壓縮空氣流量計(jì)量方案分析

  摘要：發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)，通常采用在進(jìn)氣道出口和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口之間加裝測(cè)量耙的方式，來測(cè)量截面的總靜壓參數(shù)，進(jìn)而獲得發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口壓縮空氣流量。考慮到附面層影響，采用新型附面層壓力組合測(cè)量耙進(jìn)行測(cè)量。同時(shí)，對(duì)獲取截面流場(chǎng)壓力的不同測(cè)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(cè)量方案產(chǎn)生的誤差。結(jié)果表明：采用壓力組合測(cè)量耙能較為準(zhǔn)確地獲得發(fā)動(dòng)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(chǎng)壓力，能顯著減小發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口壓縮空氣流量和附面層的測(cè)量誤差。

1、引言

進(jìn)氣道與發(fā)動(dòng)機(jī)的相容性是全面評(píng)價(jià)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(dòng)機(jī)相容性試驗(yàn)中，壓縮空氣流量是重要的測(cè)量參數(shù)。在發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)中，推力的測(cè)量尤為重要，而壓縮空氣流量是推力測(cè)量中的重要測(cè)量參數(shù)。因此，獲取發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮空氣流量是發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)有著重要的意義。

測(cè)試過程中，合理、巧妙地規(guī)劃測(cè)量方案能有效減小測(cè)量誤差。在飛行試驗(yàn)時(shí)，一般在進(jìn)氣道出口與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口之間的過渡段加裝測(cè)量耙，測(cè)量截面的流場(chǎng)信息，獲取發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口的壓縮空氣流量。國(guó)外對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮空氣流量測(cè)量和計(jì)算的研究較早，積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，測(cè)試技術(shù)和理論比較*，且在發(fā)動(dòng)機(jī)氣路壓力測(cè)量方面，美國(guó)對(duì)測(cè)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(guó)內(nèi)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮空氣流量的測(cè)量和計(jì)算，也進(jìn)行過工程研究及應(yīng)用，中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院在發(fā)動(dòng)機(jī)氣路壓力測(cè)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(guó)飛行試驗(yàn)研究院在發(fā)動(dòng)機(jī)試飛中也進(jìn)行了壓縮空氣流量測(cè)量，并取得一定成果。

在截面流場(chǎng)測(cè)量中，壓力的測(cè)量比較關(guān)鍵，不同的測(cè)量方式會(huì)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(cè)量。本文在測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口壓縮空氣流量時(shí)，采用一種附面層壓力組合測(cè)量耙，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果，通過計(jì)算獲得壓縮空氣流量，并對(duì)分別采用絕壓傳感器和壓差傳感器測(cè)量壓力時(shí)的誤差進(jìn)行了分析。

2、測(cè)量方案

氣體在進(jìn)氣道內(nèi)的流動(dòng)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(cè)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(cè)量在工程上一直較為困難。我國(guó)在附面層測(cè)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(cè)量方法也較傳統(tǒng)，測(cè)量結(jié)果誤差較大。在進(jìn)行某型發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)，針對(duì)流場(chǎng)主流區(qū)和附面層的流動(dòng)特點(diǎn)，在以往測(cè)量耙的研制和工程應(yīng)用基礎(chǔ)上，結(jié)合附面層測(cè)量耙，設(shè)計(jì)了一種既能測(cè)量主流區(qū)流場(chǎng)信息，又能獲取附面層流場(chǎng)信息的組合測(cè)量耙，如圖1所示。測(cè)量耙前端4支受感部為測(cè)量主流區(qū)流場(chǎng)信息的皮托管總靜壓受感部，靠近根部的10支受感部為測(cè)量附面層總壓的受感部。

試驗(yàn)時(shí)，測(cè)量耙加裝在進(jìn)氣道出口和發(fā)動(dòng)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(cè)量耙，3支為無附面層測(cè)點(diǎn)的壓力測(cè)量耙（靠近根部的皮托管測(cè)點(diǎn)位于附面層內(nèi)）；同時(shí)加裝了3支溫度耙，沿測(cè)量截面周向均勻分布。測(cè)量耙安裝及測(cè)點(diǎn)分布如圖2所示。

在壓縮空氣流量計(jì)量、計(jì)算中，測(cè)量截面的總壓、靜壓至關(guān)重要。由于壓力測(cè)量方式多樣，下面從傳感器選擇角度對(duì)壓力測(cè)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(cè)量方案，對(duì)主流區(qū)和附面層的壓力進(jìn)行測(cè)量。

測(cè)量方案一：直接采用絕壓傳感器測(cè)量主流區(qū)總壓、靜壓及附面層總壓。

測(cè)量方案二：采用直接測(cè)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(cè)量，附面層總壓則采用壓差傳感器間接測(cè)量。

測(cè)量時(shí)以艙壓為基準(zhǔn)壓力，為防止氣流擾動(dòng)，艙壓傳感器放置在發(fā)動(dòng)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(cè)量方式如圖3、圖4所示。

由于截面流場(chǎng)壓力采用了不同的測(cè)量方式，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)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(cè)總壓和靜壓，R為測(cè)量截面半徑，T為測(cè)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(cè)總壓，Ppf、Ppfs分別為皮托管所測(cè)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(cè)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(cè)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(dòng)機(jī)在臺(tái)架上測(cè)量的壓縮空氣流量值為。選取發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)壓縮空氣流量，結(jié)果見表1。可見，發(fā)動(dòng)機(jī)在地面的壓縮空氣流量測(cè)量值與臺(tái)架測(cè)量值的相對(duì)誤差基本上在2%以內(nèi)，差值較小，所以該壓縮空氣流量測(cè)量方案合理可行。

4.2附面層位移厚度

取測(cè)試截面半徑為。選取發(fā)動(dòng)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。可見，附面層位移厚度隨著發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)風(fēng)扇相對(duì)換算轉(zhuǎn)速時(shí)的數(shù)據(jù)，對(duì)方案一和方案二進(jìn)行對(duì)比分析。兩種測(cè)量方案的各測(cè)量參數(shù)的敏感系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表3所示。可見，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(cè)靜壓及總壓的敏感系數(shù)，方案二中為皮托管所測(cè)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(cè)總壓的敏感系數(shù)對(duì)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(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口壓縮空氣流量的誤差UG1=4.3％，采用方案二時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口壓縮空氣流量的誤差UG2=0.8％。可見，采用方案二可顯著減小測(cè)量誤差。

5．2附面層位移厚度

由于附面層總壓測(cè)點(diǎn)之間的差值較小，采用大量程的絕壓傳感器測(cè)量誤差太大，甚至出現(xiàn)使發(fā)動(dòng)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(cè)量附面層總壓。該方法可測(cè)量附面層總壓之間的梯度，減少測(cè)量誤差。

選取發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇相對(duì)換算轉(zhuǎn)速100％時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。兩種測(cè)量方案時(shí)各測(cè)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(cè)量誤差的主要參數(shù)，方案一中為附面層受感部所測(cè)總壓及皮托管所測(cè)附面層靜壓的敏感系數(shù)，方案二中為艙壓及皮托管所測(cè)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(cè)總壓的敏感系數(shù)，對(duì)位移厚度的測(cè)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(duì)測(cè)量誤差大小存在顯著影響。

采用方案一時(shí)，附面層位移厚度的測(cè)量誤差Uδ1=29.9％，采用方案二時(shí)，附面層位移厚度的測(cè)量誤差Uδ2=18.4％。可見，采用方案二可顯著減小測(cè)量誤差。

6、結(jié)束語

本文在測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口壓縮空氣流量時(shí)，考慮到附面層的影響，采用了一種測(cè)量壓縮空氣流量和附面層壓力的組合耙，并對(duì)使用組合測(cè)量耙時(shí)發(fā)動(dòng)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(cè)量耙能夠較為準(zhǔn)確地獲得發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口壓縮空氣流量。同時(shí)，在獲取截面流場(chǎng)壓力時(shí)，考慮了傳感器選擇對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)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(cè)量誤差進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，采用壓差傳感器測(cè)量壓力，能顯著、有效地減小壓縮空氣流量和附面層的測(cè)量誤差，提高試驗(yàn)精度。