集成軟硬件的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)――Viper噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試臺(tái)

Author(s):
Marios Christodoulou - SCITEK Consultants Ltd (英國)
Jon Bates - SCITEK Consultants Ltd (英國)

Industry:
Aerospace/Avionics, ATE/Instrumentation

Products:
Data Acquisition, Real-Time, Software

The Challenge:
提供高成本效益的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試臺(tái)，可輕松安裝，并進(jìn)行各類新型航空傳感器技術(shù)測(cè)試。

The Solution:

創(chuàng)建真實(shí)測(cè)試環(huán)境，通過勞斯萊斯Viper 201噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)評(píng)估發(fā)展中的航空傳感器。我們選擇NI 的軟硬件作為儀器平臺(tái)，滿足各類項(xiàng)目中不斷變化的數(shù)據(jù)采集環(huán)境。

發(fā)動(dòng)機(jī)控制及儀器系統(tǒng)是基于NI硬件及LabVIEW軟件，能夠達(dá)到我們所需的精度、可靠性，并能夠在改變測(cè)試條件后快速重用。

SCITEK咨詢公司針對(duì)追求創(chuàng)新行業(yè)現(xiàn)有解決方案的高科技公司提供研發(fā)服務(wù)。我們致力于提供控制系統(tǒng)及測(cè)量儀器裝配解決方案的研發(fā)。在近期的業(yè)務(wù)拓展中，我們?cè)O(shè)計(jì)運(yùn)行了噴氣渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)裝置，可用于各類開發(fā)應(yīng)用。該裝置的典型應(yīng)用場(chǎng)合包括用于測(cè)量煤煙及NOx 的測(cè)試儀器、渦輪葉片葉尖間隙探針、高溫下的壓力測(cè)量、及開發(fā)高溫噪聲傳感器。

發(fā)動(dòng)機(jī)裝置在過去半年內(nèi)被廣泛用于評(píng)估及比較各類在惡劣及重復(fù)性環(huán)境下設(shè)計(jì)的新型傳感器。我們利用NI儀器平臺(tái)的多功能性，提供了全套設(shè)備支持測(cè)量。額外的儀器為用戶提供了有價(jià)值的信息，有助于評(píng)估測(cè)試結(jié)果。

圖1. Viper 測(cè)試臺(tái)

引擎裝置被用于評(píng)估多個(gè)不同公司的創(chuàng)新型噪聲傳感器。高溫度環(huán)境中，將傳感器安裝于靠近或直接安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪機(jī)圓盤上，評(píng)估各種技術(shù)的精度及耐久性。光學(xué)噪聲傳感器與傳統(tǒng)低頻探針傳感器的比較結(jié)果在圖2 中顯示。

圖2. 三個(gè)傳感器對(duì)噴氣管道噪聲的測(cè)量。葉片穿越的色調(diào)清晰可見，但其它色調(diào)各異，表明了不同傳感器的特性

比較結(jié)果說明，葉片旋轉(zhuǎn)頻率及相關(guān)諧波取決于發(fā)動(dòng)機(jī)速度。三幅圖比較得出的特征差異，在實(shí)驗(yàn)室過于理想的測(cè)試環(huán)境下很難得到。

噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)裝置提供真實(shí)的運(yùn)行環(huán)境，能夠表現(xiàn)出傳感器性能及缺點(diǎn)。在測(cè)試傳感器主要功能時(shí)，可設(shè)置不同溫度、壓力、振動(dòng)或其它影響，這在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下仿真是很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)的。SCITEK 的Viper測(cè)試臺(tái)是真實(shí)的測(cè)試環(huán)境，能夠?qū)夹g(shù)提出早期指示信息，如有望早期介入服務(wù)或需要大力發(fā)展。

噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試臺(tái)的另一個(gè)應(yīng)用案例是開發(fā)傳感器測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)后蓋中渦輪葉片葉尖與輪蓋密封圈的間隙。縮小葉尖的間隙在減少能量損失、提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率上是非常關(guān)鍵的。盡管我們知道由于建模中復(fù)雜幾何特性及材料屬性，在大多數(shù)情況下間隙不可能達(dá)到最優(yōu)。但如果能夠測(cè)量葉尖間隙，就有可能通過主動(dòng)控制的方法對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。

Viper發(fā)動(dòng)機(jī)中，固定傳感器在高達(dá)750 °C的溫度下每秒檢測(cè)超過26,000 次渦輪葉片。這樣的環(huán)境在現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作中已接近極限，所以Viper 可作為理想的測(cè)試臺(tái)。我們改進(jìn)了Viper 的密封圈，使其能夠使用不同維度的改良型探針，并能實(shí)現(xiàn)每個(gè)傳感器與參考傳感器協(xié)同的連續(xù)測(cè)試。

圖3. 改進(jìn)渦輪密封圈

葉間間隙探針測(cè)試結(jié)果在圖4 中顯示，表明了渦輪葉片與密封圈間隔隨發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境而改變。渦輪葉片葉尖間距是非常困難且現(xiàn)象復(fù)雜的研究，它對(duì)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的利用率有很大影響。

圖4. 3 個(gè)快速加速、減速循環(huán)中，葉尖間隙隨引擎速度變化而振動(dòng)

葉尖間距受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、溫度、壓力及材料熱傳導(dǎo)特征等影響，這些因素導(dǎo)致了在不同操作環(huán)境下的間隙變化，而精確測(cè)量是設(shè)計(jì)方案最優(yōu)化的關(guān)鍵。

結(jié)論

主要挑戰(zhàn)來自于建立一種裝置，在各種場(chǎng)合的應(yīng)用中安全、可靠，能得到高精度且有效的結(jié)果。選用勞斯萊斯公司的Viper 201 發(fā)動(dòng)機(jī)是因?yàn)樗軌蛑噩F(xiàn)真實(shí)測(cè)試條件，與現(xiàn)代大型噴氣渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)類似，同時(shí)又能便于改進(jìn)以適應(yīng)各類測(cè)試要求。

發(fā)動(dòng)機(jī)控制及儀器系統(tǒng)是基于NI 硬件及LabVIEW 軟件，能夠達(dá)到我們所需的精度、可靠性，并能夠在改變測(cè)試條件后快速重用。