發(fā)動機(jī)內(nèi)部渦輪橫動系統(tǒng)開發(fā)

Author(s):
Bernard Killeen.系統(tǒng)工程師 - Richmond Measurement Services, Derby (英國)

Industry:
Aerospace/Avionics

Products:
Motion Control, PXI/CompactPCI, Software, Data Acquisition

The Challenge:
在噴氣發(fā)動機(jī)的性能測試中測量高壓渦輪氣流中的空氣動力學(xué)數(shù)據(jù)。

The Solution:
設(shè)計(jì)制造預(yù)定發(fā)動機(jī)減震設(shè)備外盒，配有新型鍍鉑金的空氣動力學(xué)探針。

我們把基于PXI的電子機(jī)架安裝在發(fā)動機(jī)上方，通過特殊高溫電纜保障數(shù)據(jù)的完整性。然后通過光纖電纜連接測試單元PC 系統(tǒng)與PXI機(jī)箱，實(shí)現(xiàn)操作用戶界面及測試控制。

噴氣機(jī)發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)中廣泛采用CAD 建模，這類模型異常精密但卻遠(yuǎn)未達(dá)到完美。為了驗(yàn)證計(jì)算機(jī)建模，必須通過真實(shí)發(fā)動機(jī)上的測試來修正模型。這是開發(fā)過程中的重要部分。

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(yùn)行，傳統(tǒng)測試模型測試結(jié)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)動機(jī)渦輪中測量四個位置的氣體環(huán)境。測試設(shè)備設(shè)計(jì)用于測量全壓力、靜態(tài)壓力、流速、及流向等參數(shù)。

測試系統(tǒng)組成包括空氣動力學(xué)探針、設(shè)備外盒、19英寸機(jī)架電子單元、用于運(yùn)動控制和數(shù)據(jù)采集的預(yù)定PC 軟件，它結(jié)合NI-Motion、NI-DAQmx、和NI Measurement Studio軟件在Microsoft Visual Basic 6.0 中編寫。我們把基于PXI 的電子機(jī)架安裝在發(fā)動機(jī)上方，通過特殊高溫電纜保障數(shù)據(jù)的完整性。然后通過光纖電纜連接測試單元PC 系統(tǒng)與PXI 機(jī)箱，實(shí)現(xiàn)操作用戶界面及測試控制。

測試車輛

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

圖1.性能測試中的測試發(fā)動機(jī)

發(fā)動機(jī)通過吊架結(jié)構(gòu)懸掛，以此作為機(jī)身。吊架上留有安裝硬件的空間，但在發(fā)動機(jī)測試過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(yù)定儀器系統(tǒng)上具有相當(dāng)經(jīng)驗(yàn)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，我們希望能夠利用這些經(jīng)驗(yàn)，并集成現(xiàn)有硬件，獲得以往成功經(jīng)驗(yàn)及結(jié)構(gòu)上的技術(shù)支持。

一般來說，為保障信號完整性，傳感器與信號源越近越好，這意味著電子系統(tǒng)最好裝在發(fā)動機(jī)上及測試單元內(nèi)。我們還希望系統(tǒng)是模塊化、可擴(kuò)展的，從而能夠適用于各類靈活的規(guī)范。

探針

穿過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，無縫焊接在鋼性支承管上。支撐管通過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(jī)械裝置，同時控制壓力傳感器及熱電偶。

圖2.鉑金探針尖端

儀器外盒

儀器外盒是一個獨(dú)立單元，特有探針操作器、壓力傳感器、及熱電偶信號調(diào)理單元。內(nèi)部溫度通過氣冷和水冷系統(tǒng)控制在70 °C 以下。單元還具有探針?biāo)溲b置。備用傳感器通道用于健康監(jiān)測。渦輪外殼周圍共安裝四個外盒。

圖3.安裝在渦輪外殼上的設(shè)備外盒

控制電纜及數(shù)據(jù)電纜

每個外盒都包含氣、液、電子系統(tǒng)。專用電纜必須能夠承受250 °C高溫。設(shè)計(jì)采用兩條電纜，一條用于操縱器，控制發(fā)動機(jī)及編碼信號；另一條用于模擬信號。電纜繞過發(fā)動機(jī)，從上面通過支撐吊架連接到吊架上方的機(jī)架系統(tǒng)。

吊架

吊架包括NI PXI 機(jī)箱，安裝了數(shù)據(jù)采集及運(yùn)動控制系統(tǒng)。此外，機(jī)架包含兩臺多通道步進(jìn)電機(jī)及用于電子系統(tǒng)互連的數(shù)據(jù)采集接口單元。吊架還安裝了UPS，在主電源失效時維持系統(tǒng)供電。我們還采用了PXI 機(jī)箱來監(jiān)測氣冷及液冷系統(tǒng)。

測試單元PC

安裝于控制室內(nèi)的PC系統(tǒng)，通過MXI及光纖與吊架PXI 機(jī)箱進(jìn)行通信。PC 上安裝了額外的數(shù)據(jù)采集板，用于監(jiān)測測試單元內(nèi)的信號。

我們采用Windows XP 專業(yè)版操作系統(tǒng)，在Visual Basic 中用NIDAQmx、NI-Motion及Measurement Studio軟件編寫預(yù)定軟件。

PC 由UPS 供電，在主電源失效情況下仍可連續(xù)供電至少半小時。

圖4. 控制室內(nèi)的PC 系統(tǒng)

橫動軟件

橫動軟件模塊負(fù)責(zé)在氣流中移動探針。軟件模塊與安裝在PXI 機(jī)箱吊架上的NI PXI-7358 步進(jìn)/ 伺服控制器進(jìn)行通信。

PXI-7358 運(yùn)行板載程序，負(fù)責(zé)在某種原因?qū)е轮鱌C失效時將探針收回到安全位置。

數(shù)據(jù)采集軟件

數(shù)據(jù)采集軟件模塊包含一系列界面，允許操作人員根據(jù)需要進(jìn)行開關(guān)。這意味著操作人員能夠更加關(guān)注感興趣的數(shù)據(jù)段。保留的信息在系統(tǒng)安裝機(jī)故障排除時是很重要。

該模塊還負(fù)責(zé)記錄數(shù)據(jù)。軟件將數(shù)據(jù)保存為一組數(shù)據(jù)文件，允許隨時調(diào)用以改變測試進(jìn)程，也可用于后續(xù)分析。

校準(zhǔn)

制造全過程中都進(jìn)行了校準(zhǔn)。在樣機(jī)測試中，系統(tǒng)通過向傳感器輸送標(biāo)校信號，檢查記錄數(shù)據(jù)是否符合規(guī)范。

結(jié)論

橫動系統(tǒng)在發(fā)動機(jī)運(yùn)行測試中的性能與預(yù)期相同，數(shù)據(jù)被有效采集?？蛻魧?shù)據(jù)記錄的品質(zhì)很滿意，并根據(jù)對數(shù)據(jù)集的檢查將性能測試程序進(jìn)行了修改。總共6 次性能運(yùn)行，記錄超過100 小時的運(yùn)行數(shù)據(jù)。