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气流温度传感器校准方法和设计规范研究

2017-03-21

 在航空、航天等国防科技工业中,气流温度是重要的测试参数,目前对测温准确度的要求愈来愈高。我国军机机载与试车的温度传感器已能够自行研制,目前各主机厂、所根据自身的需要,都研制了适用于飞机及其发动机各部位的温度传感器,这些温度传感器设计结构各异,性能上各有侧重,在设计方法上没有统一的标准。为满足使用性能的要求,各主机厂、所研制的温度传感器一般都要经过多次校准、改进,才能最终定型,这样既延长了研制周期,耗费了大量经费,又造成了行业内部的技术壁垒,阻碍了我国航空技术的健康发展。为改善这种状况,使我国航空技术能够良性发展,需要在行业内部乃至全国范围内推行气流温度传感器设计的规范化、标准化,在对气流温度传感器误差机理进行分析研究的基础上,以大量的风洞试验数据为依据,建立关于气流温度传感器的设计规范。

“十一五”国防科技工业技术基础科研项目“气流温度传感器校准方法和设计规范研究”,针对当前航空测试领域存在的气流温度传感器校准与设计规范化问题,系统研究了特定条件下气流温度传感器的校准方法,包括雨雾条件下大气总温传感器的稳态与动态校准、进气畸变快响应温度传感器的动态校准、压气机级间叶型总温传感器的校准、燃烧室/加力燃烧室温度传感器的实验室与现场校准以及涡轮后温度传感器的稳态与动态校准等,形成了相应的标准规范,实现了气流温度传感器的规范化设计。项目形成校准装置1套以及校准规范、设计规范共6份。发表论文9篇,其中SCI论文1篇,国际会议论文1篇。该项目由中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所承担完成。项目成果已应用于航空发动机、导弹、核动力等多个国防型号的研制过程中,均达到了满意的效果。

一、总体思路

项目研究分为两大部分内容:气流温度传感器校准方法的研究和气流温度传感器设计规范的研究。

在气流温度传感器校准方法研究部分,大气总温传感器的校准主要是通过研制专用试验装置,设计试验方法,对雨雾条件下温度传感器的动态特性、恢复特性与防雨性能的评价方法进行研究;进气道温度传感器的校准主要是针对进气畸变的快响应温度传感器进行动态校准,对校准方法以及快响应温度传感器的动态特性评价方法进行研究;压气机温度传感器的校准主要是对测温偏差校准的标准器进行研究;燃烧室、加力燃烧室温度传感器校准主要是研究发动机部件试验器上的现场校准方法;涡轮后温度传感器校准主要针对某型机载温度传感器动态校准重复性差的问题,对试验方法进行改进,以减小校准不确定度。

气流温度传感器的设计主要是通过比较国内外同类温度传感器的优劣,结合风洞试验数据,并对气流温度传感器的内流场与温场进行数值计算,对其结构进行优化设计。

二、主要创新点

1.采用多元线性回归的方法,针对气流温度传感器的恢复系数,建立了统一的数学模型,为气流温度传感器的规范化设计与使用等提供了理论上的参考。

2.采用脉冲激光加热法,研制快响应温度传感器动态特性校准装置,并研究相应的校准方法及动态特性评价方法,解决了30ms以下量级快响应温度传感器的动态校准问题。

3.采用新型复合材料作屏蔽罩,并采用大长径比的结构,通过设计石墨芯模,突破了薄壁复合材料管的制作工艺,研制新型干烧式高温传感器,提高了高温气流温度测量的准确度,延长了高温气流温度传感器的使用寿命。

4.设计专用试验系统,并提出当量总温、当量恢复系数等概念,解决了雨雾条件下大气总温传感器的稳态、动态性能校准和防雨性能评价问题。

5.系统、全面地对发动机各典型截面气流温度传感器的校准技术进行研究,形成了相应的校准方法及校准规范。

6.通过对各种类型气流温度传感器进行性能试验及分析对比,得到典型推荐结构,形成了气流温度传感器设计规范。

三、应用情况

利用该项目研究的快响应温度传感器动态校准装置及校准方法,对中国核动力研究设计院反应堆工程研究所的快响应温度传感器进行了动态特性校准服务,得到了用户的认可。

利用该项目研究的雨雾条件下温度传感器动态特性和恢复特性校准技术,对中国飞行试验研究院测控所研制的弹载大气总温传感器进行了雨雾条件下的稳态与动态性能校准,取得满意的效果。

利用该项目的研究成果,为贵州航空发动机研究所的某型涡扇发动机加力燃烧室出口温度传感器提供了现场校准服务,为加力燃烧室燃烧效率的准确计算和发动机燃烧性能的正确评价提供了有力的保障。

利用该项目研究的压气机温度传感器校准方法,为沈阳发动机设计研究所的叶型总温探针提供了校准服务,为航空发动机压气机试验提供了准确的测量修正数据。

四、推广应用前景

雨雾条件下温度传感器的动态特性和恢复特性校准,为穿过雨雾、云层的机载、弹载大气总温传感器的准确测量提供了保障,保证了大气数据测量的准确。此前国内外均未开展过相关技术研究。该项目通过研制淋雨试验装置,研究相应的校准方法及雨雾条件下温度传感器的性能评价方法,取得了理想的效果。

采用脉冲激光加热法对30ms以下量级的快响应温度传感器进行动态特性校准,校准结果的扩展不确定度在1.2ms(k=2)以下,解决了进气畸变温度传感器等快响应温度传感器动态特性的准确校准问题。国内外有单位用激光加热法进行过温度传感器的动态测试试验,但未对校准技术进行系统研究,没有进行过不确定度的评定,其测试结果的分散度不得而知。

关于温度传感器的恢复特性,美国国家航空航天局(NASA)进行了大量的风洞试验,针对某些单一影响量,总结出了一些规律和经验公式。该项目将主要影响因素统筹考虑,建立了完善的数学模型,为高速气流温度传感器的设计、使用提供了理论上的指导,从而为气流温度传感器的规范化奠定了理论基础。

项目所研制的燃烧室、加力燃烧室温度传感器,采用新型复合材料作屏蔽罩,同时采用大长径比,提高了传感器的可靠性,保证了较高的测温准确度(测温误差最大为47.3℃),使航空发动机燃烧室、加力燃烧室的燃烧效率、温场分布系数等的计算更为准确。国内采用小长径比的传感器,测温误差大,水冷式结构传感器的测温误差可高达300℃,而刚玉材料屏蔽罩的抗热冲击性与韧性差,影响了传感器的可靠性。

综上所述,项目研究成果在航空、航天等国防科技领域的气流温度测量中具有独特的优势,对提高型号研制的试验水平,提高武器装备的性能等具有重要的技术价值。该项目所研究的气流温度传感器校准方法,今后将会越来越多地应用于航空、航天等各领域气流温度传感器的稳态与动态校准,产生更为广泛的社会效益与经济效益。该项目所研究的气流温度传感器规范化设计方法,将为此类温度传感器的设计提供规范与标准,由传感器设计不规范所造成的时间与经费的浪费将会大大减少。