多級軸流壓氣機試驗中壓力掃描閥參考端的研究

金宗亮

摘要：本文對壓氣機試驗中壓力掃描閥參考端的選取進行了研究，通過測量不確定度分析得到壓力掃描閥壓差傳感器與絕壓傳感器量程的理論最優(yōu)分配關(guān)系，并以此為依據(jù)提出了選取級間壁面靜壓作為參考端的方案。為驗證該方案的可行性與有效性，本文以某十級高壓壓氣機試驗為例，分析大氣壓作為參考端與壓氣機出口壁面靜壓作為參考端的測量數(shù)據(jù)，對比了兩種方案下壓氣機出口總壓的測量不確定度。結(jié)果表明，對于高壓比工況，使用壓氣機出口壁面靜壓作為參考端，壓氣機出口總壓測量的擴展不確定度可降低約0.4kPa，對于提升壓氣機高轉(zhuǎn)速工況的壓力測量精度意義不大。對于壓比不小于3的工況，使用壁面靜壓作為參考端可保證出口總壓測量相對擴展不確定度小于0.2%，顯著提高了中低轉(zhuǎn)速工況的壓力測量精度。

Abstract： The reference layer for the pressure scanners in the compressor test is investigated through theoretical analysis and test data. Using the static pressure in compressor stages as the reference layer is proposed based on the theoretical optimal ratio of range between the differential pressure sensor and the absolute pressure sensor. In order to verify the feasibility and effectiveness， this methodology has been adopted in a ten-stage compressor test. Indicated by the result， the expanded measurement uncertainty of the total pressure at compressor outlet can be reduced by approximately 0.4kPa， which has little effect on improving the pressure measurement accuracy under high-speed operating conditions of the compressor. However， the relative expanded uncertainty is less than 0.2% for the operating conditions where the pressure ratio is higher than 3， which significantly improves the pressure measurement accuracy at low and medium speeds.

關(guān)鍵詞：壓氣機試驗;壓力掃描閥;參考端

Key words： pressure scanner;reference layer;compressor test

0? 引言

航空發(fā)動機的研制在一定程度上依賴測試技術(shù)的發(fā)展，隨著研制的深入，對試驗過程中參數(shù)測量精度的要求不斷提高，以獲取更精確的試驗數(shù)據(jù)用于支撐設(shè)計優(yōu)化。壓力掃描閥是航空發(fā)動機試驗測試領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的壓力測量設(shè)備，具有測量精度高、集成度高的優(yōu)點[1]。壓力掃描閥配備參考端和測量端，以PSI9116壓力掃描閥為例，16路測量端分別對應(yīng)16個獨立的壓差傳感器，用于測量各測點與參考端的壓差。在航空發(fā)動機高壓壓氣機試驗中，通常將壓力掃描閥的參考端通大氣，使用高精度的絕壓傳感器測量大氣壓作為參考壓力，壓力測量值為參考壓力值與壓力掃描閥測量的壓差值之和。然而，對于多級軸流式壓氣機，設(shè)計點壓比高，使用大氣壓作為參考端導(dǎo)致用于壓氣機出口及后面級壓力測量的掃描閥的量程遠(yuǎn)大于絕壓傳感器的量程，這種量程分配方式對于測量精度造成一定影響。

本文針對壓力掃描閥在高壓壓氣機試驗中的應(yīng)用，研究參考端的選取方法。以某十級高壓壓氣機試驗為例，通過測量不確定度分析得出理論上的量程最優(yōu)分配方案，以此為依據(jù)提出一種壓力掃描閥參考端的選取方法，達到優(yōu)化量程分配、降低測量不確定度的目的，并通過試驗數(shù)據(jù)驗證這種選取方法的可行性與有效性。

1? 理論分析

測量過程中的隨機效應(yīng)和系統(tǒng)效應(yīng)均會導(dǎo)致測量不確定度，總體標(biāo)準(zhǔn)不確定度為隨機標(biāo)準(zhǔn)不確定度與系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)不確定度的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度[2]。

2? 參考端的選取方案

2.1 初步方案

試驗過程中，高壓壓氣機出口總壓隨試驗工況變化，為了使壓力掃描閥與絕壓傳感器量程滿足上述關(guān)系，存在一個問題。若選擇一個低壓的參考端，高轉(zhuǎn)速壓氣機出口總壓與參考端的壓差會超過壓力掃描閥的量程，導(dǎo)致無法測量;若選擇一個高壓的參考端，在壓氣機低轉(zhuǎn)速時，參考端的壓力會超過壓氣機出口總壓，導(dǎo)致無法測量。因此，需要選擇一個壓力可變的參考端。

為了滿足上述參考端壓力可變的需求，壓氣機的級間壓力是一個合適的選擇，既滿足壓力隨試驗工況變化，又不需要增加額外的壓力源和壓力調(diào)節(jié)裝置。此外，為了便于測點的布置和引壓管的安裝，可選擇級間壁面靜壓作為參考端。參考端初步方案如圖1所示。

2.2 級間位置的選取

根據(jù)前述總量程與絕壓傳感器量程的理論最優(yōu)關(guān)系，選取的參考端時，壓氣機出口總壓與參考端壓力的比值為1.4是最理想的情況。

多級軸流式高壓壓氣機的單級平均壓比一般在1.2～1.5，前面級壓比通常高于后面級[3]。因此，前一級的靜壓可作為參壓力掃描閥考端選項之一。根據(jù)設(shè)計階段的計算結(jié)果，第十級設(shè)計點壓比為1.23。但是，航空發(fā)動機的喘振裕度一般要求達到25%以上，對于喘點附近，壓氣機出口總壓與前一級壁面靜壓的比值超過1.5。因此，選擇前一級靜壓作為參考端，壓力偏小。

3? 可行性驗證

根據(jù)公式（1），測量結(jié)果的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度中，除系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量，還包含隨機標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不確定度的A類評定方法[4]，通過測量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差，計算直接測量參數(shù)的隨機標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

為驗證級間壁面靜壓作為參考端的可行性，本文以某型高壓壓氣機在某轉(zhuǎn)速的測量數(shù)據(jù)為例，分別對選擇大氣壓作為參考端與選擇壓氣機出口壁面靜壓作為參考端進行不確定度分析。試驗中每個穩(wěn)定工況點錄取數(shù)據(jù)30秒，采樣頻率10Hz，取平均值作為該工況下的測量結(jié)果。

大氣壓作為參考端與壓氣機出口壁面靜壓作為參考端的一組30秒測量數(shù)據(jù)如圖2與圖3所示。圖中，Pr1表示大氣壓測量值，Pd1表示壓力掃描閥測量的壓差值;Pr2表示壓氣機出口壁面靜壓測量值，Pd2表示壓力掃描閥測量的壓差值。

兩組測量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差與隨機標(biāo)準(zhǔn)不確定度如表1所示。

由表2可知，雖然壓氣機出口壁面壁面靜壓的波動量大于大氣壓，但綜合參考端測量值的隨機標(biāo)準(zhǔn)不確定度與壓差測量值的隨機標(biāo)準(zhǔn)不確定度，壓氣機出口總壓測量值的合成隨機標(biāo)準(zhǔn)不確定度僅增大約0.035kPa。因此，選擇級間壁面靜壓作為參考端的方法可行。

4? 對測量不確定度的影響

4.1 某工況點總壓測量不確定度對比

兩種參考端選取方法對應(yīng)的測量設(shè)備精度與量程如表2所示。

根據(jù)公式（3）與表2數(shù)據(jù)分別計算兩種參考端選取方式的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)不確定度，并根據(jù)公式（1）與表1數(shù)據(jù)計算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度。此外，假設(shè)測量誤差符合正態(tài)分布，近似95%包含概率的包含因子取值2，則擴展不確定度為：

4.2 不同壓比下對測量不確定度的對比

不同壓比下，壓氣機出口總壓不同，為了更加直觀，采用相對不確定進行對比。壓氣機出口總壓相對擴展不確定度定義如下。

由圖4可知，選取壓氣機出口壁面靜壓作為參考端，可保證在壓比3～18范圍內(nèi)，壓氣機出口總壓測量不確定度小于0.2%，有助于提升壓氣機低轉(zhuǎn)速時的出口總壓測量精度。

5? 結(jié)論

關(guān)于壓氣機試驗中壓力掃描閥參考端的選取，總結(jié)如下：

①對于高壓壓氣機出口總壓的測量，使用壓氣機出口壁面靜壓作為參考端相比于大氣壓作為參考端，隨機不確定度不會因參考端壓力波動而顯著增大，系統(tǒng)不確定度因量程分配的優(yōu)化而降低。

②對于高壓比工況，使用壓氣機出口壁面靜壓作為參考端，可在一定程度上降低壓氣機出口總壓的測量不確定度，擴展不確定度降低約0.4kPa，因此對于提升高轉(zhuǎn)速工況的壓力測量精度意義不大。但是，對于壓比不小于3的工況，使用壁面靜壓作為參考端可保證出口總壓測量相對擴展不確定度小于0.2%，顯著提高了中低轉(zhuǎn)速工況的壓力測量精度。

③對于多級軸流式高壓壓氣機的出口總壓或后面級總壓測量，可以考慮選取該級的壁面靜壓或者前一級的壁面靜壓作為參考端的備選方案，用于提高中低轉(zhuǎn)速工況的壓力測量精度。

參考文獻：

[1]Bela G. Liptak， Kriszta Venczel. Pressure Scanners[J]， Measurement and Safety. 2016， 1252-1258.

[2]ASME PTC19.1 Test Uncertainty[S]. New York. American Society of Mechanical Engineers， 2013.

[3]GB/T27418，測量不確定度評定與表示[S].北京：國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，2017.

[4]胡俊.航空葉片機原理[M].北京：國防教育出版社，2014：25-102.