The Challenge:

　　在噴氣發(fā)動(dòng)機的性能測試中測量高壓渦輪氣流中的空氣動(dòng)力學(xué)數據。

　　The Solution:

　　設計制造預定發(fā)動(dòng)機減震設備外盒，配有新型鍍鉑金的空氣動(dòng)力學(xué)探針。

　　"我們把基于PXI的電子機架安裝在發(fā)動(dòng)機上方，通過(guò)特殊高溫電纜保障數據的完整性。然后通過(guò)光纖電纜連接測試單元PC 系統與PXI機箱，實(shí)現操作用戶(hù)界面及測試控制。"

　　噴氣機發(fā)動(dòng)機設計中廣泛采用CAD 建模，這類(lèi)模型異常精密但卻遠未達到完美。為了驗證計算機建模，必須通過(guò)真實(shí)發(fā)動(dòng)機上的測試來(lái)修正模型。這是開(kāi)發(fā)過(guò)程中的重要部分。

　　由于氣流的溫度及壓力關(guān)系，渦輪測試相關(guān)性往往是困難的。在比真實(shí)渦輪溫度、壓力低的環(huán)境下運行，傳統測試模型測試結果按比例放大。由于溫度及壓力的增加，尖端與輪軸的邊界條件、尖端泄漏、及比例誤差等因素造成上述測試過(guò)程具有一定局限性。

　　Richmond 測量服務(wù)公司（RMS）需要在勞斯萊斯Trent 900 噴氣式發(fā)動(dòng)機渦輪中測量四個(gè)位置的氣體環(huán)境。測試設備設計用于測量全壓力、靜態(tài)壓力、流速、及流向等參數。

　　測試系統組成包括空氣動(dòng)力學(xué)探針、設備外盒、19英寸機架電子單元、用于運動(dòng)控制和數據采集的預定PC 軟件，它結合NI-Motion、NI-DAQmx、和NI Measurement Studio軟件在Microsoft Visual Basic 6.0 中編寫(xiě)。我們把基于PXI 的電子機架安裝在發(fā)動(dòng)機上方，通過(guò)特殊高溫電纜保障數據的完整性。然后通過(guò)光纖電纜連接測試單元PC 系統與PXI 機箱，實(shí)現操作用戶(hù)界面及測試控制。

　　測試車(chē)輛

　　圖1 顯示性能測試中的測試發(fā)動(dòng)機。渦輪的氣體入口環(huán)境溫度高達1,700 K，壓力達250 psi。渦輪外套上溫度可達250 °C，是ATEX Zone 2 級危險區域。

圖1.性能測試中的測試發(fā)動(dòng)機

　　發(fā)動(dòng)機通過(guò)吊架結構懸掛，以此作為機身。吊架上留有安裝硬件的空間，但在發(fā)動(dòng)機測試過(guò)程中上述空間不可接近。電纜從吊架連接到測試單元控制室很困難，可能需要加長(cháng)電纜，因此測試單元接收信號中的干擾將非常大。

　　原則

　　RMS 在用于航空測試環(huán)境的預定儀器系統上具有相當經(jīng)驗。該系統設計過(guò)程中，我們希望能夠利用這些經(jīng)驗，并集成現有硬件，獲得以往成功經(jīng)驗及結構上的技術(shù)支持。

　　一般來(lái)說(shuō)，為保障信號完整性，傳感器與信號源越近越好，這意味著(zhù)電子系統最好裝在發(fā)動(dòng)機上及測試單元內。我們還希望系統是模塊化、可擴展的，從而能夠適用于各類(lèi)靈活的規范。

　　探針

　　穿過(guò)渦輪外套的探針對氣流的溫度及壓力進(jìn)行測量。探針尖端為鉑金材料，無(wú)縫焊接在鋼性支承管上。支撐管通過(guò)流向探針尖端的液體冷卻。探針尖端安裝壓力傳感器及熱電偶。渦輪套外安裝有操作探針的機械裝置，同時(shí)控制壓力傳感器及熱電偶。

圖2.鉑金探針尖端

　　儀器外盒

　　儀器外盒是一個(gè)獨立單元，特有探針操作器、壓力傳感器、及熱電偶信號調理單元。內部溫度通過(guò)氣冷和水冷系統控制在70 °C 以下。單元還具有探針水冷裝置。備用傳感器通道用于健康監測。渦輪外殼周?chē)舶惭b四個(gè)外盒。

圖3.安裝在渦輪外殼上的設備外盒

　　控制電纜及數據電纜

　　每個(gè)外盒都包含氣、液、電子系統。專(zhuān)用電纜必須能夠承受250 °C高溫。設計采用兩條電纜，一條用于操縱器，控制發(fā)動(dòng)機及編碼信號；另一條用于模擬信號。電纜繞過(guò)發(fā)動(dòng)機，從上面通過(guò)支撐吊架連接到吊架上方的機架系統。

　　吊架

　　吊架包括NI PXI 機箱，安裝了數據采集及運動(dòng)控制系統。此外，機架包含兩臺多通道步進(jìn)電機及用于電子系統互連的數據采集接口單元。吊架還安裝了UPS，在主電源失效時(shí)維持系統供電。我們還采用了PXI 機箱來(lái)監測氣冷及液冷系統。

　　測試單元PC

　　安裝于控制室內的PC系統，通過(guò)MXI及光纖與吊架PXI 機箱進(jìn)行通信。PC 上安裝了額外的數據采集板，用于監測測試單元內的信號。

　　我們采用Windows XP 專(zhuān)業(yè)版操作系統，在Visual Basic 中用NIDAQmx、NI-Motion及Measurement Studio軟件編寫(xiě)預定軟件。

　　PC 由UPS 供電，在主電源失效情況下仍可連續供電至少半小時(shí)。

圖4. 控制室內的PC 系統

　　橫動(dòng)軟件

　　橫動(dòng)軟件模塊負責在氣流中移動(dòng)探針。軟件模塊與安裝在PXI 機箱吊架上的NI PXI-7358 步進(jìn)/ 伺服控制器進(jìn)行通信。

　　PXI-7358 運行板載程序，負責在某種原因導致主PC失效時(shí)將探針收回到安全位置。

　　數據采集軟件

　　數據采集軟件模塊包含一系列界面，允許操作人員根據需要進(jìn)行開(kāi)關(guān)。這意味著(zhù)操作人員能夠更加關(guān)注感興趣的數據段。保留的信息在系統安裝機故障排除時(shí)是很重要。

　　該模塊還負責記錄數據。軟件將數據保存為一組數據文件，允許隨時(shí)調用以改變測試進(jìn)程，也可用于后續分析。

　　校準

　　制造全過(guò)程中都進(jìn)行了校準。在樣機測試中，系統通過(guò)向傳感器輸送標校信號，檢查記錄數據是否符合規范。

　　結論

　　橫動(dòng)系統在發(fā)動(dòng)機運行測試中的性能與預期相同，數據被有效采集?？蛻?hù)對數據記錄的品質(zhì)很滿(mǎn)意，并根據對數據集的檢查將性能測試程序進(jìn)行了修改?？偣? 次性能運行，記錄超過(guò)100 小時(shí)的運行數據。