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計量檢測技術助力“中國芯”

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計量檢測技術助力“中國芯”

2020-09-23

航空發動機是飛機的心髒,被譽為現代工業“皇冠上的明珠”和“工業之花”。計量校準/檢測在航空發動機研製過程中發揮著極為重要的作用。


航空發動機不僅是飛機的動力,也是航空技術發展的動力。人類在航空領域的每一次重大突破,無不與航空動力技術的進步相關。飛機的需求和發展又促使發動機向更高水平邁進,二者相得益彰。航空發動機製造業涉及流體力學、固體力學、計算數學、熱物理、化學等眾多門類的基礎科學和工程技術,具有突出的技術輻射和拉動作用,可以廣泛帶動電子、先進材料、特種和精密加工、冶金、化工等技術和產業的發展,是國民經濟運行中科技發展和創新的重要推動力量。大型民用航空發動機產業是典型的知識密集、技術密集和資本密集的高技術、高附加值、高風險的戰略性產業,是一個國家工業、科技水平的綜合實力的集中體現,被譽為現代製造業的一顆明珠。


新中國成立以來,我國航空發動機經曆了從維護修理、測繪仿製、改進改型到自主研製等主要階段。我國民用渦扇航空發動機技術開發與產品研製更是曾經一度空白,其專項預研計劃是在2007年國家啟動大飛機專項以來正式開始的。到目前為止,我國初步走過了窄體飛機發動機驗證機從概念定義、關鍵技術攻關、關鍵部件係統、核心機到整機研製的全過程,初步建立了民用渦扇航空發動機研製的條件與體係,初步建立了民用渦扇航空發動機研製的設計研發隊伍,初步帶動了民用渦扇航空發動機相關配套能力與相關基礎學科的發展。


航空發動機檢測校準技術的定位與現狀


航空發動機的安全性、可靠性、舒適性、經濟性、環保性成為世界各國商用航空發動機研製不斷改進的方向。計量校準/檢測為產品全生命周期提供了量值準確、工藝改進、故障分析、製造符合性、維護大修方案等的數據支撐,在發動機研製過程中發揮著極為重要的作用。


目前,我國民用航空發動機產業測量過程主要涵蓋50餘項關鍵測量環節、2萬餘項關鍵測量參數,發動機部件/係統預計進行28.9萬小時試驗,核心機預計開展1900小時試驗,整機預計開展1.84萬小時試驗。其中,中國航發集團所屬企業承擔80%以上的設計研發及製造試驗任務。


航空發動機結構極為複雜,性能參數基本上覆蓋了十大常規校準專業,其中幾何量、熱學、力學及電學等校準技術是發動機研製過程中涉及最多的專業,也是草莓视频网站下载的通用計量技術建設的主要方向。幾何量檢測/校準技術(長度、厚度、直徑、平麵度、同軸度、跳動)主要用於發動機葉片的葉形檢測、發動機軸的內外柱麵的同軸度、量測具的校準等。熱學校準技術(溫度、濕度)主要用於溫度計、溫濕采集係統、發動機各部件溫度場測量設備等校準。力學校準技術(質量、扭矩、拉力、壓力、振動)主要用於動態壓力傳感器、材料試驗機、扭矩倍增器、加速度計等校準。電學校準技術(電工類設備、無線電類設備)主要用於各類電表、數采係統等的校準。


然而,民機研製過程中還需要滿足一些特殊需求,如適航對發動機排氣排出物的測試、發動機推力等測試專用設備的校準技術等。發動機參數原位校準技術主要包括燃油流量原位校準技術、溫度場原位校準技術、氣動流場原位校準技術等。發動機專測設備校準技術主要包括葉尖振動、葉尖間隙測量係統、發動機台架推力測量係統、遙測係統、發動機健康管理係統、汙染物排放測試係統等校準技術。


發動機研製過程中的檢測校準難點


作為一種典型技術密集型產品,航空發動機需要在高溫、高壓、高轉速和高負載的特殊環境中長期反複工作,其對設計、加工及製造能力、檢測能力都有極高要求。因此,計量測試技術是發展先進航空發動機的關鍵技術之一。航空發動機產品技術涉及多種學科,工作條件苛刻,研製過程需要產品性能及製造工藝流程的不斷優化,試驗測試數據是驗證和優化航空發動機產品性能設計的重要依據,對評價發動機部件、整機的性能具有決定性的作用,測試、計量存在數據多、量程寬、精度高的特點。


● 數據多


在發動機試驗中,需要同時測量的數據可達上千個。在發動機製造過程中,以葉片(見圖1)為例,由於葉片型麵的複雜性和結構的集成性,為準確評價葉片的三維尺寸,需要測量的數據量高達數萬個。航空發動機零件的30%來自葉片的製造,葉型參數種類多、數量大,結構型麵複雜,基準定位難。葉片還是發動機最為典型的測量一致性差、驗收問題突出的關鍵零部件,所以一直是航空發動機檢測的難點。葉片型麵多為自由曲麵,其型麵輪廓以及相關參數的測量及評價較為複雜,涉及的參數包括弦長、葉身厚度、波紋度、邊緣半徑、邊緣厚度、不對稱度等。



圖1 葉片檢測


針對葉片檢測驗收存在的問題,建立工程上可行的葉片驗收測量方法,滿足製造企業的質量、效率、成本等控製要求成為當務之急。為此,草莓视频网站入口在线观看開展了針對壓氣機葉片、風扇葉片的檢測方法和評估方法測量工藝一致性比對研究,采用GRR分析技術,研究涉及國內主機廠所、國際廠商代工企業、權威檢測機構檢測一致性,接觸式、非接觸式測量機檢測一致性,不同測量評價係統之間一致性等。通過研究,草莓视频网站下载對葉片檢測中坐標係建立、葉片裝夾、測量過程控製所引起的檢測問題有了初步的了解,這對葉片檢測一致性控製要素的分析具有很大的借鑒意義。後期草莓视频网站還將對葉片樣件的賦值方法進行研究,從根本上解決葉片檢測技術難題。


● 量程寬


發動機的渦輪前溫度是提升熱效率的一個重要參數指標。自渦輪噴氣發動機問世以來,渦輪前溫度的測量上限不斷向上攀升。同時,由於多種因素的共同作用,在實際的工程測量過程中“極限量、動態量、多因素耦合量”的計量需求日益突出。


航空發動機進氣道是航空發動機重要組成部件之一,對航空發動機的性能評價具有重要意義。然而,我國目前沒有專業的航空發動機進氣道校準裝置,處於空白狀態。為此,草莓视频网站策劃建設大型流量測量校準試驗器,建成後將為我國民用大涵道比渦扇發動機試驗過程中的流量測量裝置提供校準服務,填補國內大型空氣流量校準裝置的空白。工藝進氣道如圖2所示。



● 精度高


對發動機相關參數進行有效控製是改善發動機性能、提高發動機效率的重要途徑。不斷地提高測量能力,獲得更精準的數據,是構建準確可靠的產品性能數字模型、推進航空發動機虛擬仿真試驗技術發展的堅實保障。


渦輪風扇發動機在研製階段要經過反複的台架試驗,推力是判斷其是否滿足設計要求的重要參數。為了測量發動機在各個狀態的推力,必須建立精準的發動機試車台推力測量裝置。通常航空發動機試車台包括定架、動架、控製係統、測試係統和校準裝置等。發動機推力測量直接關係到發動機的整機性能,而影響發動機推力測量精度的主要因素就是台架推力測量係統校準。商用航空發動機由於不同於軍機研製的測仿模式,采用正向設計方式,在試車台校準方麵,沒有所謂“校準發動機”可作為標準進行試車台校準,可采取的方式隻有氣動修正結合台架推力測量方式對車台進行計量校準,該方法有別於目前國內相關試車台“校準發動機”校準方法。


航空發動機檢測校準技術發展趨勢


準確測量發動機熱端部件特別是渦輪等旋轉部溫度,是正確評價渦輪葉片冷卻效果和工作狀態、保證發動機工作在佳的溫度範圍及其安全性的前提。燃氣分析方法、聲學測溫、激光測量技術測溫、藍寶石光纖測溫等技術正逐步用於高溫氣流溫度測量;薄膜熱電偶測溫、示溫漆測溫、多波長溫度測量、譜色溫度測量、多光譜測量、晶體測溫等技術可用於測量高溫表麵溫度。


航空發動機研製過程中需要對壓力參數進行大量測試,作為設計及技術驗證的依據。國內針對壓力傳感器的室內動態校準問題,相繼研製了激波管、中頻正弦信號發生器等校準標準,但壓力範圍有限,幅值脈動較高,無法模擬負壓測量環境,且因缺少校準方法難以保證實際測量精度。近幾年,有報道稱俄羅斯CIAM實驗基地已成功研製出現場發動機壓力測量通道過渡特性的專用校準設備,通過模擬發動機過渡態的實際壓力變化實現對測量係統的現場校準,但國內尚未見到類似的專用校準裝置。


合金航空構件的焊接殘餘應力對其強度、壽命的影響引起了人們越來越多的關注。國內外應用較為廣泛的應力測試手段包括無損的X射線法及破壞性較小的小孔法。X射線法基於衍射原理,對結構表麵的平整性要求特別高,測量存在較大的難度和誤差。小孔法發展較成熟,國內外有相關的標準和方法,隻要鑽孔和貼片技術操作正確,可達到較高的測量精度,對表麵狀況及環境等因素的影響不太敏感,因而被廣泛應用於科學研究中。


有效測量振動並通過振動進行故障定位,是有效降低返修率的關鍵手段和措施。目前,我國發動機振動測試理論和方法研究相對薄弱,研究機構和成果較少且大多處於跟蹤研究階段。現有接觸式測試方法在高頻信號采集、測試點數量、傳感器安裝、信號線纜傳輸等方麵受到限製,因此亟須發展非接觸測試技術。此外,機載測振儀以及係統化、智能化的故障診斷係統還有待研製和產品化。如何對基於振動測量和應變測量的監測及診斷係統實施有效校準是需要解決的問題。


結合工業4.0的發展趨勢,未來商用航空發動機檢測/校準將逐步趨向於研製保障任務管理平台的智能化,檢測技術將進一步向數字化、智能化、現場原位檢測方向發展。完善檢測/校準技術體係,發展數字化、網絡化、智能化和實時化的檢測/校準技術標準、方法和手段,建立現場、在線、快速、敏捷的技術平台,提升工業過程保證質量、效率和效益將是目前最主要的研究方向,智能檢測技術的研究也在逐步推進。相信在不久的將來,基於模型的三維尺寸智能檢測技術、基於圖像識別的智能檢測技術等將廣泛用於商用航空發動機研製過程。


本文來自《張江科技評論》


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