航空發(fā)動(dòng)機(jī)零組件流量測(cè)試系統(tǒng)誤差控制研究

張萬(wàn)虎　張亞莉

摘要：為提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)零組件空氣流量測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性、控制和降低流量測(cè)試系統(tǒng)誤差，以某型發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪前內(nèi)噴嘴支承組件的測(cè)試為例，對(duì)空氣流量測(cè)試相關(guān)的氣源、設(shè)備、夾具等系統(tǒng)性因素進(jìn)行逐一分析和研究。研究結(jié)果表明：通過(guò)對(duì)氣源、設(shè)備、夾具進(jìn)行綜合控制，可以有效地控制和降低流量測(cè)試誤差。其中，應(yīng)對(duì)氣源進(jìn)行過(guò)濾、干燥，使測(cè)試氣體的雜質(zhì)顆粒直徑≤1μm，殘留油份含量≤1×10^-6，露點(diǎn)≤-2℃。設(shè)備測(cè)量誤差可依據(jù)推導(dǎo)出的測(cè)量誤差計(jì)算公式通過(guò)正確分配和選擇各測(cè)量器件的精度進(jìn)行控制。測(cè)試夾具應(yīng)考慮設(shè)計(jì)集氣腔和緩沖板，并使用恰當(dāng)?shù)拿芊夥椒ā?/p>

關(guān)鍵詞：航空器制造工藝；空氣流量測(cè)試；系統(tǒng)誤差控制；音速?lài)娮?；流量測(cè)試夾具

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2018）05-0137-05

0引言

對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的熱端零部件如渦輪葉片、高壓渦輪機(jī)匣等來(lái)說(shuō)，為了增強(qiáng)其承受高溫的能力，除了使用更高耐熱性能的基體材料、熱障涂層外，同時(shí)需要引入氣流進(jìn)行冷卻。為了實(shí)現(xiàn)飛行過(guò)程中對(duì)冷卻氣流大小的精確控制，這些零組件往往在裝配之前就需要按照一定條件進(jìn)行空氣流量測(cè)試，用以對(duì)氣流通道的通流能力進(jìn)行檢測(cè)。目前，用于測(cè)量空氣流量的儀器主要有熱式流量傳感器、標(biāo)準(zhǔn)孔板和臨界流文丘里噴嘴等類(lèi)型。其中，臨界流文丘里噴嘴（也稱(chēng)音速?lài)娮欤┮蚱渚哂芯雀?、重?fù)性好、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在空氣流量計(jì)量和控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

一般來(lái)說(shuō)，零件在進(jìn)行空氣流量測(cè)試后還應(yīng)對(duì)不合格的氣流通道進(jìn)行返工或返修，流量測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性直接影響著零件的后續(xù)加工量。因此，應(yīng)當(dāng)盡可能地控制和降低整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差，從根本上保證測(cè)試的準(zhǔn)確性和有效性。為此，學(xué)者們也開(kāi)展了相關(guān)研究工作。Lima等和Chahine等研究了相對(duì)濕度對(duì)音速?lài)娮鞙y(cè)量流量準(zhǔn)確性的影響：李普良等對(duì)音速?lài)娮鞙y(cè)量質(zhì)量流量w時(shí)的誤差大小進(jìn)行了分析研究。然而，關(guān)于空氣流量測(cè)試系統(tǒng)誤差的具體控制方法與具體控制條件則在國(guó)內(nèi)外的研究中較為少見(jiàn)。鑒于此，本文以GE航空LEAP系列某型發(fā)動(dòng)機(jī)中的高壓渦輪前內(nèi)噴嘴支承組件的測(cè)試為例，對(duì)基于臨界流文丘里噴嘴測(cè)量空氣流量相關(guān)的氣源、設(shè)備、夾具等系統(tǒng)性因素進(jìn)行逐一分析，并給出了控制和降低測(cè)量系統(tǒng)誤差的具體方法與控制條件，對(duì)工程實(shí)際應(yīng)用有一定指導(dǎo)作用。

1臨界流文丘里噴嘴測(cè)量流量的原理與零件技術(shù)要求

典型的音速?lài)娮斓男螤罱Y(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)噴嘴喉部氣體達(dá)到臨界流狀態(tài)（速度達(dá)到當(dāng)?shù)匾羲伲r(shí)，通過(guò)臨界流文丘里噴嘴的空氣流量w為

（1）式中：P₁——噴嘴進(jìn)口的壓力；

A——噴嘴的喉部面積：

C^*——?dú)怏w的臨界流函數(shù)：

C_d——流出系數(shù)；

g_c——單位轉(zhuǎn)換常數(shù)；

R——?dú)怏w常數(shù)：

T₁——噴嘴進(jìn)口的溫度。

由式（1）可以看出，在臨界流狀態(tài)下通過(guò)音速?lài)娮斓牧髁颗c噴嘴進(jìn)口處壓力成正比，而與下游氣體狀態(tài)無(wú)關(guān)。因而，只需對(duì)音速?lài)娮焐嫌蔚臍怏w狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)即可計(jì)算得出通過(guò)噴嘴的氣流流量大小。

本測(cè)試需對(duì)某型高壓渦輪前內(nèi)噴嘴支承組件的鑄造成形的一組氣流通道進(jìn)行空氣流量測(cè)試，測(cè)試技術(shù)條件為：在零件入口與出口壓力比R_P=1.63的條件下測(cè)量氣流通道的有效面積A_e，合格范圍為0.7500_-0.0037^+0.0187；in²（1 in=25.4 mm）；測(cè)試設(shè)備的測(cè)量精度應(yīng)達(dá)到零件測(cè)試誤差范圍的1/8，即±0.186%。

測(cè)試使用的流量測(cè)試設(shè)備為美國(guó)Flow svstems公司的High Flow Test Stand設(shè)備，該設(shè)備是一款基于臨界流文丘里噴嘴測(cè)量流量的設(shè)備。零件在進(jìn)行空氣流量測(cè)試時(shí)，整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的排布如圖2所示。從氣源引出的氣流依次經(jīng)過(guò)設(shè)備（音速?lài)娮欤A具、零件，最后排人大氣環(huán)境中。在具有良好密封的條件下，當(dāng)氣流在規(guī)定條件下達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，根據(jù)連續(xù)性原理，測(cè)量通過(guò)音速?lài)娮斓目諝饬髁?，即可得通過(guò)零件的空氣流量大小。為了保證整個(gè)測(cè)試過(guò)程中供氣充足，采用了總?cè)萘?m³的儲(chǔ)氣罐。測(cè)試用的音速?lài)娮斓暮聿恐睆綖?8 mm。

2測(cè)量系統(tǒng)誤差來(lái)源及控制

零件的空氣流量測(cè)試主要依賴(lài)于氣源、設(shè)備、夾具等因素，這些同時(shí)也是造成系統(tǒng)測(cè)量誤差的主要原因。

2.1氣源

考慮到成本，流量測(cè)試介質(zhì)一般選取壓縮空氣。由于空壓機(jī)直接產(chǎn)生的壓縮空氣中含有大量的水分和雜質(zhì)顆粒，為了使噴嘴保持優(yōu)異的工作性能及提高測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要預(yù)先通過(guò)過(guò)濾器將空氣中的雜質(zhì)顆粒、水分、油霧等進(jìn)行過(guò)濾分離。一般來(lái)說(shuō)，測(cè)試空氣中的雜質(zhì)顆粒直徑不應(yīng)大于1μm，殘留油份含量不應(yīng)大于1×10^-6。即使經(jīng)過(guò)了過(guò)濾，空氣中仍然會(huì)有一定水分存在，它們會(huì)造成空氣的純度降低，從而對(duì)流函數(shù)C^*值產(chǎn)生影響。Aschenbrenner定量研究了空氣濕度對(duì)C^*的影響，結(jié)果表明95%的相對(duì)濕度造成C^*的變化小于0.02%。可見(jiàn)，空氣濕度雖然會(huì)影響流量測(cè)試結(jié)果，但影響效果非常有限。雖然如此，對(duì)于高精度的空氣流量測(cè)試來(lái)說(shuō)，一般仍需將過(guò)濾后的空氣再利用空氣干燥機(jī)進(jìn)一步提高干燥度，使露點(diǎn)達(dá)到-2℃以下，以盡可能地降低由于氣源產(chǎn)生的測(cè)量誤差。

2.2測(cè)試設(shè)備

對(duì)于測(cè)試設(shè)備來(lái)說(shuō)，誤差主要來(lái)源于音速?lài)娮臁毫y(cè)量系統(tǒng)、溫度測(cè)量系統(tǒng)等測(cè)量器具的測(cè)量誤差。為了定量表示測(cè)試設(shè)備測(cè)量誤差的大小，進(jìn)行了如下的誤差傳遞分析。

雖然式（1）中右邊的各物理量并非完全獨(dú)立，如C^*為P₁和T₁的函數(shù)，C_d為A的函數(shù)。但是，在絕大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用中完全可以認(rèn)為它們是互相獨(dú)立的凹?；诖?，依據(jù)誤差傳遞數(shù)學(xué)理論，使用和方根法可由式（1）求得流量w的合成相對(duì)誤差為

式（2）中，由于A、g_c為常數(shù)，其相對(duì)誤差e_A、e_gc均為0。另外，測(cè)試使用的是經(jīng)過(guò)過(guò)濾、干燥的純凈空氣，R也可認(rèn)為是恒定常數(shù)，因此e_R≈0。文獻(xiàn)中列出了干燥空氣的C^*值，所得數(shù)據(jù)的不確定度為0.05%，因此取ec-=0.05%。由此，式（2）可寫(xiě)成

式（6）即為設(shè)備測(cè)量A。時(shí)的合成相對(duì)誤差計(jì)算公式。

由于客戶(hù)對(duì)設(shè)備的測(cè)量精度有明確要求，因此應(yīng)正確分配和選擇音速?lài)娮臁毫y(cè)量系統(tǒng)、溫度測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度，使e_Ae值滿(mǎn)足規(guī)定要求。根據(jù)誤差分配原則，為了減小e_AE值，應(yīng)首先設(shè)法降低影響（權(quán)重系數(shù)）較大的因子，即e_p和e_Cd。而考慮到降低e_Cd值的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他兩個(gè)物理量，且目前市場(chǎng)上可供選用的音速?lài)娮斓淖罡呔葹?.15%，為滿(mǎn)足技術(shù)要求，只能選擇此精度的音速?lài)娮靵?lái)完成該零件測(cè)試，即e_Cd=0.15%。在此基礎(chǔ)上，按照等精度原則對(duì)壓力測(cè)量系統(tǒng)和溫度測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行精度分配。代入各已確定的參數(shù)值由式（6）可得，e_T≈2e_p≈0.096%?；诖?，本測(cè)試選用了精度為0.04%的壓力測(cè)量系統(tǒng)和精度為0.5 °F的溫度測(cè)量系統(tǒng)（由于式（1）計(jì)算流量時(shí)采用的是蘭氏溫標(biāo)，因此在32～122 °F（0-50℃）的使用溫度下，0.5 °F對(duì)應(yīng)的最低精度為0.5/（32+459.67）=0.1%）。綜上，由精度0.15%的音速?lài)娮?、精?.04%的壓力測(cè)量系統(tǒng)和精度0.5 °F的溫度測(cè)量系統(tǒng)組成的測(cè)試設(shè)備可滿(mǎn)足該零件的流量測(cè)試要求。

2.3測(cè)試夾具

測(cè)試夾具是空氣流量測(cè)量系統(tǒng)誤差的重要來(lái)源。確保夾具準(zhǔn)確測(cè)得零件入口的氣體壓力，以及具有良好的密封保證測(cè)試過(guò)程中空氣基本完全流向測(cè)試通道是提高流量測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵所在。為此，夾具設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下3個(gè)方面。

1）設(shè)計(jì)集氣腔。集氣腔有一個(gè)顯著特點(diǎn)，其截面積遠(yuǎn)大于氣流傳輸管道的截面積（見(jiàn)圖3）。它能夠使通過(guò)管道進(jìn)入夾具的氣流速度顯著降低，達(dá)到一種相對(duì)靜滯狀態(tài)，從而為準(zhǔn)確測(cè)量零件入口的氣體總壓提供條件。這是因?yàn)椋瑲怏w總壓P_總=P_靜+P_動(dòng)=P_靜+1/2pv²，其中p為氣體密度，v為氣流速度。當(dāng)氣流速度越小時(shí)，靜壓越接近總壓。為了使得測(cè)量的靜壓能夠代表總壓，顯著降低測(cè)量誤差，一般應(yīng)使集氣腔中氣流速度與聲速之比小于0.02。由此，可根據(jù)流量計(jì)算公式w=pAv和氣體狀態(tài)方程PM=PRT（M為空氣的摩爾質(zhì)量），并代人常溫下（25℃）的各氣體性質(zhì)參數(shù)，求得集氣腔的最小截面積應(yīng)達(dá)到：

2）設(shè)計(jì)緩沖板。緩沖板的作用是使流經(jīng)集氣腔的空氣進(jìn)一步充分均勻地混合。緩沖板上通常設(shè)計(jì)有多個(gè)均布的通孔，其典型樣式如圖4所示。通孔的總面積占整個(gè)板面積的40%～60%為宜。通過(guò)緩沖板后氣體均勻一致地流向測(cè)試零件，從而有助于提高測(cè)試的準(zhǔn)確性。

3）保證優(yōu)異的密封。流量測(cè)試過(guò)程中，為了防止氣體發(fā)生泄露，應(yīng)對(duì)零件與夾具的接合面、零件上的非流量測(cè)試通道采取恰當(dāng)?shù)拿芊?。通常可使用橡膠材質(zhì)的墊圈、O型圈（見(jiàn)圖5），利用其在裝夾后產(chǎn)生的受壓變形來(lái)實(shí)現(xiàn)密封。針對(duì)零件上的孔，還可使用特制橡膠塞、鋁箔膠帶粘貼的方式密封。為了確認(rèn)密封效果，應(yīng)在每次流量測(cè)試前進(jìn)行泄露檢查。一般應(yīng)使整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的氣體泄露速率不超過(guò)零件規(guī)定流量下限的0.1%。

3零件流量測(cè)試結(jié)果

使用滿(mǎn)足上述條件的氣源、設(shè)備和夾具組成的空氣流量測(cè)試系統(tǒng)對(duì)零件進(jìn)行測(cè)試，并重復(fù)50次以求取平均值，每次測(cè)量前都將夾具拆卸掉并重新安裝。同時(shí)，在內(nèi)部完成測(cè)試后將該零件發(fā)往美國(guó)CTL實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行比對(duì)測(cè)量。兩家單位測(cè)試結(jié)果如表1所示。

4結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)影響空氣流量測(cè)試準(zhǔn)確性的氣源、設(shè)備和夾具等系統(tǒng)性因素進(jìn)行了逐一分析和研究，并得到了以下結(jié)論：

1）通過(guò)對(duì)氣源、設(shè)備、夾具進(jìn)行綜合控制，可以有效地控制和降低流量測(cè)試系統(tǒng)誤差。

2）流量測(cè)試應(yīng)選擇經(jīng)過(guò)過(guò)濾、干燥的氣源。一般應(yīng)使測(cè)試氣體的雜質(zhì)顆粒直徑≤1 μm，殘留油份含量≤1×10^-6，露點(diǎn)≤-2℃。

3）可利用音速?lài)娮鞙y(cè)量有效面積A_e的合成相對(duì)誤差計(jì)算公式對(duì)音速?lài)娮?、壓力測(cè)量系統(tǒng)、溫度測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度進(jìn)行正確分配和選擇。

4）設(shè)計(jì)空氣流量測(cè)試夾具時(shí)應(yīng)考慮設(shè)計(jì)集氣腔和緩沖板，并使用恰當(dāng)?shù)拿芊夥椒ā?/p>

（編輯：李妮）