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  摘要：發(fā)動機(jī)試驗(yàn)時，通常采用在進(jìn)氣道出口和發(fā)動機(jī)進(jìn)口之間加裝測量耙的方式，來測量截面的總靜壓參數(shù)，進(jìn)而獲得發(fā)動機(jī)進(jìn)口壓縮空氣流量?？紤]到附面層影響，采用新型附面層壓力組合測量耙進(jìn)行測量。同時，對獲取截面流場壓力的不同測量方案進(jìn)行了分析，并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了不同測量方案產(chǎn)生的誤差。結(jié)果表明：采用壓力組合測量耙能較為準(zhǔn)確地獲得發(fā)動機(jī)進(jìn)口壓縮空氣流量，并且采用壓差傳感器獲取截面流場壓力，能顯著減小發(fā)動機(jī)進(jìn)口壓縮空氣流量和附面層的測量誤差。

1、引言

進(jìn)氣道與發(fā)動機(jī)的相容性是全面評價飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的重要考核指標(biāo)。進(jìn)氣道與發(fā)動機(jī)相容性試驗(yàn)中，壓縮空氣流量是重要的測量參數(shù)。在發(fā)動機(jī)性能試驗(yàn)中，推力的測量尤為重要，而壓縮空氣流量是推力測量中的重要測量參數(shù)。因此，獲取發(fā)動機(jī)壓縮空氣流量是發(fā)動機(jī)試驗(yàn)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，對航空發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)有著重要的意義。

測試過程中，合理、巧妙地規(guī)劃測量方案能有效減小測量誤差。在飛行試驗(yàn)時，一般在進(jìn)氣道出口與發(fā)動機(jī)進(jìn)口之間的過渡段加裝測量耙，測量截面的流場信息，獲取發(fā)動機(jī)進(jìn)口的壓縮空氣流量。國外對發(fā)動機(jī)壓縮空氣流量測量和計(jì)算的研究較早，積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，測試技術(shù)和理論比較*，且在發(fā)動機(jī)氣路壓力測量方面，美國對測量耙及受感部的設(shè)計(jì)和誤差分析制定了詳細(xì)標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)對發(fā)動機(jī)壓縮空氣流量的測量和計(jì)算，也進(jìn)行過工程研究及應(yīng)用，中國燃?xì)鉁u輪研究院在發(fā)動機(jī)氣路壓力測量耙和受感部的設(shè)計(jì)及誤差分析方面進(jìn)行了詳細(xì)研究，中國飛行試驗(yàn)研究院在發(fā)動機(jī)試飛中也進(jìn)行了壓縮空氣流量測量，并取得一定成果。

在截面流場測量中，壓力的測量比較關(guān)鍵，不同的測量方式會導(dǎo)致結(jié)果存在較大差異，目前主要采用絕壓傳感器和壓差傳感器進(jìn)行測量。本文在測量發(fā)動機(jī)進(jìn)口壓縮空氣流量時，采用一種附面層壓力組合測量耙，結(jié)合發(fā)動機(jī)試驗(yàn)結(jié)果，通過計(jì)算獲得壓縮空氣流量，并對分別采用絕壓傳感器和壓差傳感器測量壓力時的誤差進(jìn)行了分析。

2、測量方案

氣體在進(jìn)氣道內(nèi)的流動區(qū)域，可分為不受粘性影響的主流區(qū)域和受粘性影響的附面層區(qū)域。主流區(qū)參數(shù)的測量容易實(shí)現(xiàn)，且方法多樣。附面層區(qū)域由于受粘性影響，其測量在工程上一直較為困難。我國在附面層測量和計(jì)算方面，雖然進(jìn)行過實(shí)際的工程研究及應(yīng)用，但工程經(jīng)驗(yàn)仍較為缺乏，測量方法也較傳統(tǒng)，測量結(jié)果誤差較大。在進(jìn)行某型發(fā)動機(jī)試驗(yàn)時，針對流場主流區(qū)和附面層的流動特點(diǎn)，在以往測量耙的研制和工程應(yīng)用基礎(chǔ)上，結(jié)合附面層測量耙，設(shè)計(jì)了一種既能測量主流區(qū)流場信息，又能獲取附面層流場信息的組合測量耙，如圖1所示。測量耙前端4支受感部為測量主流區(qū)流場信息的皮托管總靜壓受感部，靠近根部的10支受感部為測量附面層總壓的受感部。

試驗(yàn)時，測量耙加裝在進(jìn)氣道出口和發(fā)動機(jī)進(jìn)口之間的過渡段，該截面共加裝6支壓力耙，其中3支為附面層壓力組合測量耙，3支為無附面層測點(diǎn)的壓力測量耙（靠近根部的皮托管測點(diǎn)位于附面層內(nèi)）；同時加裝了3支溫度耙，沿測量截面周向均勻分布。測量耙安裝及測點(diǎn)分布如圖2所示。

在壓縮空氣流量計(jì)量、計(jì)算中，測量截面的總壓、靜壓至關(guān)重要。由于壓力測量方式多樣，下面從傳感器選擇角度對壓力測量方式進(jìn)行研究，分別采用絕壓傳感器和壓差傳感器兩種測量方案，對主流區(qū)和附面層的壓力進(jìn)行測量。

測量方案一：直接采用絕壓傳感器測量主流區(qū)總壓、靜壓及附面層總壓。

測量方案二：采用直接測試總靜壓差的方法，

即主流區(qū)的壓力分別采用絕壓傳感器和壓差傳感器測量，附面層總壓則采用壓差傳感器間接測量。

測量時以艙壓為基準(zhǔn)壓力，為防止氣流擾動，艙壓傳感器放置在發(fā)動機(jī)艙中固定鐵盒內(nèi)。試驗(yàn)用壓差傳感器及絕壓傳感器的精度均為0．5％，測量方式如圖3、圖4所示。

由于截面流場壓力采用了不同的測量方式，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)進(jìn)口壓縮空氣流量、附面層及其誤差的計(jì)算存在差異。

3、壓縮空氣流量計(jì)算及誤差合成

3.1方案一計(jì)算方法

壓縮空氣流量G:

G=f（p,p,δ,R,T）

式中:P、P分別為皮托管所測總壓和靜壓，R為測量截面半徑，T為測量截面總溫。

附面層位移厚度δ:

δ=f（pf,ppf,ppfs,T）

式中:Pf為附面層受感部所測總壓，Ppf、Ppfs分別為皮托管所測附面層總壓和靜壓。

誤差:

式中:各變量的偏導(dǎo)數(shù)即為其相應(yīng)的敏感系數(shù)。

3.2方案二計(jì)算方法

壓縮空氣流量:

G=f（p,pd,δ,R，T）

式中:Pd為皮托管測總靜壓差。

附面層位移厚度:

δ=f（Pc,△Pfi,Ppf,Ppfd,T）

式中:Pc為艙壓，△Pfi為以艙壓為基準(zhǔn)壓力的附面層總靜壓差，Ppfd為皮托管測附面層總靜壓差。

誤差：

4、試驗(yàn)結(jié)果

4.1壓縮空氣流量

取發(fā)動機(jī)在臺架上測量的壓縮空氣流量值為。選取發(fā)動機(jī)地面穩(wěn)定工作狀態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算發(fā)動機(jī)壓縮空氣流量，結(jié)果見表1?？梢?，發(fā)動機(jī)在地面的壓縮空氣流量測量值與臺架測量值的相對誤差基本上在2%以內(nèi)，差值較小，所以該壓縮空氣流量測量方案合理可行。

4.2附面層位移厚度

取測試截面半徑為。選取發(fā)動機(jī)地面穩(wěn)定工作狀態(tài)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算附面層位移厚度，結(jié)果見表2?？梢?，附面層位移厚度隨著發(fā)動機(jī)狀態(tài)的增大，先減小后增大。

5、誤差分析

5.1壓縮空氣流量

選取試驗(yàn)發(fā)動機(jī)風(fēng)扇相對換算轉(zhuǎn)速時的數(shù)據(jù)，對方案一和方案二進(jìn)行對比分析。兩種測量方案的各測量參數(shù)的敏感系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表3所示?？梢?，影響壓縮空氣流量誤差的主要參數(shù)，方案一中為皮托管所測靜壓及總壓的敏感系數(shù)，方案二中為皮托管所測總靜壓差及總壓的敏感系數(shù)。但根據(jù)表中計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合誤差理論可知，皮托管所測總壓的敏感系數(shù)對誤差結(jié)果的影響更大。

根據(jù)誤差計(jì)算公式為自由度的函數(shù)，S為隨機(jī)誤差指標(biāo)，采用方案一時，發(fā)動機(jī)進(jìn)口壓縮空氣流量的誤差UG1=4.3％，采用方案二時，發(fā)動機(jī)進(jìn)口壓縮空氣流量的誤差UG2=0.8％?？梢?，采用方案二可顯著減小測量誤差。

5．2附面層位移厚度

由于附面層總壓測點(diǎn)之間的差值較小，采用大量程的絕壓傳感器測量誤差太大，甚至出現(xiàn)使發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)狀態(tài)以下狀態(tài)的附面層總壓梯度消失現(xiàn)象。

因此采用小量程的壓差傳感器，并以艙壓為基準(zhǔn)，間接測量附面層總壓。該方法可測量附面層總壓之間的梯度，減少測量誤差。

選取發(fā)動機(jī)風(fēng)扇相對換算轉(zhuǎn)速100％時的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。兩種測量方案時各測試參數(shù)的敏感系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表4所示。從表中可看出，影響附面層位移厚度測量誤差的主要參數(shù)，方案一中為附面層受感部所測總壓及皮托管所測附面層靜壓的敏感系數(shù)，方案二中為艙壓及皮托管所測附面層總靜壓差的敏感系數(shù)。根據(jù)誤差計(jì)算公式，附面層受感部所測總壓的敏感系數(shù)，對位移厚度的測量誤差具有累加效應(yīng)，結(jié)合表中各敏感系數(shù)計(jì)算結(jié)果可知，該值對測量誤差大小存在顯著影響。

采用方案一時，附面層位移厚度的測量誤差Uδ1=29.9％，采用方案二時，附面層位移厚度的測量誤差Uδ2=18.4％?？梢?，采用方案二可顯著減小測量誤差。

6、結(jié)束語

本文在測量發(fā)動機(jī)進(jìn)口壓縮空氣流量時，考慮到附面層的影響，采用了一種測量壓縮空氣流量和附面層壓力的組合耙，并對使用組合測量耙時發(fā)動機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，表明采用該型壓力組合測量耙能夠較為準(zhǔn)確地獲得發(fā)動機(jī)進(jìn)口壓縮空氣流量。同時，在獲取截面流場壓力時，考慮了傳感器選擇對測量結(jié)果的影響，并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對采用絕壓傳感器和壓差傳感器所得的壓縮空氣流量及附面層參數(shù)的測量誤差進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明，采用壓差傳感器測量壓力，能顯著、有效地減小壓縮空氣流量和附面層的測量誤差，提高試驗(yàn)精度。