李冰，郝曉樂，申世才

航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口空氣流量測(cè)量方案分析

李冰，郝曉樂，申世才

(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院發(fā)動(dòng)機(jī)所，陜西西安710089)

發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)，通常采用在進(jìn)氣道出口和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口之間加裝測(cè)量耙的方式，來測(cè)量截面的總靜壓參數(shù)，進(jìn)而獲得發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口空氣流量。考慮到附面層影響，采用新型附面層壓力組合測(cè)量耙進(jìn)行測(cè)量。同時(shí)，對(duì)獲取截面流場(chǎng)壓力的不同測(cè)量方案進(jìn)行了分析，并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了不同測(cè)量方案產(chǎn)生的誤差。結(jié)果表明：采用壓力組合測(cè)量耙能較為準(zhǔn)確地獲得發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口空氣流量，并且采用壓差傳感器獲取截面流場(chǎng)壓力，能顯著減小發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口空氣流量和附面層的測(cè)量誤差。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)；空氣流量測(cè)量；附面層測(cè)量；傳感器；測(cè)量誤差；敏感系數(shù)

1 引言

進(jìn)氣道與發(fā)動(dòng)機(jī)的相容性是全面評(píng)價(jià)飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的重要考核指標(biāo)。進(jìn)氣道與發(fā)動(dòng)機(jī)相容性試驗(yàn)中，空氣流量是重要的測(cè)量參數(shù)。在發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)中，推力的測(cè)量尤為重要，而空氣流量是推力測(cè)量中的重要測(cè)量參數(shù)。因此，獲取發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流量是發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)有著重要的意義。

測(cè)試過程中，合理、巧妙地規(guī)劃測(cè)量方案能有效減小測(cè)量誤差。在飛行試驗(yàn)時(shí)，一般在進(jìn)氣道出口與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口之間的過渡段加裝測(cè)量耙，測(cè)量截面的流場(chǎng)信息，獲取發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口的空氣流量。國(guó)外對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流量測(cè)量和計(jì)算的研究較早，積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，測(cè)試技術(shù)和理論比較先進(jìn)[1，2]，且在發(fā)動(dòng)機(jī)氣路壓力測(cè)量方面，美國(guó)對(duì)測(cè)量耙及受感部的設(shè)計(jì)和誤差分析制定了詳細(xì)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流量的測(cè)量和計(jì)算，也進(jìn)行過工程研究及應(yīng)用[3～9]，中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院在發(fā)動(dòng)機(jī)氣路壓力測(cè)量耙和受感部的設(shè)計(jì)及誤差分析方面進(jìn)行了詳細(xì)研究，中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院在發(fā)動(dòng)機(jī)試飛中也進(jìn)行了空氣流量測(cè)量，并取得一定成果。

在截面流場(chǎng)測(cè)量中，壓力的測(cè)量比較關(guān)鍵，不同的測(cè)量方式會(huì)導(dǎo)致結(jié)果存在較大差異，目前主要采用絕壓傳感器和壓差傳感器進(jìn)行測(cè)量。本文在測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口空氣流量時(shí)，采用一種附面層壓力組合測(cè)量耙，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果，通過計(jì)算獲得空氣流量，并對(duì)分別采用絕壓傳感器和壓差傳感器測(cè)量壓力時(shí)的誤差進(jìn)行了分析。

2 測(cè)量方案

氣體在進(jìn)氣道內(nèi)的流動(dòng)區(qū)域，可分為不受粘性影響的主流區(qū)域和受粘性影響的附面層區(qū)域。主流區(qū)參數(shù)的測(cè)量容易實(shí)現(xiàn)，且方法多樣。附面層區(qū)域由于受粘性影響，其精確測(cè)量在工程上一直較為困難。我國(guó)在附面層測(cè)量和計(jì)算方面，雖然進(jìn)行過實(shí)際的工程研究及應(yīng)用，但工程經(jīng)驗(yàn)仍較為缺乏，測(cè)量方法也較傳統(tǒng)，測(cè)量結(jié)果誤差較大。在進(jìn)行某型發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)，針對(duì)流場(chǎng)主流區(qū)和附面層的流動(dòng)特點(diǎn)，在以往測(cè)量耙的研制和工程應(yīng)用基礎(chǔ)上，結(jié)合附面層測(cè)量耙，設(shè)計(jì)了一種既能測(cè)量主流區(qū)流場(chǎng)信息，又能獲取附面層流場(chǎng)信息的組合測(cè)量耙，如圖1所示。測(cè)量耙前端4支受感部為測(cè)量主流區(qū)流場(chǎng)信息的皮托管總靜壓受感部，靠近根部的10支受感部為測(cè)量附面層總壓的受感部。

圖1 附面層壓力組合測(cè)量耙Fig.1 The combination rakes for boundary layer pressure measurement

試驗(yàn)時(shí)，測(cè)量耙加裝在進(jìn)氣道出口和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口之間的過渡段，該截面共加裝6支壓力耙，其中3支為附面層壓力組合測(cè)量耙，3支為無附面層測(cè)點(diǎn)的壓力測(cè)量耙(靠近根部的皮托管測(cè)點(diǎn)位于附面層內(nèi))；同時(shí)加裝了3支溫度耙，沿測(cè)量截面周向均勻分布。測(cè)量耙安裝及測(cè)點(diǎn)分布如圖2所示。

在空氣流量測(cè)量、計(jì)算中，測(cè)量截面的總壓、靜壓至關(guān)重要。由于壓力測(cè)量方式多樣，下面從傳感器選擇角度對(duì)壓力測(cè)量方式進(jìn)行研究，分別采用絕壓傳感器和壓差傳感器兩種測(cè)量方案，對(duì)主流區(qū)和附面層的壓力進(jìn)行測(cè)量。

圖2 測(cè)量耙安裝及測(cè)點(diǎn)分布示意圖Fig.2 Measuring rake installation and stations distribution

測(cè)量方案一：直接采用絕壓傳感器測(cè)量主流區(qū)總壓、靜壓及附面層總壓。

測(cè)量方案二：采用直接測(cè)試總靜壓差的方法，即主流區(qū)的壓力分別采用絕壓傳感器和壓差傳感器測(cè)量，附面層總壓則采用壓差傳感器間接測(cè)量。測(cè)量時(shí)以艙壓為基準(zhǔn)壓力，為防止氣流擾動(dòng)，艙壓傳感器放置在發(fā)動(dòng)機(jī)艙中固定鐵盒內(nèi)。試驗(yàn)用壓差傳感器及絕壓傳感器的精度均為0.5%，測(cè)量方式如圖3、圖4所示。

圖3 主流區(qū)總壓、靜壓測(cè)量示意圖Fig.3 Measurement of total pressure and static pressure on the mainstream area

圖4 附面層總壓測(cè)量示意圖Fig.4 Measurement of total pressure on the boundary layer

3 空氣流量計(jì)算及誤差合成[10，11]

由于截面流場(chǎng)壓力采用了不同的測(cè)量方式，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口空氣流量、附面層及其誤差的計(jì)算存在差異。

3.1方案一計(jì)算方法

空氣流量G：

式中：p*、p分別為皮托管所測(cè)總壓和靜壓，R為測(cè)量截面半徑，T*為測(cè)量截面總溫。

附面層位移厚度δ*：

式中：pf*為附面層受感部所測(cè)總壓，pp*f、ppfs分別為皮托管所測(cè)附面層總壓和靜壓。

誤差：

式中：各變量的偏導(dǎo)數(shù)即為其相應(yīng)的敏感系數(shù)。

3.2方案二計(jì)算方法

空氣流量：

式中：pd為皮托管測(cè)總靜壓差。

附面層位移厚度：

式中：pc為艙壓，Δpfi為以艙壓為基準(zhǔn)壓力的附面層總靜壓差，ppfd為皮托管測(cè)附面層總靜壓差。

誤差：

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1空氣流量

取發(fā)動(dòng)機(jī)在臺(tái)架上測(cè)量的空氣流量值為100%。選取發(fā)動(dòng)機(jī)地面穩(wěn)定工作狀態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流量，結(jié)果見表1?？梢?，發(fā)動(dòng)機(jī)在地面的空氣流量測(cè)量值與臺(tái)架測(cè)量值的相對(duì)誤差基本上在2%以內(nèi)，差值較小，所以該空氣流量測(cè)量方案合理可行。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)地面穩(wěn)定狀態(tài)空氣流量計(jì)算結(jié)果Table 1 The calculating results of airflow in engine ground stable states

4.2附面層位移厚度

取測(cè)試截面半徑為100%。選取發(fā)動(dòng)機(jī)地面穩(wěn)定工作狀態(tài)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算附面層位移厚度，結(jié)果見表2?？梢?，附面層位移厚度隨著發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的增大，先減小后增大。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)地面穩(wěn)定狀態(tài)附面層位移厚度計(jì)算結(jié)果Table 2 The calculating results of boundary layer displacement thickness in engine ground stable states

5 誤差分析

5.1空氣流量

選取試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇相對(duì)換算轉(zhuǎn)速100%時(shí)的數(shù)據(jù)，對(duì)方案一和方案二進(jìn)行對(duì)比分析。兩種測(cè)量方案的各測(cè)量參數(shù)的敏感系數(shù)[11]計(jì)算結(jié)果如表3所示。可見，影響空氣流量誤差的主要參數(shù)，方案一中為皮托管所測(cè)靜壓及總壓的敏感系數(shù)，方案二中為皮托管所測(cè)總靜壓差及總壓的敏感系數(shù)。但根據(jù)表中計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合誤差理論可知，皮托管所測(cè)總壓的敏感系數(shù)對(duì)誤差結(jié)果的影響更大。

表3 空氣流量各測(cè)量參數(shù)的敏感系數(shù)Table 3 Sensitivity coefficients of the airflow measuring parameters

5.2附面層位移厚度

由于附面層總壓測(cè)點(diǎn)之間的差值較小，采用大量程的絕壓傳感器測(cè)量誤差太大，甚至出現(xiàn)使發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)狀態(tài)以下狀態(tài)的附面層總壓梯度消失現(xiàn)象。因此采用小量程的壓差傳感器，并以艙壓為基準(zhǔn)，間接測(cè)量附面層總壓。該方法可精確測(cè)量附面層總壓之間的梯度，減少測(cè)量誤差。

選取發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇相對(duì)換算轉(zhuǎn)速100%時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。兩種測(cè)量方案時(shí)各測(cè)試參數(shù)的敏感系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表4所示。從表中可看出，影響附面層位移厚度測(cè)量誤差的主要參數(shù)，方案一中為附面層受感部所測(cè)總壓及皮托管所測(cè)附面層靜壓的敏感系數(shù)，方案二中為艙壓及皮托管所測(cè)附面層總靜壓差的敏感系數(shù)。根據(jù)誤差計(jì)算公式，附面層受感部所測(cè)總壓的敏感系數(shù)，對(duì)位移厚度的測(cè)量誤差具有累加效應(yīng)，結(jié)合表中各敏感系數(shù)計(jì)算結(jié)果可知，該值對(duì)測(cè)量誤差大小存在顯著影響。

表4 附面層各測(cè)量參數(shù)的敏感系數(shù)Table 4 Sensitivity coefficients of the boundary layer measuring parameters

采用方案一時(shí)，附面層位移厚度的測(cè)量誤差Uδ*1=29.9%，采用方案二時(shí)，附面層位移厚度的測(cè)量誤差Uδ*2=18.4%?？梢姡捎梅桨付娠@著減小測(cè)量誤差。

6 結(jié)束語

本文在測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口空氣流量時(shí)，考慮到附面層的影響，采用了一種測(cè)量空氣流量和附面層壓力的組合耙，并對(duì)使用組合測(cè)量耙時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，表明采用該型壓力組合測(cè)量耙能夠較為準(zhǔn)確地獲得發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口空氣流量。同時(shí)，在獲取截面流場(chǎng)壓力時(shí)，考慮了傳感器選擇對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)采用絕壓傳感器和壓差傳感器所得的空氣流量及附面層參數(shù)的測(cè)量誤差進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，采用壓差傳感器測(cè)量壓力，能顯著、有效地減小空氣流量和附面層的測(cè)量誤差，提高試驗(yàn)精度。

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Measuring Methods of Aero-Engine Inlet Airflow

LI Bing，HAO Xiao-le，SHEN Shi-cai
(Engine Department of China Flight Testing Establishment，Xi’an 710089，China)

When testing aero-engine,the general way to get the total static pressure of cross section and air?flow rate in the entry of engine is putting a measurement rake between intake outlet and the entry of engine. Based on the consideration of the boundary layer impact,a new type of boundary layer pressure combination rake was employed to measure the airflow.Meanwhile not only the methods of measuring flow field pressure of the cross section from different ways were researched,but also the measurement errors by different mea?suring method were analyzed in combination with test data.The results show that more accurate airflow rate value can be obtained by using this combination measuring rake and the differential pressure sensors could significantly reduce the airflow of engine entry and the measuring errors of the boundary layer.

aero-engine；airflow meas urement；boundary layer measurement；sensor；measuring error；sensitivity coefficient

V217+.31

A

1672-2620(2013)04-0054-04

2012-12-10；

2013-06-16

李冰(1980-)，女，陜西西安人，工程師，碩士，主要從事發(fā)動(dòng)機(jī)性能特性研究。