航空发动机试车台推力测量中的温度影响

李梁轶

(中航工程集成设备有限公司，北京 102206)

1 引 言

航空发动机试车台是用于验证航空发动机性能优劣的重要试验设施，试车台应能精确测出航空发动机的推力、扭矩等重要参数，可测试发动机质量，调整发动机参数，或进行发动机持久试车等。由于试车间与外界环境相通，试车台测量数据的准确性会受到温度、湿度、压力、振动、电磁场等因素的影响。如湿度过高会影响电缆的绝缘性；振动会导致试车台结构变化，造成传感器数值突变；电磁场干扰易导致电路串流，降低数据采集的稳定性[1]。实践证明，温度是影响试车台推力校准的重要因素。温度会改变测力传感器的技术特性，造成传感器的零点漂移，线性度和灵敏度均会发生改变[2]。

发动机试车过程中，发动机尾喷口附近的高温燃气会导致范围内的试车台架温度升高并发生热量传递，造成结构变形，产生侧向载荷和偏心载荷，测力传感器会发生重心偏移，导致测量结果不精确[4]。当前，大多数的测力传感器都会在校准时进行补偿设计[2，3]，或采用一系列的温度压力控制方法[5，6]，降低传感器的温度敏感性并提升传感器的抗侧向力和抗弯性能，有效提高传感器的精度和稳定性。

本文针对温度因素对试车台推力测量精度的影响，在不同室温情况下进行推力测量试验，并在传感器保温和试车台动架加热条件下进行推力测量试验，分析温度因素对试车台推力测量精度的影响，为试车台测量系统和结构的优化提出合理意见。

2 试验方案

在安装模拟发动机的试车台上进行全部试验，使用美国Interface公司测量范围为0kN到125kN的测力传感器。高精测量组件传感器双向预紧安装在模拟发动机尾喷口上方的试车台动架顶部，左右两侧各一组。在推力测量前，对双向预紧的测力传感器施加大于额定载荷的预紧力。由于传感器通常在10%～100%的量程内保持最好的线性，因此，预紧力可以有效提高测量组件的精度。传统测量组件传感器安装在试车台动架前方，远离发动机尾喷口的航向位置，左右两侧各一个。试车台动架加热示意图见图1。

图1 试车台动架加热示意图

在动架后部与发动机尾喷口平行位置安装标准力源传感器，逐级施加20%、30%、40%、50%、60%、80%、100%的额定载荷，记录标准力去回程的测力传感器数值和弹簧片变形量，同时记录试验时的温度和压力数值。每种工况下的推力加载试验共进行5组，分别计算测力传感器的重复性R、线性误差L、滞后误差H。已知校准系统不确定度As，计算推力测量系统不确定度U。

试验前，在传感器外安装加热毯和保温罩，在发动机尾喷口附近2/3的范围内对试车台动架安装加热毯，可以设定传感器和试车台动架保温温度。传感器保温示意图如图2所示。

图2 传感器保温示意图

将模拟发动机和试车台定架顶部中间位置用直径100mm的硬管连接并打压，模拟试车过程中的管路影响。进行3类试验：

(1)不同室温试验：在不同室温条件下，在测力传感器不保温、试车台动架不加热工况下，进行推力测量试验。

(2)传感器保温试验：在相同室温条件下，分别进行无保温试验和传感器保温推力测量试验。

(3)试车台动架加热试验：在相同的室温条件下，设定试车台动架加热温度为40℃，分别进行传感器保温和无传感器保温的推力测量试验。

3 试验结果分析

3.1 不同室温试验

选择环境温度不同的3个时段进行推力测量试验。对试验数据进行处理，得到如表1所示的结果。可以看出，环境温度对试车台推力测量的影响没有明显的规律性。通常情况下，高精度传感器在工作中会进行温度补偿，温度的缓慢变化不足以对精度造成影响。相较于其他环境因素，基本恒定的室温对传感器的影响可以忽略。

表1 不同室温试验数据处理结果

3.2 传感器保温试验

传感器保温试验共进行16组，每组进行5次加载试验。传感器的工作温度在-55℃～90℃之间，将传感器保温到42℃，可使传感器保持良好的工作状态。对试验数据进行处理，得到表2、表3所示的结果。对比高精测量组件试验结果，可以看出，传感器保温对高精测量组件的测量精度提升不明显。对比传统测量组件试验结果，可以看出，传感器保温对传统测量组件的测量精度有明显的提升。

表2 传感器保温试验台架加载数据处理结果

表3 传感器保温试验中心加载数据处理结果

高精测量组件是两个传感器双向预紧的结构形式，预紧力可以有效消除传感器初始量程段的线性误差，降低温度敏感性。当传感器加热毯接通时，强电磁场会对传感器的数值稳定性造成干扰，导致测量结果的波动。传统测量组件的结构形式无法避免传感器零漂对测量结果的影响，每组试验会进行5次加载，在推力测量过程中，传感器的温度变化会影响测量结果的精确程度。结果表明，对传统测量组件进行传感器保温可以有效提高测量精度。

3.3 试车台动架加热试验

试车台动架加热试验共进行16组，每组进行5次加载试验。试验中，试车台动架的加热温度为40℃。对试验数据进行处理，得到表4、表5所示的结果。

表4 试车台动架加热试验台架加载数据处理结果

表5 试车台动架加热试验中心加载数据处理结果

试车台动架加热会降低推力测量的精度，考虑到保温难度与试验安全性，将试车台动架加热温度设为40℃。对比高精测量组件试验结果，可以看出，试车台动架加热会明显降低高精测量组件精度，重复性误差、线性误差、滞后性误差都有不同程度的增大。对比传统测量组件试验结果，可以看出，试车台动架加热对传统测量组件的测量精度影响不明显。

高精测量组件的安装位置在发动机尾喷口上方的动架上，当对试车台动架进行加热时，温度的升高会导致传感器特性的变化，传感器无法在稳定温度下工作。试车台动架的升温还会导致动架产生微小形变，造成测量精确度下降。传统测量组件的安装位置在远离模拟发动机尾喷口的动架前方，基本不会受到动架温度变化的影响。

3.4 试车台动架加热、传感器保温试验

试车台动架加热、传感器保温试验共进行16组，每组进行5次加载试验。传感器保温温度为42℃，试车台动架加热温度为40℃。对试验数据进行处理，得到表6、表7所示的结果。对比高精测量组件试验结果，可以看出，试车台动架加温试验中，高精测量组件保温后，试车台推力不确定度明显好于保温前不确定度；传统组件保温后，试车台推力不确定度无明显提高。结果表明，在试车台试车时，动架受温度影响明显，会对安装在动架上方的高精测量组件产生影响；对测力传感器进行保温，可以有效提高高精测量组件精度。

表6 试车台动架加热、传感器保温试验台架加载数据处理结果

表7 试车台动架加热、传感器保温试验中心加载数据处理结果

4 结 论

航空发动机试车台进行推力校准时，测量精度会受到多种因素的影响。本文针对温度因素对试车台推力测量的影响进行了一系列试验，分析温度影响，得出以下结论：

(1)高精组件所采用的双向预紧结构形式可以有效提高推力测量精度，可以基本消除环境温度对测量组件的影响。

(2)传统测量组件传感器的温度变化会影响测量结果精度，传感器保温可以有效提高传统测量组件的测量精度。

(3)试车台动架加热会明显降低高精测量组件精度，有必要对传感器进行保温。由于传统测量组件的安装位置远离动架加热区域，试车台动架加热对传统测量组件的测量精度影响不明显。