发动机内部涡轮横动系统开发

Author(s):
Bernard Killeen.系统工程师 - Richmond Measurement Services, Derby (英国)

Industry:
Aerospace/Avionics

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

The Challenge:
在喷气发动机的性能测试中测量高压涡轮气流中的空气动力学数据。

The Solution:
设计制造预定发动机减震设备外盒，配有新型镀铂金的空气动力学探针。

"我们把基于PXI的电子机架安装在发动机上方，通过特殊高温电缆保障数据的完整性。然后通过光纤电缆连接测试单元PC 系统与PXI机箱，实现操作用户界面及测试控制。"

喷气机发动机设计中广泛采用CAD 建模，这类模型异常精密但却远未达到完美。为了验证计算机建模，必须通过真实发动机上的测试来修正模型。这是开发过程中的重要部分。

由于气流的温度及压力关系，涡轮测试相关性往往是困难的。在比真实涡轮温度、压力低的环境下运行，传统测试模型测试结果按比例放大。由于温度及压力的增加，尖端与轮轴的边界条件、尖端泄漏、及比例误差等因素造成上述测试过程具有一定局限性。

Richmond 测量服务公司（RMS）需要在劳斯莱斯Trent 900 喷气式发动机涡轮中测量四个位置的气体环境。测试设备设计用于测量全压力、静态压力、流速、及流向等参数。

测试系统组成包括空气动力学探针、设备外盒、19英寸机架电子单元、用于运动控制和数据采集的预定PC 软件，它结合NI-Motion、NI-DAQmx、和NI Measurement Studio软件在Microsoft Visual Basic 6.0 中编写。我们把基于PXI 的电子机架安装在发动机上方，通过特殊高温电缆保障数据的完整性。然后通过光纤电缆连接测试单元PC 系统与PXI 机箱，实现操作用户界面及测试控制。

测试车辆

图1 显示性能测试中的测试发动机。涡轮的气体入口环境温度高达1,700 K，压力达250 psi。涡轮外套上温度可达250 °C，是ATEX Zone 2 级危险区域。

图1.性能测试中的测试发动机

发动机通过吊架结构悬挂，以此作为机身。吊架上留有安装硬件的空间，但在发动机测试过程中上述空间不可接近。电缆从吊架连接到测试单元控制室很困难，可能需要加长电缆，因此测试单元接收信号中的干扰将非常大。

原则

RMS 在用于航空测试环境的预定仪器系统上具有相当经验。该系统设计过程中，我们希望能够利用这些经验，并集成现有硬件，获得以往成功经验及结构上的技术支持。

一般来说，为保障信号完整性，传感器与信号源越近越好，这意味着电子系统最好装在发动机上及测试单元内。我们还希望系统是模块化、可扩展的，从而能够适用于各类灵活的规范。

探针

穿过涡轮外套的探针对气流的温度及压力进行测量。探针尖端为铂金材料，无缝焊接在钢性支承管上。支撑管通过流向探针尖端的液体冷却。探针尖端安装压力传感器及热电偶。涡轮套外安装有操作探针的机械装置，同时控制压力传感器及热电偶。

图2.铂金探针尖端

仪器外盒

仪器外盒是一个独立单元，特有探针操作器、压力传感器、及热电偶信号调理单元。内部温度通过气冷和水冷系统控制在70 °C 以下。单元还具有探针水冷装置。备用传感器通道用于健康监测。涡轮外壳周围共安装四个外盒。

图3.安装在涡轮外壳上的设备外盒

控制电缆及数据电缆

每个外盒都包含气、液、电子系统。专用电缆必须能够承受250 °C高温。设计采用两条电缆，一条用于操纵器，控制发动机及编码信号；另一条用于模拟信号。电缆绕过发动机，从上面通过支撑吊架连接到吊架上方的机架系统。

吊架

吊架包括NI PXI 机箱，安装了数据采集及运动控制系统。此外，机架包含两台多通道步进电机及用于电子系统互连的数据采集接口单元。吊架还安装了UPS，在主电源失效时维持系统供电。我们还采用了PXI 机箱来监测气冷及液冷系统。

测试单元PC

安装于控制室内的PC系统，通过MXI及光纤与吊架PXI 机箱进行通信。PC 上安装了额外的数据采集板，用于监测测试单元内的信号。

我们采用Windows XP 专业版操作系统，在Visual Basic 中用NIDAQmx、NI-Motion及Measurement Studio软件编写预定软件。

PC 由UPS 供电，在主电源失效情况下仍可连续供电至少半小时。

图4. 控制室内的PC 系统

横动软件

横动软件模块负责在气流中移动探针。软件模块与安装在PXI 机箱吊架上的NI PXI-7358 步进/ 伺服控制器进行通信。

PXI-7358 运行板载程序，负责在某种原因导致主PC失效时将探针收回到安全位置。

数据采集软件

数据采集软件模块包含一系列界面，允许操作人员根据需要进行开关。这意味着操作人员能够更加关注感兴趣的数据段。保留的信息在系统安装机故障排除时是很重要。

该模块还负责记录数据。软件将数据保存为一组数据文件，允许随时调用以改变测试进程，也可用于后续分析。

校准

制造全过程中都进行了校准。在样机测试中，系统通过向传感器输送标校信号，检查记录数据是否符合规范。

结论

横动系统在发动机运行测试中的性能与预期相同，数据被有效采集。客户对数据记录的品质很满意，并根据对数据集的检查将性能测试程序进行了修改。总共6 次性能运行，记录超过100 小时的运行数据。