CN102053017A - 一种发动机室内试车台气流场测试方法及*** - Google Patents

Abstract

一种发动机室内试车台气流场测试方法，在封闭式的发动机试车台试验过程中，针对进气冲量、迎风阻力和发动机喷口范围，建立下述的气动参数的修正方法：F-F_cl＝ΔF_r+ΔF_n+ΔF_p。一种发动机室内试车台气流场测试***，包含下述组成：数据采集模块(1)、压力扫描阀(2)、差压传感器(3)、测试用皮托管(4)；其中：压力扫描阀(2)、差压传感器(3)分别连接着数据采集模块(1)，测试用皮托管(4)分别通过压力扫描阀(2)、差压传感器(3)连接着数据采集模块(1)。本发明能准确获取发动机在室内试车台架气动冲量推力修正的数据，通过数据对比分析，给出台架校准推力修正系数，解决发动机台架校准问题，保证台架试车需求，其带来的经济效益是巨大的。

Description

一种发动机室内试车台气流场测试方法及***

技术领域：

本发明涉及发动机试车气流场测试方法及***，特别提供了一种发动机室内试车台气流场测试方法及***

背景技术：

现有技术中，发动机在室内试车台上试车时，由于气流通过试车台进气***时有压力损失，并且对发动机有一定的迎面速度，产生进气冲压，使试车台试车时发动机的地面静止条件未得到满足：外流沿发动机长度的静压变化及摩擦阻力会引起测量推力损失，试车台排气***造成的尾喷口处环境静压降也会引起测量推力损失。目前国内各型号发动机因尚无标准露天台，台架推力校准只是通过交叉校准进行，然后给出台架推力修正系数。因此，研究发动机试车间内的气流场状况，分析台架推力损失原因，进而为试车台推力测量***提供准确的参数修正数据是非常必要的。

人们渴望获得一种技术效果更好的发动机室内试车台气流场测试方法及***。

发明内容：

本发明的目的是提供一种技术效果更好的发动机室内试车台气流场测试方法及***。

本发明提供了一种发动机室内试车台气流场测试方法，其特征在于：在封闭式的发动机试车台试验过程中，针对进气冲量、迎风阻力和发动机喷口范围，建立下述的气动参数的修正方法：F-F_cl＝ΔF_r+ΔF_n+ΔF_p；式中：ΔF_r为进气冲量修正值，ΔF_n为迎风阻力修正值，ΔF_p为喷口范围负压引起的修正值。

本发明所述发动机室内试车台气流场测试方法还包含下述内容：

所述发动机室内试车台气流场测试方法满足下述要求：

其一：所述进气冲量修正值ΔF_r满足下述要求：ΔF_r＝F_BYL-F_BY＝W_A1×V_B；上式中：F_BYL为无进气冲量条件下发动机进气装置的推力，F_BY为发动机在封闭式试车台中进气冲量W_A1×V_B≠0条件下试验时进气装置的力(轴向力)，其中：W_A1为流经发动机的空气流量，V_B为试车间发动机前的气流速度；

其二：所述迎风阻力修正值ΔF_n满足下述要求：单个部件的迎风阻力按照以下关系式计算： $\mathrm{\Δ}{F}_{\mathrm{ni}}=C_x{A}_{\mathrm{mi}}\×\frac{\mathrm{\ρ}{V}_n^2}{2};$ 式中：C_x为被研究部件的迎风阻力系数，该值取决于迎风部件的形状和雷诺数 $R_c=\frac{\mathrm{\ρ}{V}_n{d}_m}{\mathrm{\μ}},$ 式中d_m为部件中部截面或直径；μ为气动粘性系数；A_mi为计算的投影面积；ρ为空气密度；V_n为部件迎风的气流速度，通过实验测得；

总修正值ΔF_n＝∑ΔF_mi，即所有与动架有关部件的迎风阻力的总和；

其三，所述喷口范围负压引起的修正值ΔF_p满足下述要求：调整ΔF_p使其满足ΔF_p等于零；或者通过测量喷口与试车间壁面压差计算出修正值；

由于引射气流的影响，喷口对发动机测量推力产生影响，可以通过调整喷口与排气筒距离的方法，消除喷口负压的影响，即通过选取喷口截面积与引射管距离L_c的方法使ΔF_p等于零。如果影响不能消除，通过测量喷口与试车间壁面压差计算出修正值。

本发明还要求保护用于支持上述发动机室内试车台气流场测试方法的一种发动机室内试车台气流场测试***，其特征在于：所述发动机室内试车台气流场测试***包含有下述组成部分：数据采集模块1、压力扫描阀2、差压传感器3、测试用皮托管4；其中：压力扫描阀2、差压传感器3分别连接着数据采集模块1，测试用皮托管4分别通过压力扫描阀2、差压传感器3连接着数据采集模块1。

本发明所述发动机室内试车台气流场测试***还包含下述优选内容：

所述发动机室内试车台气流场测试***中还包含有控制器5、路由器6；路由器6分别连接着控制器5、数据采集模块1、压力扫描阀2。

所述发动机室内试车台气流场测试***中还包含有风速传感器7，其与数据采集模块1连接；

所述发动机室内试车台气流场测试***中所使用的数据采集模块1具体为PXI采集***；控制器5具体是计算机；压力扫描阀2具体有并联的两个，布置在路由器6和测试用皮托管4之间。

相对于现有技术而言，本发明

经济效益：该测试为发动机在室内试车台架气动冲量推力修正的准确获取提供有力数据，某种程度上可以替代校准发动机。按照一台校准发动机计算，可创造效益达3000万元。

社会效益：该测试***可以检测新建台架或改造台架气流场情况，为发动机在室内试车获取准确的推力值提供依据。适用于所有试车台架，建立该测试***，提高发动机试车技术水平对后续台架建设科研水平的提高有极大的促进作用。

该测试能准确获取发动机在室内试车台架气动冲量推力修正的数据，通过数据对比分析，给出台架校准推力修正系数，解决发动机台架校准问题，保证台架试车需求，其带来的经济效益是巨大的。

附图说明：

图1为试车间示意图；

图2为总压探针及风速计布置图；

图3为进排气压差测点分布图；

图4为发动机负压测试点布置图；

图5为迎风速度测试传感器布置图；

图6为采集***框图；

图7为PXI***；

图8为压力扫描阀参考端的接法；

图9为风速计校准数据；

图10为测试布点架子示意图；

图11为12号试车台测量点分布；

图12为15号试车台测量点分布；

图13为8号试车台测量点分布；

图14为差压测量示意图；

图15为气动参数修正测量布点图；

图16为12号台全加力状况速度场云图；

图17为15号台全加力状况速度场云图；

图18为8号台全加力状况速度场云图。

具体实施方式：

实施例1

一种发动机室内试车台气流场测试方法，在封闭式的发动机试车台试验过程中，针对进气冲量、迎风阻力和发动机喷口范围，建立下述的气动参数的修正方法：F-F_cl＝ΔF_r+ΔF_n+ΔF_p；式中：ΔF_r为进气冲量修正值，ΔF_n为迎风阻力修正值，ΔF_p为喷口范围负压引起的修正值。

本实施例所述发动机室内试车台气流场测试方法还包含下述内容：

所述发动机室内试车台气流场测试方法满足下述要求：

其一：所述进气冲量修正值ΔF_r满足下述要求：ΔF_r＝F_BYL-F_BY＝W_A1×V_B；上式中：F_BYL为无进气冲量条件下发动机进气装置的推力(露天台)，F_BY为发动机在封闭式试车台中进气冲量W_A1×V_B≠0条件下试验时进气装置的力(轴向力)，其中：W_A1为流经发动机的空气流量，V_B为试车间发动机前的气流速度；

其二：所述迎风阻力修正值ΔF_n满足下述要求：单个部件的迎风阻力按照以下关系式计算： $\mathrm{\Δ}{F}_{\mathrm{ni}}=C_x{A}_{\mathrm{mi}}\×\frac{\mathrm{\ρ}{V}_n^2}{2};$ 式中：C_x为被研究部件的迎风阻力系数，该值取决于迎风部件的形状和雷诺数 $R_c=\frac{\mathrm{\ρ}{V}_n{d}_m}{\mathrm{\μ}},$ 式中d_m为部件中部截面或直径；μ为气动粘性系数；A_mi为计算的投影面积；ρ为空气密度；V_n为部件迎风的气流速度，通过实验测得；

总修正值ΔF_n＝∑ΔF_mi，即所有与动架有关部件的迎风阻力的总和；

其三，所述喷口范围负压引起的修正值ΔF_p满足下述要求：调整ΔF_p使其满足ΔF_p等于零；或者通过测量喷口与试车间壁面压差计算出修正值；

由于引射气流的影响，喷口对发动机测量推力产生影响，可以通过调整喷口与排气筒距离的方法，消除喷口负压的影响，即通过选取喷口截面积与引射管距离L_c的方法使ΔF_p等于零。如果影响不能消除，通过测量喷口与试车间壁面压差计算出修正值。

本实施例还包含有用于支持上述发动机室内试车台气流场测试方法的一种发动机室内试车台气流场测试***。所述发动机室内试车台气流场测试***包含有下述组成部分：数据采集模块1、压力扫描阀2、差压传感器3、测试用皮托管4；其中：压力扫描阀2、差压传感器3分别连接着数据采集模块1，测试用皮托管4分别通过压力扫描阀2、差压传感器3连接着数据采集模块1。

所述发动机室内试车台气流场测试***还包含下述内容：

所述发动机室内试车台气流场测试***中还包含有控制器5、路由器6；路由器6分别连接着控制器5、数据采集模块1、压力扫描阀2。

所述发动机室内试车台气流场测试***中还包含有风速传感器7，其与数据采集模块1连接；

所述发动机室内试车台气流场测试***中所使用的数据采集模块1具体为PXI采集***；控制器5具体是计算机；压力扫描阀2具体有并联的两个，布置在路由器6和测试用皮托管4之间。

本实施例其他相关问题说明：

1、依据技术文件：

1)HBJ11-98，航空发动机试车台设计规程；

2)GJB 721-89，涡喷涡扇发动机试车台校准规范；

3)《对SARI A-109地面试车台进行标定的实验准备综合结论报告》。

2、测试项目及指标

1)试车间进气压力降测试。检查试车间进气压力降应是否不大于500Pa；

2)试车间进气流场分布测试。检查试车间内的空气平均流速是否大于10m/s；

3)发动机进气截面和排气截面间的静压差测量。检查试车间内发动机进气截面与发动机排气截面的静压差是否大于100Pa；

4)试车间燃气回流测试。检查发动机试车间排气***是否有回流；

5)部件迎风的气流速度测试；

6)发动机排气截面径向流场测试；

7)发动机进气口总温测试。

3、测试方法

1)测试状态：

对第三大项中的测试项目，需要在发动机以下四个状态中进行：慢车状态、高压换算转速90％状态、最大状态和全加力状态。在试车试验中，当发动机到达设定状态3分钟后开始进行数据采集。

2)试车间进气压力降测试：

在距发动机进气口前方(见图1的A-A截面)，布置17支总压管，总压管布置图见图2。通过多通道压力扫描阀测量总压管总压P_t，与试车间所处的大气压力P相减，求出各点的压力降，从而计算出试车间的压力降。测试时，每只总压管记录的数据不少于6次，每次间隔为2秒。为了能更好的测试出发动机前不同位置的进气压力降，方案拟采用可移动支架，在距发动机进气口前方3米、6米及9米处分别测量试车间进气压力降。

3)试车间进气流场分布测试：

在距发动机进气口前方(见图1的A-A截面)，布置了25支流速传感器。流速传感器布置图见图2。通过多通道数据采集器采集流速传感器的输出，得到各点的流速，得到试车间流速分布。测试时，每只风速计记录的数据不少于6次，每次间隔为2秒。考虑到试车间的流速最大不超过15m/s，因此选用热膜式风速计进行流速测量。为了能更好的测试出发动机前不同位置的气流场分布，方案拟采用可移动支架，在距发动机进气口前方3米、6米及9米处分别测量试车间气流场分布。

4)发动机进气截面和排气截面间的静压差测量：

依据航标GBJ11-98中A.4.2条规定，在位于发动机进排气截面与两侧墙壁的中间位置，高度与发动机中心标高相同的高度上安装静压测量点，测量发动机进排气截面的静压差，静压测量采用引压管和微差压传感器。发动机静压差测点布置图见图3。测量采用微差压压力传感器，P₁₁和P₂₁为一组，P₁₁接入差压传感器高压端，P₂₁接入差压传感器低压端。P₁₂和P₂₂为一组，P₁₂接入差压传感器高压端，P₂₂接入差压传感器低压端。测试时，每只压差传感器记录的数据不少于6次，每次间隔为2秒。

由于试车间房间结构有收口，如图3所示，为了能够更好的分析发动机周围的流场，需要增加检测点。发动机与两侧墙壁的拐点位置，高度与发动机中心标高相同的高度上安装静压测量点，测量该点与排气截面的静压差，即测量P32与P22点静压差；在拐点与发动机排气截面的中间位置，高度与发动机中心标高相同的高度上安装静压测量点，即测量P42与P22点静压差。

由于引射气流的影响，喷口对发动机测量推力产生影响。为了更好的监测发动机喷口处的流场情况，在发动机喷口与试车间地面间布置两支总压传感器，布点位置见图4。图中，测量1和2点间的静压差，来判断喷口是否有负压。

5)燃气回流测试：在排气口与排气引射筒之间沿试车间截面上方和侧面安装一根钢丝(见图3)，在钢丝上系上布条，在实验中用摄像机观察气流回流情况。

6)部件迎风的气流速度测试：为了评估推力***和发动机架的迎风阻力，在图1的E-E截面设计了3支热膜流速传感器进行迎风速度测量。传感器布置见图5，V₁、V₂、V₃点为流速传感器布置点。测试时，每只速度传感器记录的数据不少于6次，每次间隔为2秒。

7)发动机排气截面径向流场测试：为了分析发动机喷口处流场情况，考虑测试的可行性，测试时，在发动机喷口与墙壁之间布置4支皮托管流速传感器，通过测量总压与静压，分析测量截面的流场。同时，也可判断喷口负压。

8)发动机进口总温测试：为了更加准确的测量发动机进气口处的气流温度，在发动机进气罩原有的四支温度传感器旁边，布置4支具有屏蔽和气流滞止功能的总温传感器来测量进气的气流温度。

4、数据处理

1)试车间压力降计算：

各测量点的平均压力为： ${\stackrel{\‾}{P}}_i=\frac{1}{6}\underset{n=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{in}};$ 式中：P_i为第i个测量点的6次压力测量的平均值，P_in为第i个测量点的第n个采集值；

各测量点的压力降为：P_Di＝P_at-P_i；式中：P_Di为代表第i点的压力降，P_at为代表试车间所在地的大气压力值。

试车间平均压降P为： $\stackrel{\‾}{P}=\frac{1}{17}\underset{n=1}{\overset{17}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{Dn}}.$

2)试车间发动机前气流场计算：

各测量点的平均流速为： $\stackrel{\‾}{V_{\mathrm{Bi}}}=\frac{1}{6}\underset{n=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{Bin}};$ 式中：V_Bi为表示发动机前第i个流速测量点的平均流速；V_Bin为代表发动机前第i个流速测量点的第n次测量值；流场的平均流速V_B为： $\stackrel{\‾}{V_B}=\frac{1}{25}\underset{i=1}{\overset{25}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{V_{\mathrm{Bi}}}.$

3)部件迎风的气流速度计算：

各测量点的平均流速为： ${\stackrel{\‾}{V}}_i=\frac{1}{6}\underset{n=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{in}};$ 式中：V_i为表示发动机前第i个流速测量点的平均流速；V_in为代表发动机前第i个流速测量点的第n次测量值；流场的平均流速V为： $\stackrel{\‾}{V}=\frac{1}{3}\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{V}}_i.$

4)排气引射筒混合段燃气流流场计算：

气流速度测量中的总静压差与气流速度的转换：根据气动力学原理，总静压差与进气气流速度之间的关系为：

$P_{\mathrm{total}}-P=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{V}^2;$

经推导可得： $V=\sqrt{\frac{2(P_{\mathrm{total}}-P)}{\mathrm{\ρ}}};$ 式中：P_total为进气流总压P为进气气流静压；V为进气气流速度；ρ为空气密度；

第i点流速为： $\stackrel{\‾}{V_{\mathrm{yi}}}=\frac{1}{6}\underset{n=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{\frac{2(P_{\mathrm{totalin}}-P_{\mathrm{in}})}{\mathrm{\ρ}}};$ 式中：V_yi为代表第i点的平均流速；P_totalin为代表第i个测量点第n次测量所测得的总压值；P_in为代表第i个测量点第n次测量所测得的静压值；i为值为1～5。

5)气流温度场分布计算：

第i点的平均温度为： $\stackrel{\‾}{T_{\mathrm{yi}}}=\frac{1}{6}\underset{n=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{yin}};$ 式中：T_yi为代表引射筒温场第i点平均温度；T_yin为代表引射筒温场第i点第n次测得的温度值；其中温度传感器要经过恢复系数校准并修正速度误差。

5、测试***：本实施例需要的测试***是一个多参数测试***，参数种类多，包括压力信号、风速信号以及温度信号等。同时测点也比较多，而且要求采集速度较快，数据量也比较大。根据上述要求，采用了PXI采集***，采集***框图如图6所示。

本实施例需要的测试***是一个多参数测试***，参数种类多，包括压力信号、风速信号以及温度信号等。同时测点也比较多，而且要求采集速度较快，数据量也比较大。根据上述要求，采用了PXI采集***，采集***框图如图6所示。测试仪器设备介绍如下：

1)PXI***：根据测试需要，采用如图7所示的PXI***，整套***的采集频率为5Hz。

2)压力扫描阀：压力扫描阀选用了DSA3217，量程为1psi，其准确度为满量程的±0.12％。参考端的连接，采取了如图8所示的方法，以保证参考端的稳定。

3)皮托管：测试用皮托管为自制皮托管，皮托管的制作完全依照NPL的相关规定。皮托管在使用前经过了校准，其系数均在0.997～1.003之间。

4)差压传感器：差压传感器采用了Druck LPX5000系列，传感器量程为±500Pa，准确度达0.1％，4～20mA电流输出。传感器也经过了校准。

5)风速传感器：风速传感器选用了E+E 65型薄膜风速计，其准确度为±(0.2m/s+2％的测量值)，测试用传感器均经过了校准，符合上述准确度的指标，见图9(横坐标为校准点，纵坐标为被校风速计与标准之间的差值)。

测试设备汇总：此次测试用设备，汇总于表1。

表1  测试设备汇总表

序号	测试设备名称	用途	测量范围及准确度等级	数量	备注
						1	风速计	用于试车间流场及迎风阻力测试	0~40m/s±(0.2m/s+1％测量值)	28支
2	总压管	用于试车间压降测试		17支
						3	多通道扫描阀	用于压力测量	0.1％FS	3台
4	多通道数据采集器	用于风速计信号输出及热电偶信号采集	0.01％		40路
						5	微压差传感器	用于进排气截面静压差测量	0~2kPa，0.1％FS	4支
6	大气压力传感器	用于试车间大气压力测量	0.02％	1台
						7	皮托管	用于排气截面流场测试		7支
8	总温传感器	用于进气罩前气流温度测试		4
						9	笔记本电脑	用于数据采集及处理		2台
10	摄像机	用于监测试车间空气回流		1台

有精度要求的传感器和测试设备，都要经过检定或校准，保证测试时数据的准确及可靠。

6、数据采集程序：此次测试，专门编制了采集程序。该采集程序使用Labview编写，采取了Server-Client的结构。其中在试车间内的PXI***上运行Server程序，主要完成数据的采集和传输。在控制间内，使用笔记本电脑运行Client端程序，主要完成数据的接受、显示和存储等任务。笔记本电脑和PXI***间采用网络传输。

7、测点布置：参见附图10、11、12、13。

8、测试结果

1)常规测试结果：

12号试车台：平均压力降是被测截面平均总压相对室外参考大气压的下降值；台架平均流速是指发动机外侧外流道的平均风速。参见表2。

表2

15号试车台，参见表3：

表3

8号试车台，参见表4：

表4

根据HBJ11-98《航空发动机试车台设计规程》和GJB721-89《涡喷涡扇发动机试车台校准规范》等相关规定。试车间流场应该满足下列气动条件：

试车间进气压力降测试。试车间进气压力降应不大于500Pa；

试车间进气流场分布测试。大型发动机试车台，试车间内的空气平均流速应不大于15m/s。

发动机进气截面和排气截面间的静压差测量。试车间内发动机进气截面与发动机排气截面的静压差应不大于100Pa。

试车间燃气回流测试。发动机试车间排气***应保证不产生回流。

对照表中数据，可以看到，测试的三个台架均满足上述要求。但是通过流场测试可以看到，8号台的流场均匀性与其他两个台架相比比较差，这与其进气***的结构有关，详细的流场分析参看流场云分析图10、11、12。

2)迎风阻力估算：由于没有通过试验手段测得台架各部件的迎风阻力系数，这里对迎风阻力修正值按式(6)进行偏大的估算：参见表5：

表5

	部件迎风阻力系  数Cx最大值	部件投影估计  面积Am(m)2	部件迎风气流速  度vn(m/s)	迎风阻力修正估计  值ΔFn(N)
					12号台	1	4	5.7	79
15号台	1	4	5.3	68
					8号台	1	4	5.8	81.3

从迎风阻力偏大的估计值可以看出，与进气冲量修正值相比，迎风阻力修正可以忽略。

3)进气冲量修正

进气冲量修正值的计算可按照下式进行。

ΔF_r＝G₀v_m-(G₀-G₁)v_m′-(p_s′-p_0s)A (1)

式中：G₀为试车间的总空气质量流量，kg/s；v_m为发动机远前方平均流速；G₁为发动机进气流量，kg/s；v_m′为发动机周围流道平均风速，m/s；p_s′为进气道滞止区静压，Pa；p_0s为发动机远前方截面静压，Pa；A为试车间截面积，m²。

4)测试方案：根据(1)式，有如下一些量需要明确测试或处理方法。

①试车间的总空气质量流量G₀

G₀由下式计算得到：G₀＝ρv_mA(2)

其中：A为试车间截面积，为已知参数；ρ为大气密度，kg/m³，对于一般计算，可采用标准大气的密度；v_m为发动机远前方平均流速。

在前一次的测试中，我们在发动机进气口截面前4m，6m以及9m处，用25只风速传感器，布置成5x5的测点矩阵，测得了三个截面的风速分布。通过分析数据，我们发现12号和15号试车间内的风速还是比较均匀的。因此在本次测试中，在发动机前方9m处，选择了具有代表性的四个测点，而没有在整个截面空间进行测量。

②发动机进气流量G₁：该参数为试车必测参数，可以直接由试车台计算给出。

③发动机周围流道平均风速v_m′：实测得到发动机周围流道平均风速是具备一定难度的，其原因在于这里需要的是平均风速，很难通过某一点的风速来代表，同时，也很难在发动机周围布置过多的测点来取平均值。

在本次测试中，该参数是通过计算的方法得到的：

在测得了G₀以后，实际上(G₀-G₁)就是一个已知量了，而其物理意义正是通过发动机周围流道的气流质量流量。假设A’为发动机周围流道的截面积，就可以计算得到v_m′了。

$v_m^{\′}=\frac{(G_0-G_1)}{\mathrm{\ρ}{A}^{\′}}---\left(3\right)$

④静压差(p_s′-P_0s)：

从(1)式可以看到，准确测量静压差(p_s′-p_0s )是非常关键的，几帕的测量误差在乘以整个试车间截面积后，就会导致进气冲量修正最终结果的很大偏差。因此，准确测量该差压是计算进气冲量修正的一个关键问题。

准确测量静压差(p_s′-p_0s)是非常困难的，其原因主要有两个：其一，该静压差的量级非常小，只有10Pa左右；其二，发动机试车间的恶劣环境(振动、各种干扰等)。在发动机试车现场测试10Pa左右的差压，其难度是可想而知的。实际上，在前一次测试中，正是由于没有认识到上述一些因素，从而在仪器选择以及测试方法上存在一些问题，最终导致该参数的测量误差过大，无法进行进气冲量的计算。

在本次测试中，我们从几个环节采取了措施，来保证静压差(p_s′-p_0s)的准确测量：

首先，在测点布置上采取多点平均的方法，分别在前后截面上各布置了4只皮托管，再将每个截面上的4个静压测点汇集成后，传至差压传感器。实际上，差压传感器测得的是前后截面静压平均值之差。

其次，选择了量程更小，准确度更高的差压传感器。此次测试使用的差压传感器量程为200Pa，准确度达到0.1％。

最后，现场还并联了一个微差压计，用于现场校验差压传感器的测量是否正常。如图14所示：

上面对一些关键的测量进行了说明，将各2测试参数汇总如下表1：

表6  测试参数汇总

序号	计算所需要的参数	测试或计算方法
			1	试车间面积A	已知
2	密度	取标准大气密度：1.209kg/m3
			3	发动机远前方平均流速vm	在发动机前方9m处，选择了具有代表性的四个测点
4	发动机进气流量G1	已知
			5	发动机周围流道平均风速vm′	用(3)式计算得到

6

静压差(ps′-p0s)

多点并联测量；选用200Pa，0.1％的差压传感器

5)测点布置说明：测点的布置如图15所示。

6)测试结果：根据上述试验方案，对12号台和15号台进行了测试。按照上述的计算方法，对试验数据进行整理和计算，计算结果汇总于下表中。

表7  进气冲量修正结果汇总表

12号台	状态	推力(kN)	空气密度(kg/m^3)	截面平均速度(m/s)	截面面积(m^2)	发动机空气流量(kg/s)	外流道速度(m/s)	静压差(Pa)	进气冲量修正(N)	相对修正量％
											008-9-24 15:20	最大	75.2	1.209	5.605	100	112.591	4.737	9.301	2051.9	2.73
2008-9-24  15:14	全加力	122.5	1.209	6.638	100	112.156	5.788	10.083	2340.3	1.91
											2008-9-24  18:49	最大	75.3	1.209	5.574	100	112.463	4.705	9.352	2049.2	2.72
2008-9-24  18:52	全加力	122.7	1.209	6.677	100	112.745	5.821	9.977	2344.5	1.91
											15号台	状态	推力(kN)	空气密度 (kg/m^3)	截面平均速度(m/s)	截面面积(m^2)	发动机空气流量(kg/s)	外流道速度(m/s)	静压差(Pa)	进气冲量修正(N)	相对修正量％
2008-9-22  21:18	最大	67.6	1.209	5.326	100	121.080	4.383	12.434	2381.5	3.52
											2008-9-22  21:20	全加力	114.5	1.209	5.581	100	122.723	4.627	16.259	2837.3	2.48
2008-9-25  15:37	最大	67.4	1.209	5.163	100	123.557	4.197	12.528	2374.5	3.52
											2008-9-25  15:38	全加力	114.7	1.209	5.485	100	123.525	4.524	14.749	2671.5	2.33
8号台	状态	推力(kN)	空气密度(kg/m^3)	截面平均速度(m/s)	截面面积(m^2)	发动机空气流量(kg/s)	外流道速度(m/s)	静压差(Pa)	进气冲量修正(N)	相对修正量％
											2008-12-10  17:38	最大	75.2	1.209	8.439	64	110.983	7.153	2.421	1875.7	2.49
2008-12-10  17:45	全加力	122.5	1.209	7.724	64	110.997	6.423	6.708	2161.5	1.76

从表7结果可以看到，对于不同的台架，进气冲量的修正值存在差异，这可能是因为台架气动布局的差异造成的，也可能是因为使用了不同的发动机(在9月底的测试中，12号台和15号台使用的是不同的发动机)造成的，还有可能是因为进气温度不同引起的。

7)测试不确定度分析：根据(1)式以及(2)式，可以列出进气冲量修正的不确定度计算公式，如下所示：

${u_c}^2\left(\mathrm{\Δ}{F}_r\right)=C_1^2{u}^2\left(\mathrm{\ρ}\right)+C_2^2{u}^2\left(v_m\right)+C_3^2{u}^2\left(A\right)+C_4^2{u}^2\left(A^{\′}\right)+C_5^2{u}^2\left(G_1\right)+C_6^2{u}^2\left(\mathrm{\Δp}\right)---\left(4\right)$

式中： $C_1={v_m}^{2}A-\frac{{v_m}^2{A}^2}{A^{\′}}+\frac{G_1^2}{A^{\′}{\mathrm{\ρ}}^2};$

$C_2=2\mathrm{\ρ}{v}_{m}A-\frac{{2A}^2\mathrm{\ρ}{v}_m}{A^{\′}}+\frac{2G_{1}A}{A^{\′}};$

$C_3=\mathrm{\ρ}{v}_m^2-\frac{2{v_m}^2\mathrm{\ρA}}{A^{\′}}+\frac{{2v}_m{G}_1}{A^{\′}}-\mathrm{\Δp};$

$C_4=\frac{1}{A^{\′2}}(\mathrm{\ρ}{v_m}^2{A}^2-2v_m{\mathrm{AG}}_1+\frac{{G_1}^2}{\mathrm{\ρ}});$

$C_5=\frac{{2v}_{m}A}{A^{\′}}-\frac{{2G}_1}{\mathrm{\ρ}{A}^{\′}};$

C₆＝-A。

根据选择的仪器的技术指标，结合现场测量情况，保守估计：

密度值的误差在2％以内；风速的测量误差在2％以内；面积的估计误差在0.8％以内；流通面积的估计误差在1.2％以内；发动机进气流量的测量误差在1％以内；

差压的测量误差在8％以内，差压测量的误差有以下几个方面的因素：其一，差压传感器本身的误差，根据传感器的技术指标在0.1％以内；其二，测点位置选取不当，尽管测试中已经选取了多点并联的方法，但是各测点平均压力即为该截面的平均静压，保守估计，其误差在2.5％以内；其三，整个测量***的误差，整个测压***如图1所示，其中包含了诸多环节，比如长距离传输、发动机试车时的振动等等，因此保证估计该误差在5％以内。综合上述一些因素，保守估计总的差压测量误差在8％以内。

冲量修正的重复性在1.5N以内。

由此可以整理出如表8所示的进气冲量修正不确定度评定表。

从上述不确定度评定可以看到，进气冲量修正测试的最大不确定度来源于差压的测量。在本次测试中，采取了多种测试来保证差压的测量，前面已经叙及。从结果看，扩展不确定度控制在10％以内，结果还是令人满意的。

表8  进气冲量修正不确定度评定表

9、流场云图分析

为了加强不同试车台和同一试车台不同截面间的速度场分析，特绘制了各试车台和同一试车台不同截面的速度场云图，如图16、图17和图18所示，图中的Z负向为发动机进气方向。

通过速度场云图可以看到，12号台和15号台的流场比较均匀，而8号台的流场很不均匀。贴近地面的中间部分流速很高，达到了15m/s的量级，此外，中心流速也比较高。这与该台架的进气***有关，其进气隔栅在下部因故障无法关闭。从流场上看，气流直接砸向地面，贴近地面一层的气流速度很高，而在边角部位，尤其是两个底角，由于壁面以及其他障碍物的原因，气流流速很低。

10、结论：

通过台架气动参数测量，对3个台架气动参数进行检测分析，均满足国军标要求，同时通过测试，计算分析了台架推力损失原因，气动冲量对推力影响占发动机总推力约2-3％，验证了分析计算得出各台推力平均修正系数与用校准发动机计算得出的修正系数基本相同。

气动测量校准是国际上常采用的室内试车台架推力动态校准方法之一，通过气动参数流场测试，进行相关分析计算，得出气动冲量等对发动机推力的修正值，可以实现Aл-31φ发动机各试车台架推力校准。

实施例2

本实施例与实施例1内容基本相同，其不同之处在于：

1)所述发动机室内试车台气流场测试方法满足下述要求之一或者其中任意二者的组合：

其一：所述进气冲量修正值ΔF_r满足下述要求：ΔF_r＝F_BYL-F_BY＝W_A1×V_B；上式中：F_BYL为无进气冲量条件下发动机进气装置的推力(露天台)，F_BY为发动机在封闭式试车台中进气冲量W_A1×V_B≠0条件下试验时进气装置的力(轴向力)，其中：W_A1为流经发动机的空气流量，V_B为试车间发动机前的气流速度；

其二：所述迎风阻力修正值ΔF_n满足下述要求：单个部件的迎风阻力按照以下关系式计算： $\mathrm{\Δ}{F}_{\mathrm{ni}}=C_x{A}_{\mathrm{mi}}\×\frac{\mathrm{\ρ}{V}_n^2}{2};$ 式中：C_x为被研究部件的迎风阻力系数，该值取决于迎风部件的形状和雷诺数 $R_c=\frac{\mathrm{\ρ}{V}_n{d}_m}{\mathrm{\μ}},$ 式中d_m为部件中部截面或直径；μ为气动粘性系数；A_mi为计算的投影面积；ρ为空气密度；V_n为部件迎风的气流速度，通过实验测得；

总修正值ΔF_n＝∑ΔF_mi，即所有与动架有关部件的迎风阻力的总和；

其三，所述喷口范围负压引起的修正值ΔF_p满足下述要求：调整ΔF_p使其满足ΔF_p等于零；或者通过测量喷口与试车间壁面压差计算出修正值；

由于引射气流的影响，喷口对发动机测量推力产生影响，可以通过调整喷口与排气筒距离的方法，消除喷口负压的影响，即通过选取喷口截面积与引射管距离L_c的方法使ΔF_p等于零。如果影响不能消除，通过测量喷口与试车间壁面压差计算出修正值。

2)本实施例还包含有用于支持上述发动机室内试车台气流场测试方法的一种发动机室内试车台气流场测试***。所述发动机室内试车台气流场测试***包含有下述组成部分：数据采集模块1、压力扫描阀2、差压传感器3、测试用皮托管4；其中：压力扫描阀2、差压传感器3分别连接着数据采集模块1，测试用皮托管4分别通过压力扫描阀2、差压传感器3连接着数据采集模块1。

Claims (6)

1.一种发动机室内试车台气流场测试方法，其特征在于：在封闭式的发动机试车台试验过程中，针对进气冲量、迎风阻力和发动机喷口范围，建立下述的气动参数的修正方法：F-F_cl＝ΔF_r+ΔF_n+ΔF_p；

式中：ΔF_r为进气冲量修正值，ΔF_n为迎风阻力修正值，ΔF_p为喷口范围负压引起的修正值。

2.按照权利要求1所述发动机室内试车台气流场测试方法，其特征在于：所述发动机室内试车台气流场测试方法满足下述要求之一或其组合：

其一：所述进气冲量修正值ΔF_r满足下述要求：ΔF_r＝F_BYL-F_BY＝V_A1×V_B；上式中：F_BYL为无进气冲量条件下发动机进气装置的推力，F_BY为发动机在封闭式试车台中进气冲量W_A1×V_B≠0条件下试验时进气装置的力，其中：W_A1为流经发动机的空气流量，V_B为试车间发动机前的气流速度；

其二：所述迎风阻力修正值ΔF_n满足下述要求：单个部件的迎风阻力按照以下关系式计算： $\mathrm{\Δ}{F}_{\mathrm{ni}}=C_x{A}_{\mathrm{mi}}\×\frac{\mathrm{\ρ}{V}_n^2}{2};$ 式中：C_x为被研究部件的迎风阻力系数，该值取决于迎风部件的形状和雷诺数 $R_c=\frac{\mathrm{\ρ}{V}_n{d}_m}{\mathrm{\μ}},$ 式中d_m为部件中部截面或直径；μ为气动粘性系数；A_mi为计算的投影面积；ρ为空气密度；V_n为部件迎风的气流速度，通过实验测得；

总修正值ΔF_n＝∑ΔF_mi，即所有与动架有关部件的迎风阻力的总和；

其三，所述喷口范围负压引起的修正值ΔF_p满足下述要求：调整ΔF_p使其满足ΔF_p等于零；或者通过测量喷口与试车间壁面压差计算出修正值。

3.一种发动机室内试车台气流场测试***，其特征在于：所述发动机室内试车台气流场测试***包含有下述组成部分：数据采集模块(1)、压力扫描阀(2)、差压传感器(3)、测试用皮托管(4)；其中：压力扫描阀(2)、差压传感器(3)分别连接着数据采集模块(1)，测试用皮托管(4)分别通过压力扫描阀(2)、差压传感器(3)连接着数据采集模块(1)。

4.按照权利要求3所述发动机室内试车台气流场测试***，其特征在于：所述发动机室内试车台气流场测试***中还包含有控制器(5)、路由器(6)；路由器(6)分别连接着控制器(5)、数据采集模块(1)、压力扫描阀(2)。

5.按照权利要求4所述发动机室内试车台气流场测试***，其特征在于：所述发动机室内试车台气流场测试***中还包含有控制器(5)、路由器(6)；路由器(6)分别连接着控制器(5)、数据采集模块(1)、压力扫描阀(2)。

6.按照权利要求5所述发动机室内试车台气流场测试***，其特征在于：所述发动机室内试车台气流场测试***中还包含有风速传感器(7)，其与数据采集模块(1)连接；

所述发动机室内试车台气流场测试***中所使用的数据采集模块(1)具体为PXI采集***；控制器(5)具体是计算机；压力扫描阀(2)具体有并联的两个，布置在路由器(6)和测试用皮托管(4)之间。

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