先進(jìn)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試技術(shù)及發(fā)展

（海軍裝備部，陜西 西 安 7 10000）

隨著燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷提升，新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)大量應(yīng)用，對(duì)相應(yīng)的測(cè)試計(jì)量技術(shù)也提出了更高得要求，本文分析了國(guó)外先進(jìn)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試計(jì)量現(xiàn)狀，重點(diǎn)研究了國(guó)內(nèi)新一代發(fā)動(dòng)機(jī)在測(cè)試計(jì)量校準(zhǔn)體系、量值溯源體系、綜合測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)技術(shù)、專用測(cè)試設(shè)備校準(zhǔn)技術(shù)、特種測(cè)量技術(shù)的校準(zhǔn)技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)技術(shù)方面的需求，并提出了相應(yīng)的解決方案，同時(shí)結(jié)合我國(guó)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)現(xiàn)狀，提出了急需發(fā)展的關(guān)鍵測(cè)試計(jì)量技術(shù)。

1 概述

1.1 先進(jìn)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)

先進(jìn)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)特別強(qiáng)調(diào)高的熱力性能、可靠性、維修性和低壽命費(fèi)用。其采用的新技術(shù)主要有：損傷容限和高效率的寬弦葉片、三維壓氣機(jī)葉片、刷式封嚴(yán)和故障診斷和狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。其發(fā)展趨勢(shì)主要為：

（1）渦輪前溫度T4大幅提高；

（2）總增壓比持續(xù)提高；

（3）新材料應(yīng)用:有機(jī)復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、纖維增強(qiáng)超基合金等；

（4）控制系統(tǒng)數(shù)字化。

1.2 先進(jìn)測(cè)試技術(shù)

先進(jìn)測(cè)試技術(shù)是對(duì)被測(cè)對(duì)象的參量進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量信息進(jìn)行采集、變換、存儲(chǔ)、傳輸、顯示和控制的技術(shù)，是能大量?jī)?chǔ)存和快速處理信息的計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳輸信息的通信技術(shù)的綜合[1~2]?，F(xiàn)代制造技術(shù)的快速進(jìn)步引發(fā)了許多新型計(jì)測(cè)問題，推動(dòng)著傳感器、測(cè)試計(jì)量?jī)x器的研究與發(fā)展，促使測(cè)試技術(shù)中的新原理、新技術(shù)、新裝置系統(tǒng)不斷出現(xiàn)，呈現(xiàn)出一些新的特點(diǎn)[3]：

（1）精密測(cè)試與極端測(cè)試需求不斷增加；

（2）測(cè)試系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化與智能化；

（3）測(cè)試信息的集成與多信息融合；

（4）虛擬測(cè)試與虛擬儀器廣泛應(yīng)用。

2 國(guó)外先進(jìn)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試計(jì)量現(xiàn)狀

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試技術(shù)

在發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試技術(shù)上，先進(jìn)的測(cè)試系統(tǒng)加快了燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)進(jìn)程，也催生了信息化平臺(tái)的建立，帶動(dòng)了燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、仿真技術(shù)的發(fā)展。特種測(cè)試儀器、測(cè)試技術(shù)和傳感器的應(yīng)用，為更加快捷的獲取發(fā)動(dòng)機(jī)的特性數(shù)據(jù)提供了新方法。例如，紅外高溫計(jì)、示溫漆、薄膜熱電偶測(cè)溫和晶體測(cè)溫等技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件表面溫度的測(cè)試。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)

在發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)上，復(fù)合材料、超級(jí)合金以及新加工工藝的應(yīng)用所需的檢測(cè)技術(shù)也受到特別關(guān)注。例如，美國(guó)GE檢驗(yàn)科技公司研發(fā)的LOGIQ9R NDT超聲波相控陣檢測(cè)系統(tǒng)，融合了GE在醫(yī)療設(shè)備上的專利技術(shù)，是專門為檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)盤、環(huán)類零件而設(shè)計(jì)的，可完全滿足GE飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)鍛件檢驗(yàn)的技術(shù)要求，并將檢驗(yàn)時(shí)間至少縮短一半，大大降低了總成本，是目前效率最高的檢驗(yàn)系統(tǒng)，榮獲了“2005弗洛斯特和蘇利文杰出技術(shù)獎(jiǎng)”。

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)量校準(zhǔn)

在發(fā)動(dòng)機(jī)的計(jì)量校準(zhǔn)上，更加注重更高精度校準(zhǔn)技術(shù)的研究，美國(guó)空軍阿諾德工程發(fā)展中心及俄羅斯的CIAM試驗(yàn)基地，都有相當(dāng)高的計(jì)量技術(shù)水平，擁有先進(jìn)的校準(zhǔn)及檢測(cè)機(jī)構(gòu)。例如，CIAM試驗(yàn)基地?fù)碛屑葷M足自身要求，又滿足行業(yè)需求的發(fā)動(dòng)機(jī)全部參數(shù)的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)和裝置，其校準(zhǔn)系統(tǒng)的多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)代表著其國(guó)家計(jì)量的最高水平，其實(shí)驗(yàn)中心的計(jì)量部門已被授予具有檢驗(yàn)測(cè)量設(shè)備、鑒定測(cè)量方法和評(píng)審計(jì)量文件的權(quán)利。

2.4 發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)量保障

歐美國(guó)家發(fā)動(dòng)機(jī)研制中的計(jì)量保障工作，已經(jīng)從計(jì)量室的純量值傳遞延伸到試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的校準(zhǔn)，走到了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)研制全過(guò)程實(shí)施計(jì)量保障服務(wù)的階段。無(wú)論是發(fā)動(dòng)機(jī)研制所需的專用或通用測(cè)量器具、測(cè)量設(shè)備，還是仿真系統(tǒng)，凡是有數(shù)據(jù)輸出的，無(wú)一例外，都要在使用中受到量值溯源性的約束，以確保其使用的準(zhǔn)確性與適用性。

3 國(guó)內(nèi)新一代燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)測(cè)試計(jì)量技術(shù)的需求分析研究

3.1 新一代燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)測(cè)試計(jì)量校準(zhǔn)體系的需求

發(fā)動(dòng)機(jī)制造和試驗(yàn)的計(jì)量與校準(zhǔn)，就是建立完善的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)全流程物理測(cè)量參數(shù)量值溯源及試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備校準(zhǔn)體系。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場(chǎng)檢定、比對(duì)、標(biāo)定及校準(zhǔn)等量值傳遞和溯源活動(dòng)來(lái)保證燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)及其零部件試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的單位統(tǒng)一和量值準(zhǔn)確可靠。為了獲得高精度的測(cè)試，現(xiàn)代燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)，更多的是依靠標(biāo)準(zhǔn)裝置或校準(zhǔn)設(shè)備對(duì)測(cè)試系統(tǒng)、試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行定期或不定期的，在線或離線的校準(zhǔn)來(lái)達(dá)到的。

3.2 量值溯源體系的完善

完善新一代燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)量值溯源體系，特別是流量參數(shù)量值溯源體系部分（包括燃油流量校準(zhǔn)、小流量校準(zhǔn)、空氣流量校準(zhǔn)等）、溫度極限參數(shù)量值溯源體系部分（包括高達(dá)1 800 K以上的高溫校準(zhǔn)以及低溫校準(zhǔn)）和應(yīng)力、應(yīng)變參數(shù)量值溯源體系部分。

3.3 綜合測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)技術(shù)

GJB241-87《航空渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范》和GJB721-89《渦噴渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)校準(zhǔn)規(guī)范》明確規(guī)定了燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)必須經(jīng)過(guò)計(jì)量、校準(zhǔn)達(dá)到規(guī)定的技術(shù)要求。由于發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)綜合測(cè)試系統(tǒng)是集多參數(shù)、多通道的綜合測(cè)試系統(tǒng)，其系統(tǒng)組成復(fù)雜、涉及參數(shù)多，研究形成統(tǒng)一的校準(zhǔn)、評(píng)定方法是目前急需解決的問題。

3.4 專用測(cè)試設(shè)備校準(zhǔn)技術(shù)

在新一代燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中，有許多特殊的專用測(cè)試設(shè)備無(wú)法通過(guò)單純的實(shí)驗(yàn)室計(jì)量、校準(zhǔn)完成量值溯源，以及對(duì)其測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性、可靠性的驗(yàn)證。使用單位必須根據(jù)專用測(cè)試設(shè)備的結(jié)構(gòu)、組成、參數(shù)特性研究其計(jì)量、校準(zhǔn)技術(shù)。如推力臺(tái)架及測(cè)試設(shè)備的綜合校準(zhǔn)、推力矢量測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)等。

3.5 特種測(cè)量技術(shù)的校準(zhǔn)技術(shù)

新一代燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)必將采用許多新的測(cè)試方法、測(cè)試技術(shù)，在開展新測(cè)試技術(shù)研究的同時(shí)，必須開展其校準(zhǔn)技術(shù)的研究。如紅外測(cè)溫校準(zhǔn)技術(shù)、示溫漆測(cè)溫校準(zhǔn)技術(shù)、熒光衰變測(cè)溫校準(zhǔn)技術(shù)、激光多譜勒測(cè)速儀和粒子成像速度計(jì)校準(zhǔn)技術(shù)、壓敏漆測(cè)壓校準(zhǔn)技術(shù)等。

3.6 現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)技術(shù)

新一代燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)環(huán)境條件惡劣，其測(cè)試設(shè)備的技術(shù)性能、相互干擾相比于實(shí)驗(yàn)室額定條件有不可忽略的影響。通過(guò)開展現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)技術(shù)研究，可以準(zhǔn)確、真實(shí)地反映測(cè)試系統(tǒng)在試驗(yàn)條件下的技術(shù)狀態(tài)。需開展燃油流量現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)技術(shù)、高溫現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)技術(shù)等研究。

4 新一代發(fā)動(dòng)機(jī)研制中零部件加工及裝配階段所需的關(guān)鍵測(cè)試計(jì)量技術(shù)探討

保障體系的建立與完善其根本目的就是嚴(yán)格控制零部件的加工品質(zhì)，使其達(dá)到設(shè)計(jì)型面、尺寸、粗糙度、強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)、材料等要求，另外就是在裝配過(guò)程中對(duì)裝配質(zhì)量進(jìn)行控制，確保裝配達(dá)到設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)配合要求?，F(xiàn)階段，我國(guó)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)急需發(fā)展的關(guān)鍵測(cè)試計(jì)量技術(shù)有以下幾個(gè)方面：

（1）整體葉盤焊接過(guò)程的定位、控制和在線檢測(cè)技術(shù)；

（2）葉片在線檢測(cè)技術(shù)；

（3）薄壁件幾何參數(shù)的非接觸測(cè)量檢測(cè)技術(shù)；

（4）噴嘴關(guān)鍵件的光學(xué)成像準(zhǔn)確檢測(cè)技術(shù)；

（5）2D及3D參數(shù)、形貌分析及粗糙度參數(shù)非接觸測(cè)量技術(shù)；

（6）齒輪、螺紋參數(shù)等復(fù)雜零件三坐標(biāo)測(cè)量檢測(cè)技術(shù)；

（7）發(fā)動(dòng)機(jī)靜子機(jī)匣各截面橢圓度和支點(diǎn)跳動(dòng)光學(xué)方法檢測(cè)技術(shù)；

（8）寬范圍燃油流量測(cè)量。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)系統(tǒng)的梳理國(guó)內(nèi)外燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)測(cè)試技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，提出了建立我國(guó)新一代發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量體系和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展方向，經(jīng)秦嶺發(fā)動(dòng)機(jī)等幾個(gè)型號(hào)研制生產(chǎn)試用，進(jìn)一步完善了發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量技術(shù)體系，也極大的推動(dòng)了發(fā)動(dòng)機(jī)研制生產(chǎn)進(jìn)程。

[1]殷國(guó)富，楊杰斌，趙雪峰，等.面向現(xiàn)代制造的先進(jìn)測(cè)試技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)測(cè)試，2010,36(1):2-3.

[2]郭陽(yáng)寬.現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[3]國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)工程與材料科學(xué)部.學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告：機(jī)械與制造科學(xué)[R].北京：科學(xué)出版社，2006.