航空发动机试验测试技术发展探讨

王振华，王 亮

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015）

0 引言

航空发动机是1个复杂的动力装置，主要由进气道、压气机、燃烧室、涡轮、加力燃烧室、尾喷管、附件传动装置与附属系统等组成。其内部的气动、热力和结构特性非常复杂，因此对其工况尚不能从计算上给予详尽准确地描述，必须依靠试验来获得相关数值。在进行发动机装配前，需要确认每个部件的性能均满足设计指标，同时，需要在试车台上进行试验测试（如压气机的增压比、空气流量、喘振点，燃烧室的燃烧效率、出口温度分布等），获得整机的推力、单位耗油量等性能数据，用于评价其是否满足设计使用要求。发动机研制中要进行大量的材料、零部件、整机试验测试才能确认其性能、可适用性、环境条件、完整性、战斗生存力等是否满足发动机使用要求。据统计，一型航空发动机研制工作一般需要进行10万h的部件试验，4万h的材料试验，1万h的整机试车。试验测试技术是发展先进航空发动机的关键技术之一，试验测试结果既是验证和修改发动机设计的重要依据，也是评价发动机部件和整机性能的重要判定条件。“航空发动机是试出来的”已成为行业共识。

本文简述了航空发动机试验测试技术国内外发展现状，并分析了其发展需求，提出了发展设想。

1 航空发动机试验测试技术的特点

航空发动机是1种集流体力学、热力学、结构强度、机械传动、计算机与电子技术、光学技术、材料、自动控制、故障诊断、噪声控制和红外隐身等多学科于一身，对温度、压力、应力、间隙和腐蚀等工作条件要求苛刻，对质量、可靠性、寿命等要求极高的复杂系统。航空发动机试验测试技术是1门综合性、多学科技术，涉及到力学、几何量、热学、电磁学、时频、声学、光学等专业领域；测试参数包括温度、压力、转速、空气流量、燃油流量、推力、扭矩、轴向力、功率、振动、位移、间隙、角度、气流速度与方向、面积、电流、电压、组分浓度、湿度、滑油品质、进排气颗粒、红外辐射、噪声等；应用技术包括结构设计、气动热力分析、信号传感、信号处理、信号传输、数据采集处理、数据分析、数据存储技术等。

航空发动机工作的压力变化范围约为10～4000 kPa、温度变化范围约为200～2200K、转速为20000 r/min或更高，具有温度高、压力高、转速高、内流复杂、结构复杂、空间狭小等特点，其结构及工作条件如图1所示。因此，航空发动机的测试系统必须适应这种环境，覆盖发动机的各种参数测量需求，并且能够测得到、测得准、测得快。

图1 航空发动机结构及工作条件

随着发动机性能的不断升级和对于可靠性、安全性和经济性越来越高的要求，测试系统必须具备准确度高、灵敏度高、通道多、小型化、量程广、抗恶劣环境、非接触、动态响应好、智能化等特性，才能适应航空发动机研制和使用要求。发动机试验测试结果必须符合设计要求的准确度，才能为航空发动机研制提供扎实有力的支持。

2 航空发动机试验测试技术发展现状

经过60余年的发展，中国航空发动机试验测试技术取得了较大进步。在高温测试方面，已研制出使用温度达1800℃的高温热电偶，并成功地用于燃烧室出口温度场测试（如图2所示）；示温漆测温最高可达1250℃，可用于复杂构件表面温度场测量；已掌握1000℃高温应变计测量技术，正在开展1100℃高温应变技术研究。在气动参数测量方面，能够设计制造各种气动探针，压力探针测试可以满足Ma=0.1～1.4的测试，并已成功用于发动机试验中。

图2 燃烧室出口温度场

在动态压力测试方面，已研制和开发出多套动态采集设备（采样率最高200kS/s，可实现100kHz以内信号测试分析）及信号分析软件，能够开展大发激波测试（如图3所示）、非定常流、畸变旋涡尺度、整机气动极限参数、失速喘振监测、消喘等工作；能够设计制造通用引电器及特殊结构引电器和遥测系统；叶尖间隙测量（测量范围0.3～3.0mm、传感器端面耐温高达1400℃）、燃气分析、非接触叶尖振动测量技术、轴向力测量等已成功应用于发动机部件及整机试验测试；能够进行大规模试验数据采集分析，试验数据管理系统（TDM）已建成并投入使用。

图3 航空发动机激波测量结果

西方发达国家对发动机试验测试工作非常重视，美国成立了推进仪表工作组PIWG（Propulsion Instru mentation Working Group），欧洲成立了EVI-GTI（European Virtual Institute for Gas Turbine Instrumenta tion），致力于研究发动机关键试验测试技术和测量仪器。欧洲投资了HEATTOP（Accurate High Temperature Engine Aero-Thermal Measurements for Gas-Turbine Life Optimization,Performance and Condition Monitoring）计划；美国持续实施综合高性能涡轮发动机技术(IHPTET)、多用途经济可承受先进燃气涡轮发动机（VAATE）、先进燃气轮机系统（ATS,ADVANCED TURBINE SYSTEM）等项目。这些项目推动了先进发动机试验测试技术的发展。

多年来，国外知名的发动机制造公司、研究机构以及专业发动机测试设备制造公司在测试技术研究方面加大投入，掌握了大量先进的测试技术，并持续推进测试技术预先研究。例如，德国MTU公司掌握1400K高温应变测试技术，其自主开发的BSSM系统配备多个电容测头，可同时实现叶尖间隙、叶片振动、叶片解扭角的测量以及对叶片裂纹进行监测；NASA Glenn研究中心在薄膜热电偶、热流计、应变计方面开展了大量研究；Vibro-Meter公司推出了可测量高压涡轮的微波叶尖间隙测量设备；HEATTOP计划中已实现了在1550℃下动态压力测量以及响应时间为0.2s时测量壁面温度的快速响应热电偶等技术；英国ROTADATA公司的ROTAMAP系统，利用红外测温技术实现了对测量涡轮叶片表面温度场的测量。目前中国很多高端发动机测试设备仍然依靠进口，在航空发动机先进测试技术研究和先进测试设备研究方面与国外尚有较大差距。

此外，一些先进发动机国家建立了完善的发动机试验测试技术体系和标准体系。国外在20世纪70年代就编制了《AEDC-TR-73-5 Handbook,uncertainty in gas turbine measurements》[1]（《燃气涡轮发动机测量不确定度指南》），至今仍然被航空发动机行业广为引用；NASA编制的《NASA-HDBK-8739.19-2 Measuringand Test Equipment Specifications》[2]（《测量和试验设备规》）、《NASA-HDBK-8739.19-3Measure ment Uncertainty Analysis Principlesand Methods》[3]（《测量不确定度分析原理与方法》）等文献，对测量数据不确定度评定以及测量可靠性分析技术方面进行了详细描述；ASME出版的PTC系列标准内容详实、可操作性强，对发动机测试工作具有很高的参考价值，例如《ASMEPTC19.1Test Uncertainty》（《试验不确定度》）[4]、《ASMEPTC19.2Pressure Measurement》（《压力测量》）[5]、《ASMEPTC19.5Flow Measurement》（《流量测量》）[6]等；SAE也有大量与航空发动机试验测试关联度很高的技术标准和技术报告，例如《SAE-AIR-4951 Test Cell Thrust Measurement》（《试车间推力测量》）、《SAEAIR4979 Estimation Of Measurement Uncertainty In Engine Tests Based On NATO AGARD Uniform Engine Test Program》（《NATO A GARDUETP计划测量不确定度评估》）、《SAEAMS 2750 PYROMETRY》（《高温测量》）[7]等。相对而言，中国在试验测试方面的标准规范在专业覆盖面、标准规范的细致程度和可操作性、标准体系的关联性及完备性等方面仍有较大差距。

3 航空发动机试验测试技术发展需求

未来发动机技术的发展要求发动机具有更高的涡轮进口温度、效率和可靠性，以及更低的排放和噪声，这些都对发动机试验测试技术提出了新的挑战。新1代智能发动机将采用更多的主动控制技术和健康管理技术，这对传感技术提出了更高要求。文献[8]描述了研制效率更高、环境更友好且价格更有竞争力的燃气轮机对传感器和控制系统要求；文献[9]对目前发动机传感技术现状、未来需求和发展方向作了较为详细的叙述；文献[10]对发动机主动控制和健康管理方面对传感器的需求进行了详述。

未来航空发动机试验测试技术发展的需求主要包括：高性能测试仪器、小型传感器设计、长寿命高可靠传感器设计、嵌入式传感、高温燃气温度测量及校准、高温构件表面温度测量及校准、涂层状态监测、高温气体流量测量校准、燃油流量动态测量校准、叶尖间隙测量与校准、整机和部件应力和振动测量、遥测、噪声测量校准分析、排放测试、滑油品质在线监测、气路监测诊断、气动稳定性及动态压力测量、空气系统测量、流场精细测量等试验测试技术研究工作、专用测试设备校准技术及试验测试结果的准确度提高技术等。

4 试验测试技术发展设想

4.1 推进航空发动机试验测试仪器研究开发

随着航空发动机研制水平的深入，需要开展的试验种类和数量越来越多；需要测量的参数类型越来越多，测量范围越来越宽，测量准确度要求越来越高。现有试验测试仪器的能力与不断增长的航空发动机试验测试需求之间的矛盾日益明显，国家应有计划地开展航空发动机研制部件和整机试验所需的测试仪器的研究与开发工作，包括特种测量仪器、传感器、测试系统等，以便及时满足航空发动机研制需要。

4.2 深入开展试验测试技术研究

针对航空发动机发展对试验测试技术的需求，应深入开展试验测试技术研究，应积极制订相关措施，如组建类似PIWG、EVI-GTI的专业组织并设立发动机试验测试技术专项计划；或依靠承担航空发动机研制任务的组织，设立专项经费，开展航空发动机研制所需的高温燃气温度、高温构件表面温度、叶尖间隙、整机和部件应力和振动、气动稳定性及动态压力等试验测试方法、试验测试技术和试验测试校准技术的研究及应用，提升航空发动机试验测试技术水平。

4.3 加强专业间交流和协同

发动机测试工作与发动机设计、试验工作是高度融合的，应加强专业间的技术交流并运用系统工程的思想大力开展专业间协同，这样才能更好地推动发动机研制工作。设计工作需要试验来验证其设计的可行性及技术指标是否满足要求；试验工作需要设计试验方法、建设试验设备以满足试验要求；测试工作要根据试验要求构建测试系统、准确获取数据、开展数据处理和分析等工作。发动机测试工作需要在发动机设计初期开展，需要与发动机性能设计专业探讨性能测试点的数量和布局是否科学合理；需要与发动机结构工程师研究测试结构的可行性，即需要在发动机结构设计时考虑发动机的可测试性；还需要与试验专业研究测试系统与试验设备的相容性，试验程序与测试系统的匹配性等。因此，应通过设计、试验、测试工作的流程梳理，在设计流程中集成于试验、测试相关的模块和技术接口，在试验和测试流程中设置与设计协同的模块和接口，同时细化每个流程模块的技术细节，形成1个有机整体，才能达到预期的试验测试目标。

4.4 提高试验测试结果准确度

随着航空发动机研制的深入，需要更为准确的试验测试结果为设计提供依据，验证设计是否满足要求，为修改设计提供依据，为部件和整机交付验收提供判据。

欲提高试验测试结果的准确度，不仅要了解测量设备的工作原理和技术指标，还要了解被测对象的特性、测量设备工作环境、测量方法、测量程序等环节的细节。

根据发动机试验测试实践以及文献[11-13]的介绍，发动机测试与常规测试工作相比具有其特殊性，测试系统与发动机之间的相互作用可能对测试数据的准确度产生较大影响。因此，需要将发动机测试技术与发动机试验技术、发动机性能评价技术结合起来进行综合研究。例如，测试探针对发动机流道堵塞的影响；位移机构的移动速度和稳定时间之间匹配对测量结果的影响；气流速度、辐射、导热等对测量准确度的影响；非均匀流场下测试截面测点布局对测量结果的影响；气流参数动态波动对稳态测量结果的影响；发动机机械平衡和热平衡状态对性能变化的影响；试验器、发动机控制系统动态特性对发动机状态的影响；转速控制、导向叶片角度、间隙变化对发动机性能的影响；数据处理平均算法对性能数据的影响；大气温湿度压力对发动机性能的影响；进气温度压力畸变对发动机性能的影响；进、排气系统设计对发动机性能的影响；泄漏、引气等对发动机性能的影响；试车间流场、试车台架对发动机推力测量的影响等。以上影响因素在不同的试验中可能有不同表现，需要针对具体情况作具体分析。

找到影响试验数据准确性的因素，量化和评估这些影响量的大小以及对各项测量结果影响的敏感系数，需要大量的工程经验和相关数据库的支撑，并开展大量的基础研究工作，才具备评定试验数据不确定度的条件，参照文献[1-4]、文献[14-15]评定试验数据的不确定度。测量结果是否可用很大程度上取决于其不确定度的大小，测量不确定度是对测量结果质量的定量表征。

完成影响因素分析和不确定度评定后，即可根据分析结果对影响较大的因素采取控制措施，例如控制试验设备技术状态、优化试验程序、开展现场系统校准、优化测量截面测点布局、关键测量点冗余设计、通过数据验证技术剔除包含较大误差的数据、开展试验前的检查，以确保试验成功。美国阿诺德工程开发中心（AEDC）规定的试验前活动如图4所示[16]。

4.5 加强试验测试标准规范体系建设

标准是根据科学、技术和经验的综合成果编制的技术规范或文件，是相关科研活动的依据，能够提高质量，提升效率。在发展航空发动机试验测试技术的同时，应对成熟及重复使用的测试技术进行总结提炼，转化编制成标准，以利于不断提升航空发动机试验测试技术水平，促进航空发动机高水平的快速发展。

图4 阿诺德工程开发中心规定的试验前活动

开展试验测试标准规范体系建设需要运用系统工程的方法综合分析国内外现状，主要应开展以下几方面工作：

（1）对国内外标准规范现状进行对比分析，找出差距，为体系建设提供支撑。

（2）研究标准规范分类的准则。参考国内外相关分类方法及相关资料，研究并确定分类准则。根据各类标准规范的专业类型和特征，明确划分其类别，将同类规范合并、整理。

（3）编制标准规范总目录。建立试验测试标准规范的结构框架，明确规范动态管理的更新机制和方法，为不断完善标准规范体系打下良好基础。

（4）根据急用先行的原则，按照体系框架结构，分期分批编制相关标准规范，逐步完善标准规范体系。

5 结束语

试验测试数据是评价部件及整机性能和优化设计的重要依据。因此，加速航空发动机试验测试技术发展，对于提升中国航空发动机发展水平意义重大。应适时开展航空发动机研制试验所需试验测试仪器研究和开发；组建专业组织，设立专项计划开展航空发动机试验测试技术研究，加强专业间交流和协同，进一步提高试验测试结果的准确度，建立和完善航空发动机试验测试技术标准规范，以促进航空发动机研制水平的快速发展。

[1]Abernathy R B,Powell B D,Colbert D L,et al.Handbookuncertainty in gas turbine measurements[R].AEDC-TR-73-5.

[2]Castrup S.NASA-HDBK-8739.19-2 NASA measurement quality assurance handbook,annex 2:measuring and test equipment specifications[M].Washington DC:National Aeronautics and Space Administration,2010:1-121.

[3]Castrup S,Howard T.NASA-HDBK-8739.19-2 NASA measurement quality assurance handbook annex 3:measurement uncertainty analysis principles and methods [M].Washington DC:National Aeronautics and Space Administration，2010:1-134.

[4]American Society of Mechanical Engineers.ASME PTC 19.1-2005 test uncertainty[S].New York:ASME，2005：1-68.

[5]American Society of Mechanical Engineers.ASME PTC 19.2-1987(R2004)pressure measurement[S].New York:ASME,1987：1-134

[6]American Society of Mechanical Engineers.ASME PTC 19.5-2004 flow measurement[S].New York:ASME,2005：1-163

[7]SAE International.SAE AMS 2750：2012 pyrometry[S].PA（United States）:SAE，2012：1-43.

[8]Anderson R L，Fry D N，McEvers J A.Advanced turbine systems sensors and controls needs assessment study.(Final report)[R].ORNL/TM-13335.

[9]Culley D，Garg S，Hiller S J，et al.More intelligent gas turbine engines[R].RTO-TR-AVT-128.

[10]Simon D L，Garg S，Hunter G W，et al.Sensor needs for control and health management of intelligence aircraft engines[R].ASME 2004-GT-54324.

[11]Saravanamuttoo H I.Recommended practices for measurement of gas path pressures and temperatures for performance assessment of aircraft turbine engines and components[R].AGARD-AR-245.

[12]Pianko M，Wazelt F.Propulsion and energetics panel working group 14 on suitable averaging techniques in nonuniform internal flows[R].AGARD-AR-182.

[13]Ashwood P，Mitchell J.The uniform engine test programme[R].AGARD-AR-248.

[14]国家质量监督检验检疫总局.JJF1059.1-2012测量不确定度评定与表示[S].北京：中国质检出版社，2013：1-27.General Administration of Quality Supervision of China.JJF1059.1-2012 evaluation and expression of uncertainty in measuremen[S].Beijing：China Zhijian Publishing House，2013：1-27.（in Chinese）

[15]国家质量监督检验检疫总局.JJF 1059.2-2012用蒙特卡洛法评定测量不确定度[S].北京：中国质检出版社，2013：1-11.General Administration of Quality Supervision of China,JJF 1059.2-2012 Monte Carlo method for evaluation of measurement uncertainty[S].Beijing：China Zhijian Publishing House，2013：1-11.（in Chinese）

[16]Malloy D.Improved data validation and quality assurance in turbine engine test facilities[C]//Proceedings of 29 th AIAA,SAE,ASME,and ASEE Joint Propulsion Conference&Exhibit.Monterey,CA.1993：5-6.