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计量检测技术助力“中国芯”

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计量检测技术助力“中国芯”

2020-09-23

航空发动机是飞机的心脏,被誉为现代工业“皇冠上的明珠”和“工业之花”。计量校准/检测在航空发动机研制过程中发挥着极为重要的作用。


航空发动机不仅是飞机的动力,也是航空技术发展的动力。人类在航空领域的每一次重大突破,无不与航空动力技术的进步相关。飞机的需求和发展又促使发动机向更高水平迈进,二者相得益彰。航空发动机制造业涉及流体力学、固体力学、计算数学、热物理、化学等众多门类的基础科学和工程技术,具有突出的技术辐射和拉动作用,可以广泛带动电子、先进材料、特种和精密加工、冶金、化工等技术和产业的发展,是国民经济运行中科技发展和创新的重要推动力量。大型民用航空发动机产业是典型的知识密集、技术密集和资本密集的高技术、高附加值、高风险的战略性产业,是一个国家工业、科技水平的综合实力的集中体现,被誉为现代制造业的一颗明珠。


新中国成立以来,我国航空发动机经历了从维护修理、测绘仿制、改进改型到自主研制等主要阶段。我国民用涡扇航空发动机技术开发与产品研制更是曾经一度空白,其专项预研计划是在2007年国家启动大飞机专项以来正式开始的。到目前为止,我国初步走过了窄体飞机发动机验证机从概念定义、关键技术攻关、关键部件系统、核心机到整机研制的全过程,初步建立了民用涡扇航空发动机研制的条件与体系,初步建立了民用涡扇航空发动机研制的设计研发队伍,初步带动了民用涡扇航空发动机相关配套能力与相关基础学科的发展。


航空发动机检测校准技术的定位与现状


航空发动机的安全性、可靠性、舒适性、经济性、环保性成为世界各国商用航空发动机研制不断改进的方向。计量校准/检测为产品全生命周期提供了量值准确、工艺改进、故障分析、制造符合性、维护大修方案等的数据支撑,在发动机研制过程中发挥着极为重要的作用。


目前,我国民用航空发动机产业测量过程主要涵盖50余项关键测量环节、2万余项关键测量参数,发动机部件/系统预计进行28.9万小时试验,核心机预计开展1900小时试验,整机预计开展1.84万小时试验。其中,中国航发集团所属企业承担80%以上的设计研发及制造试验任务。


航空发动机结构极为复杂,性能参数基本上覆盖了十大常规校准专业,其中几何量、热学、力学及电学等校准技术是发动机研制过程中涉及最多的专业,也是我们的通用计量技术建设的主要方向。几何量检测/校准技术(长度、厚度、直径、平面度、同轴度、跳动)主要用于发动机叶片的叶形检测、发动机轴的内外柱面的同轴度、量测具的校准等。热学校准技术(温度、湿度)主要用于温度计、温湿采集系统、发动机各部件温度场测量设备等校准。力学校准技术(质量、扭矩、拉力、压力、振动)主要用于动态压力传感器、材料试验机、扭矩倍增器、加速度计等校准。电学校准技术(电工类设备、无线电类设备)主要用于各类电表、数采系统等的校准。


然而,民机研制过程中还需要满足一些特殊需求,如适航对发动机排气排出物的测试、发动机推力等测试专用设备的校准技术等。发动机参数原位校准技术主要包括燃油流量原位校准技术、温度场原位校准技术、气动流场原位校准技术等。发动机专测设备校准技术主要包括叶尖振动、叶尖间隙测量系统、发动机台架推力测量系统、遥测系统、发动机健康管理系统、污染物排放测试系统等校准技术。


发动机研制过程中的检测校准难点


作为一种典型技术密集型产品,航空发动机需要在高温、高压、高转速和高负载的特殊环境中长期反复工作,其对设计、加工及制造能力、检测能力都有极高要求。因此,计量测试技术是发展先进航空发动机的关键技术之一。航空发动机产品技术涉及多种学科,工作条件苛刻,研制过程需要产品性能及制造工艺流程的不断优化,试验测试数据是验证和优化航空发动机产品性能设计的重要依据,对评价发动机部件、整机的性能具有决定性的作用,测试、计量存在数据多、量程宽、精度高的特点。


● 数据多


在发动机试验中,需要同时测量的数据可达上千个。在发动机制造过程中,以叶片(见图1)为例,由于叶片型面的复杂性和结构的集成性,为准确评价叶片的三维尺寸,需要测量的数据量高达数万个。航空发动机零件的30%来自叶片的制造,叶型参数种类多、数量大,结构型面复杂,基准定位难。叶片还是发动机最为典型的测量一致性差、验收问题突出的关键零部件,所以一直是航空发动机检测的难点。叶片型面多为自由曲面,其型面轮廓以及相关参数的测量及评价较为复杂,涉及的参数包括弦长、叶身厚度、波纹度、边缘半径、边缘厚度、不对称度等。



图1 叶片检测


针对叶片检测验收存在的问题,建立工程上可行的叶片验收测量方法,满足制造企业的质量、效率、成本等控制要求成为当务之急。为此,我们开展了针对压气机叶片、风扇叶片的检测方法和评估方法测量工艺一致性比对研究,采用GRR分析技术,研究涉及国内主机厂所、国际厂商代工企业、权威检测机构检测一致性,接触式、非接触式测量机检测一致性,不同测量评价系统之间一致性等。通过研究,我们对叶片检测中坐标系建立、叶片装夹、测量过程控制所引起的检测问题有了初步的了解,这对叶片检测一致性控制要素的分析具有很大的借鉴意义。后期我们还将对叶片样件的赋值方法进行研究,从根本上解决叶片检测技术难题。


● 量程宽


发动机的涡轮前温度是提升热效率的一个重要参数指标。自涡轮喷气发动机问世以来,涡轮前温度的测量上限不断向上攀升。同时,由于多种因素的共同作用,在实际的工程测量过程中“极限量、动态量、多因素耦合量”的计量需求日益突出。


航空发动机进气道是航空发动机重要组成部件之一,对航空发动机的性能评价具有重要意义。然而,我国目前没有专业的航空发动机进气道校准装置,处于空白状态。为此,我们策划建设大型流量测量校准试验器,建成后将为我国民用大涵道比涡扇发动机试验过程中的流量测量装置提供校准服务,填补国内大型空气流量校准装置的空白。工艺进气道如图2所示。



● 精度高


对发动机相关参数进行有效控制是改善发动机性能、提高发动机效率的重要途径。不断地提高测量能力,获得更精准的数据,是构建准确可靠的产品性能数字模型、推进航空发动机虚拟仿真试验技术发展的坚实保障。


涡轮风扇发动机在研制阶段要经过反复的台架试验,推力是判断其是否满足设计要求的重要参数。为了测量发动机在各个状态的推力,必须建立精准的发动机试车台推力测量装置。通常航空发动机试车台包括定架、动架、控制系统、测试系统和校准装置等。发动机推力测量直接关系到发动机的整机性能,而影响发动机推力测量精度的主要因素就是台架推力测量系统校准。商用航空发动机由于不同于军机研制的测仿模式,采用正向设计方式,在试车台校准方面,没有所谓“校准发动机”可作为标准进行试车台校准,可采取的方式只有气动修正结合台架推力测量方式对车台进行计量校准,该方法有别于目前国内相关试车台“校准发动机”校准方法。


航空发动机检测校准技术发展趋势


准确测量发动机热端部件特别是涡轮等旋转部温度,是正确评价涡轮叶片冷却效果和工作状态、保证发动机工作在佳的温度范围及其安全性的前提。燃气分析方法、声学测温、激光测量技术测温、蓝宝石光纤测温等技术正逐步用于高温气流温度测量;薄膜热电偶测温、示温漆测温、多波长温度测量、谱色温度测量、多光谱测量、晶体测温等技术可用于测量高温表面温度。


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。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。


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射线法及破坏性较小的小孔法。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。


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,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多处于跟踪研究阶段。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,因此亟须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。如何对基于振动测量和应变测量的监测及诊断系统实施有效校准是需要解决的问题。


结合工业4.0的发展趋势,未来商用航空发动机检测/校准将逐步趋向于研制保障任务管理平台的智能化,检测技术将进一步向数字化、智能化、现场原位检测方向发展。完善检测/校准技术体系,发展数字化、网络化、智能化和实时化的检测/校准技术标准、方法和手段,建立现场、在线、快速、敏捷的技术平台,提升工业过程保证质量、效率和效益将是目前最主要的研究方向,智能检测技术的研究也在逐步推进。相信在不久的将来,基于模型的三维尺寸智能检测技术、基于图像识别的智能检测技术等将广泛用于商用航空发动机研制过程。


本文来自《张江科技评论》


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