航空发动机性能测试受感部试验研究

摘 要：发动机工作过程中性能测试是生产和研制的重要环节，要想获得发动机的性能参数，必须在测量段安装受感部，而受感部的安装又或多或少的影响了发动机的流场，所以减少对发动机流场的影响会使测量数据更加真实。本文介绍了该种复合式受感部的设计及研究过程,阐述了一种复合式受感部设计研制的步骤。

关键词：发动机；复合式；温度；压力；误差分析

中图分类号：TJ650.3+4文献标识码：A

前言

随着航空发动机技术的不断发展,高性能已是代表着发动机技术水平的主要指标，目前在发动机设计上使用的各种模拟设计和计算软件都已经非常先进而且方便，并被广泛的应用。那么发动机零件经过加工，装配后的性能参数是否与设计状态相同？这就需要在发动机工作时对各截面性能参数进行实试。为了尽可能减少受感部对发动机性能的影响，采用最少的受感部来测量较多的参数，是我们测试的发展方向。经过多方研究，设计出了复合型温度、压力测试受感部，用于发动机性能参数的测试，本文简略地从设计、计算,误差分析等几个方面对复合型受感部进行阐述。

1 结构设计

受感部是进入到发动机内部，在高温、高压气流下工作的一种测试感受元件，为了保证测试数据的准确性，它必须安装在发动机内部，所以对其要求非常高。既要尽可能的小，又要有适合测试的形状位置精度才能保证测试结果的准确性，同时还要考虑安全可靠的工作，因此给受感部设计带来一定的难度。

1.1 保护壳体的设计

保护壳体的作用是支撑和固定内部受感部元件,因此保护壳体应该有足够的强度和刚性。选材、加工、焊接及发动机工作时的振动、高温、气流速度、压力等都是影响受感部强度的重要因素，受感部的强度问题也是影响整个发动机安全的重要因素。所以我们在进行复合型受感部保护壳体选材时采用了强度较高的1Gr18Ni9Ti材料。

1.2 屏蔽罩

在保护壳体里的测试元件,由于有保护壳体的存在，使得热辐射差大大降低，为减少速度造成的误差，采用屏蔽罩形式。（如图1所示）而屏蔽罩可以使高速气流进入屏蔽罩时能充分滞止下来，使气流的动能转变为热能，然后以较低的速度从出口流出，利用气体的粘性理论大大提高了流场内对热气流的收集，提高了测试精度。

1.3 结构的强度计算

受感部的强度直接影响着发动机的安全，故强度计算必不可少，为简化计算做如下假设：

①假设介质只承受垂直于轴向的气动力，且全长均布；

②假设受感部只是圆柱型；

③不考虑加工公差与焊接的影响。

安全系数：

在M＞0.2气流速度在40m/s~100m/s；取v＝100m/s t=200℃P*=112KPa

受感部尺寸为： L=83 D=Ф12 d=Ф9时的安全系数为：nq＝11.4ng＝0.0037%

据航空发动机设计要求选用的安全系数

1)强度安全系数n q ≥2合格。

2)挠度安全系数n g ≤0.4% 合格。

2 误差分析

2.1 电偶的误差

在高温、高速的气流中测量温度参数，导热误差、对流换热误差、辐射误差等，对热电偶的精度都有一定的影响。

⑴导热误差：此次研究的热电偶长径比L/d=83.5/7＞10导热误差忽略不计,σc＝0.

⑵速度误差：已知此电偶工作环境Ma=0.6,T*=200℃ 并带有屏蔽罩。根据速度误差计算公式：

ΔTv=(r总)T* ΔTv≈0.26 ℃

故σc=0.3/200＝0.13％

⑶辐射误差：由于此次研究着眼于200℃左右的温度电偶，所以来自气流的辐射误差忽略不计，σr=0.

⑷静态误差：设计中所选偶丝为K偶，精度为Ⅱ级 ， 允许偏差为±0.75％|t| ，在200℃ 时ΔTs=±1.5℃

⑸测量误差：根据计算，在测温200℃ 时热电偶的误差为σ电偶=±0.85％

2.2 压力测试的误差

由于设计采用屏蔽罩的结构，屏蔽罩起着整流罩将偏离的气流收敛过来的作用，屏蔽罩的最小通道面积与套筒迎风面积之比符合（≥20％，α取90°；c取0～0.5毫米；α/ D取1～2；D2/D 取0.5～1（图1所示）。通过风洞校准工作环境温度为室温，Ma=0.6，不敏感角在±20°～±30°。

3 综合分析

经对受感部的各测点进行仔细观察与分析，得出以下影响测量精度的因素：a.毛细管顶端距屏蔽罩锥底距离应保证在一定距离内，不得低于和高出该距离，特别是当高出屏蔽罩锥底部分时，测量偏差较大；b.屏蔽罩与壳体焊接时，应保证焊接的直线度不大于0.5mm并保证各测点整流罩高度一致，否则对测量精度影响较大；c.毛细管头部及锥面应保持尖边，但是表面应光滑，不得存在碰伤或焊料残留，否则会影响测量精度。

结论

此次设计制造的复合型受感部在经过台架试车过程的性能参数对比试验后，所得参数基本一致，表明所研制的受感部已具备了同类产品应有的技术要求和使用功效，达到了受感部数量少，测点多的预期目的和效果。同时，解决了研制过程中遇到的设计上以及制作工艺上的问题，使我们在总温、总压复合受感部的设计制造方面积累了一定的经验。

受感部的设计，始终是非标准的设计，它在不同发动机类型，在不同的测量地点上有着不同的型式，它是随着发动机行业的发展而不断发展，具有独立设计能力的一门技术。受感部这一即传统又直接的测试元件，它的设计与制造能力将伴随航空发动机的日臻完善而不断成熟。

参考文献

[1]《航空发动机设计手册》第15册.航空工业出版社.

[2]王海，张娟等译.《数据与计算机通信》（第六版）[美]William Stallings著.电子工业出版社.

[3]刘书明，刘斌.高性能模数与数模转换器件[M].西安电子科技大学出版社.

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