中国表面工程，2012，25(6):79－84.

[14]付鹏飞，左从进，毛智勇，等.电子束焊接GH536合金残余应力分布小孔法测试 [J].焊接学报，2005，26(11):21－23.

[15]郝兵，李成刚，王德友.900℃动态应变计的研制与应用[J].航空发动机，2005，31(2):24－27.

[16]李荣生.整体式耐高温振动传感器的研究[J].测控技术，1998，17(6):27－29.