集成软硬件的数据采集平台——Viper喷气发动机测试台

Author(s):
Marios Christodoulou - SCITEK Consultants Ltd (英国)
Jon Bates - SCITEK Consultants Ltd (英国)

Industry:
Aerospace/Avionics, ATE/Instrumentation

Products:
Data Acquisition, Real-Time, Software

The Challenge:
提供高成本效益的燃气涡轮发动机测试台，可轻松安装，并进行各类新型航空传感器技术测试。

The Solution:

创建真实测试环境，通过劳斯莱斯Viper 201喷气发动机评估发展中的航空传感器。我们选择NI 的软硬件作为仪器平台，满足各类项目中不断变化的数据采集环境。

"发动机控制及仪器系统是基于NI硬件及LabVIEW软件，能够达到我们所需的精度、可靠性，并能够在改变测试条件后快速重用。"

SCITEK咨询公司针对追求创新行业现有解决方案的高科技公司提供研发服务。我们致力于提供控制系统及测量仪器装配解决方案的研发。在近期的业务拓展中，我们设计运行了喷气涡轮发动机装置，可用于各类开发应用。该装置的典型应用场合包括用于测量煤烟及NOx 的测试仪器、涡轮叶片叶尖间隙探针、高温下的压力测量、及开发高温噪声传感器。

发动机装置在过去半年内被广泛用于评估及比较各类在恶劣及重复性环境下设计的新型传感器。我们利用NI仪器平台的多功能性，提供了全套设备支持测量。额外的仪器为用户提供了有价值的信息，有助于评估测试结果。

图1. Viper 测试台

引擎装置被用于评估多个不同公司的创新型噪声传感器。高温度环境中，将传感器安装于靠近或直接安装在发动机的涡轮机圆盘上，评估各种技术的精度及耐久性。光学噪声传感器与传统低频探针传感器的比较结果在图2 中显示。

图2. 三个传感器对喷气管道噪声的测量。叶片穿越的色调清晰可见，但其它色调各异，表明了不同传感器的特性

比较结果说明，叶片旋转频率及相关谐波取决于发动机速度。三幅图比较得出的特征差异，在实验室过于理想的测试环境下很难得到。

喷气发动机装置提供真实的运行环境，能够表现出传感器性能及缺点。在测试传感器主要功能时，可设置不同温度、压力、振动或其它影响，这在实验室环境下仿真是很难同时实现的。SCITEK 的Viper测试台是真实的测试环境，能够对技术提出早期指示信息，如有望早期介入服务或需要大力发展。

喷气发动机测试台的另一个应用案例是开发传感器测量发动机后盖中涡轮叶片叶尖与轮盖密封圈的间隙。缩小叶尖的间隙在减少能量损失、提高发动机效率上是非常关键的。尽管我们知道由于建模中复杂几何特性及材料属性，在大多数情况下间隙不可能达到最优。但如果能够测量叶尖间隙，就有可能通过主动控制的方法对其进行调整。

Viper发动机中，固定传感器在高达750 °C的温度下每秒检测超过26,000 次涡轮叶片。这样的环境在现代发动机的正常工作中已接近极限，所以Viper 可作为理想的测试台。我们改进了Viper 的密封圈，使其能够使用不同维度的改良型探针，并能实现每个传感器与参考传感器协同的连续测试。

图3. 改进涡轮密封圈

叶间间隙探针测试结果在图4 中显示，表明了涡轮叶片与密封圈间隔随发动机工作环境而改变。涡轮叶片叶尖间距是非常困难且现象复杂的研究，它对燃气涡轮发动机燃料的利用率有很大影响。

图4. 3 个快速加速、减速循环中，叶尖间隙随引擎速度变化而振动

叶尖间距受发动机转速、温度、压力及材料热传导特征等影响，这些因素导致了在不同操作环境下的间隙变化，而精确测量是设计方案最优化的关键。

结论

主要挑战来自于建立一种装置，在各种场合的应用中安全、可靠，能得到高精度且有效的结果。选用劳斯莱斯公司的Viper 201 发动机是因为它能够重现真实测试条件，与现代大型喷气涡轮发动机类似，同时又能便于改进以适应各类测试要求。

发动机控制及仪器系统是基于NI 硬件及LabVIEW 软件，能够达到我们所需的精度、可靠性，并能够在改变测试条件后快速重用。