航空发动机试验测试技术是集流体力学、热力学、计算机、电子学、控制学、材料学、结构力学等为一体的综合性学科。无论在研制过程中,还是在批产、使用过程中,发动机试验都是一个至关重要的环节,大多数的技术质量问题可以在这个环节暴露。一方面需要按照相应的规范和要求,开展大量考核性验证和试验,满足产品安全性、可靠性和使用寿命要求;另一方面由于实际工作的复杂性、使用状态的差异性、客观现实的不适应性等原因,目前还不能完全通过数值仿真和分析预测来解决发动机全包线范围内的所有问题。因此,在航空发动机技术发展过程中,试验及测试贯穿于研制过程和技术发展的各个环节且占比依然很大。建设满足基础技术、应用技术、产品研制和使用发展等方面要求的、完整且能逼真模拟航空发动机实际使用工况的试验测试能力体系,成为发动机技术进步的重要标志之一。
根据航发动力刊登的这篇文章《航空发动机试验与测试技术发展分析》,其中提到测试技术发展现状及面临的挑战,对于测试技术,国外目前正着力开发微型化、高精度、复合式的探针以及高精度、高速度、小型化、分布式的测试仪器,并朝综合化、标准化、系列化、规范化的方向发展。在非接触测振技术方面,发动机动应力遥测技术应用发展较为成熟,遥测系统应用较为广泛,最高测温达1450℃,精度可达±5℃。在高温测试方面,如欧洲的用于燃气涡轮发动机寿命优化、性能和状态监测的高温气动-热精确测量(HEATTOP)计划,专门研究航空发动机高温燃气和热端部件测量问题;此外,还开发了非接触红外光纤温度计测温系统以及黑体蓝宝石/氧化锆光纤温度计测温系统,并应用激光进行高温燃烧产物温度和浓度的测量技术。总体而言,欧美国家在测试基础研究、先进传感器研究、先进测试方法和设备研究、测试保障体系建设等方面有较为坚实的基础和丰富的经验,虚拟化和数字化试验测试技术已得到充分发展,网络化、智能化测试和诊断技术迅速发展,非接触光学测试技术已有广泛应用,基本解决了航空发动机复杂内流测试、高温环境气动热力参数测试、高速转子叶片动应力测试、排气污染检测等难题,为发动机重要特性评估提供数据支撑和技术支持。
国内常规的发动机测试技术已比较成熟,建立了相应的测试技术体系,形成了相关规范和标准,实现了发动机研制过程中基本性能参数可测和测得准确,具备了整机和零部件试验的测试保障能力;结构强度参数测试方面,近年来发展了非接触测振、高温应变测试、高温叶尖间隙测试技术,但缺少自主研发和极端环境下的准确可靠测量设备;在发动机气动/热力参数测试方面,发展了红外测温、晶体测温、非标高温热电偶测温等高温热端部件测试应用技术;压力敏感涂料(PSP)、温度敏感涂料(TSP)、 粒子图像测速PIV)等光学测试技术在叶栅风洞、叶轮机低速环境、粒子分离器及燃油喷嘴中开展了较多的工程应用。
经过60多年的努力,我国航空发动机测试能力有了长足发展,但从发动机的发展需求来看仍面临以下问题和挑战。
一是发动机内部复杂流动的精细化测试能力不足。目前,国内中小型航空发动机级间参数测试参数较少,叶型探针设计和加工能力有待提高;转子部件温度实时监测仍存在一定困难,晶体测温技术应用较少;高温测试技术急需突破,热流测试技术、高温动态温度测试仍需开展工程应用研究,复合材料的高温测试技术还有待进一步发展。
二是测试校准体系不健全。国内校准能力不能完全满足实际工作需求,部分校准装置老化严重,技术指标落后于型号需求,如高温气体流量计校准等。
三是早期故障预警能力较差。对于轴承故障、封严装置磨损、齿轮故障的实时监测及故障预判能力较弱;燃烧室、涡轮等高温部件的烧蚀无法开展实时监测;发动机喘振和失速等报警及预警目前仍主要依靠人工判断。
四是试验数据信息化管理与试验数据挖掘技术有待提高。目前,国内对于发动机长期性能衰减、整机试验数据分析等基本依靠人工分析。试验数据的实时智能处理与分析能力不强,对试验过程中的参数异常情况报警能力不足。
五是部分测试设备仍需依赖进口。一些常用的测试设备还需依赖进口,如压力扫描阀、温度扫描阀、高精度动态传感器等,国内相应测试设备的测量精度、稳定性和可靠性仍存在一定差距。近年来,温特纳等一批专注流场测控的企业逐步加大研发投入,研发的温特纳智能压力扫描阀、定制气动探针系列如五孔探针等产品在测量精度,材料耐用性、稳定性等方面丝毫不逊色于国外同类产品,并与国内主流航空研发所展开深度合作,赢得客户信赖。
未来航空发动机试验的发展趋势:试验技术近期发展要以型号需求为牵引,借鉴先进的试验理念,逐步完善发动机整机试验技术体系。一是进一步完善试验技术,如自动化试车控制技术、整机电磁兼容试验技术;二是突破复杂环境模拟、发动机生存能力、智能化试车等试验急需关键技术;三是开发并完善大功率涡轴、涡桨发动机试验设备;四是开展水蒸气模拟试验技术、温度畸变试验技术、整机振动试验技术、涡轴/涡桨发动机陀螺试验技术的深化研究。
试验技术远期发展需按国家相关标准、装备试验鉴定条例和适航条款要求全面考核,建立起支撑未来航空发动机发展需求的试验能力。一是特殊环境下的关键试验技术达到国际先进水平;二是建成发动机试验故障库和故障诊断知识库、试验设备仿真模型库;三是建成系统性强、规范健全、试验研究与鉴定手段完善的试验技术体系;四是实现智能试验和虚拟试验,建成发动机试验健康管理专家系统。