航空发动机试验测试技术

航空发动机试验验证体系建设摘要：近些年，我国的科技水平不断进步，目前，高性能、高可靠性是现代航空发动机型号研制的主要目标，为确认发动机可靠性水平，需要在设计、制造、使用全过程中策划并开展各种不同的可靠性试验。

本文针对航空发动机研制阶段的验证性试验，介绍了整机性能试验、振动试验、强度验证与考核试验、疲劳寿命试验和环境试验等整机可靠性试验方法。

关键词：航空；发动机；试验验证；体系建设引言作为贯穿航空发动机全生命周期的关键技术之一，试验与测试技术是发动机发展过程中不可或缺的环节，所以航空发动机试验条件建设备受重视。

以美国为例，美国空军阿诺德工程发展中心（AEDC）常年悬挂着“今天的试验是为了明天的飞行”的标语。

美国在20世纪90年代投入使用的高空模拟试验设备前后花费的资金高达6.25亿美元，是当时世界上最昂贵的单项航空发动机试验设备，而这只是其试验条件建设投入的冰山一角。

1政府主导完成试验验证体系建设在喷气发动机快速发展的20世纪60—70年代，时任英国首相哈罗德·威尔逊亲自参加了NGTE第四座高空台（Cell4）的竣工仪式。

在他看来，现代化的英国要在白热化的科技创新中铸就，而航空发动机将在这场技术革命中扮演至关重要的角色。

归纳起来，航空发动机技术研究和试验验证体系，无一例外都是在国家战略的引领和政府、企业资金的长期支持下完成构建，历经80多年的发展，形成政府机构（包括军方研究机构）、发动机骨干企业、院校3级组织架构，覆盖基础和预先研究、应用研究、产品研发、状态鉴定或者适航取证、外场综合保障全过程。

进入20世纪90年代，由于冷战结束后军备竞赛减速及经济全球化的影响，各国政府不再大规模集中投入发动机试验验证设施建设，但仍安排专项计划统筹支持设备翻新和技术升级，如美国国家航空航天局（NASA）的航空试验计划（ATP）支持喷气推进实验室（JPL）改造了可模拟高空冰晶的结冰试验器；美国空军阿诺德工程发展中心（AEDC）扩建了世界上最大的高空试验台。

航空发动机构造及强度课程实验指导书艾延廷赵永健编沈阳航空工业学院2006 年 6 月前言航空发动机构造及强度是飞行器动力工程专业的骨干专业课程，主要讲授航空发动机主要部件及典型结构，讲授整机及叶片、轮盘等部件的强度振动分析和计算方法，最后讲授航空发动机转子临界转速，航空发动机结构完整性等方面的内容。

轮盘和叶片是航空发动机中的典型部件和零件，研究轮盘应力分布规律、叶片振动振型及固有频率等参数的测量和分析，是航空发动机设计、研制中的关键技术，因此本课程开设“旋转圆盘应力实验”和“叶片振动应力测试实验”两个实验具有代表性，对有关课程的学习具有较好的支撑作用。

本实验指导书是配合该课程实验而编写的。

“旋转圆盘应力实验”是必做实验。

实验的目的是测出等厚、等温、空心、无外载的圆盘旋转时的径向及周向应力沿半径的分布规律，并与计算结果对比分析。

通过实验使学生掌握旋转件应力测试及分析方法；学会使用旋转圆盘应力实验的设备及仪器。

“叶片振动应力测试实验”是综合型、必做实验。

内容为测量并分析等截面叶片弯曲振动及扭转振动的自振频率、振型；验证固有频率计算理论。

该实验的目的是使学生加强对叶片振动理论的理解；掌握叶片振动实验的激振和拾振方法，学会使用李沙育图形法判断叶片共振状态的方法。

通过该实验可使学生进一步理解叶片振动理论，掌握叶片振动的实验研究方法。

本课程实验要求学生进行实验预习，预先掌握INV306D(M)智能信号采集处理分析仪的使用方法，认真回答实验思考题。

目录实验1 旋转圆盘应力实验 (1)1. 实验目的 ............................................................................................................................ 1`2. 实验原理 (1)3. 实验仪器设备 (3)4. 实验步骤 (4)5. 思考题 (4)6. 实验报告要求 (4)实验2 叶片振动应力测试实验 (7)1. 实验目的 (7)2. 实验原理 (7)3. 实验仪器设备 (10)4. 实验步骤 (11)5. 思考题 (13)6. 实验报告要求 (13)实验1 旋转圆盘应力实验1. 实验目的（1） 了解旋转圆盘应力实验的设备和方法，掌握应用电阻应变片测量旋转圆盘离心应力的实验原理和实验技术。

航空发动机的性能评估与优化研究航空发动机是航空器的核心部件之一，其性能对飞机的飞行安全、经济性及环保性具有至关重要的影响。

因此，对航空发动机的性能进行评估与优化研究是航空工程领域的重要研究方向之一。

一、航空发动机的性能航空发动机的性能可从以下几个方面评估：1.推力：是航空发动机的主要性能指标之一，是衡量发动机推动飞机的能力的指标。

推力大小与发动机排气量、进口空气流量、排气压力比等密切相关。

2.燃油效率：是衡量发动机能否将单位燃油转化为推力的能力。

通常用比油耗（单位推力消耗的燃油量）来表示。

燃油效率越高，飞机燃油消耗越少，航程和载荷能力也将变得更大。

3.寿命：是指航空发动机的使用寿命，与发动机的设计、材料和制造工艺等相关。

4.环境性能：是指航空发动机排放的污染物、噪音等对环境的影响。

航空发动机的环保性能越好，将对航空工业的可持续发展有着重要的影响。

5.可靠性：是指航空发动机在特定工况下的工作可靠性，与发动机零部件和系统的设计、制造、安装和维护等密切相关。

可靠性越高，将影响到飞行安全和通航运营成本等方面。

二、航空发动机性能评估方法航空发动机性能评估方法主要包括试验评估和计算评估两种方法。

1.试验评估试验评估是指通过实验测量航空发动机在不同工况下的性能参数，如推力、燃油消耗、温度、压力等等数据来评估发动机的性能。

试验评估的优点是数据可靠性高，能够直接验证发动机的性能。

缺点则是试验费用高，周期长，且仅对当前发动机进行测评，无法对未来产品进行性能预测。

2.计算评估计算评估是指通过涉及发动机组成和工作细节的复杂物理数学模型进行各项性能数据的预测。

计算评估的优点是节省时间和测试成本，且能为未来的研究提供基础。

缺点则是模型复杂，需要大量的计算能力和软件工具的支持。

三、航空发动机性能优化研究航空发动机性能优化研究是指在评估发动机性能的基础上，采取一系列的技术手段和措施，提高其性能的方法。

目前航空发动机性能优化研究主要集中在以下几个方面：1.燃烧技术：燃烧是航空发动机推进的关键环节。

航空发动机研制高温测量技术探讨杨永军,蔡静,赵俭(中国一航北京长城计量测试技术研究所,北京 100095)摘 要:针对发动机高温测量的新要求,探讨了各种高温测量技术在航空发动机高温测量上的应用情况,并重点叙述了非标准分度热电偶、蓝宝石光纤测温技术、细线超声波测温技术和多光谱测温技术的发展和应用前景。

关键词:航空发动机;高温;测量方法0 前言温度是航空发动机工作过程中一个重要的参数,对航空发动机的研制、试验、生产和使用维修有着重要意义。

我国的航空工业已经从仿制引进发展到自主创新阶段,对各参数的准确测量提出了更高的要求。

高性能航空发动机在运行时,由于气流工作压力和温度都大大增加,使燃烧室后气流温度和高温旋转热端部件表面温度的准确测量成为两个关键问题。

燃烧室出口燃气温场测量主要用于评价燃烧室的效率和温度分布,温度分布要给出沿叶高(决定转子叶片寿命)和周向温度分布的最大不均匀性(决定导向器叶片是否被烧坏)。

随着发动机推重比性能的提高,燃烧室后燃气温度将越来越高,已经超出了标准分度的S 和B型热电偶的测温上限。

对于热端旋转部件,准确测量其表面温度,对于正确评价涡轮叶片的冷却效果和工作状态,保证发动机工作在最佳的温度范围,确保发动机的安全具有重要意义。

这些需求对温度测量提出了新的挑战,必须寻求其他方法加以解决。

1 发动机高温测量技术概述理论上讲,可以利用所有与被测对象温度呈单调关系的可定量测量的特性参数来进行温度测量,因此温度的测量方法和技术是非常多的。

但是,要选择满足实际要求的适合的方法,并不是太容易的事情。

尤其在发动机高温测量上,除了要满足量程和准确度的基本要求外,还要考虑以下因素:使用可靠,适合发动机现场的恶劣环境可直接标定,溯源方便能在线测量,使用简单高效,自动化程度高1 1 传统的接触式热电测量方法在传统的接触式热电测量方法中,热电偶具有使用简单可靠,易实现自动化测量和控制,能测量高温,技术相对成熟的特点,在今后很长的一段时间内,依然会是发动机高温测量的主要手段。

航空发动机试验过渡态测试系统设计及应用张塘卫【摘要】航空发动机试验中过渡态的各项参数，直接反映发动机性能的好坏及其控制系统的优劣，而且过渡态也易发生故障，因此航空发动机试验过渡态测试是一项十分重要的测试内容。

发动机过渡态测试是监测、记录测量参数的实时变化，防止突变损坏发动机，为发动机设计研究和各参数的改进匹配提供真实可靠的依据，保证发动机过渡态的安全运行。

%All kinds of parameters in transition state of the aero engine trial reflect the engine capability and the control system directly.And the failures are occurred in the transition state very easy. So transition state testing is a very important item in the aero enginetrial.Transition state testing of the aero engine includes monitoring and noting the change of the testing parameter in real time.So that can prevent engine failure because of break. And this can provide basis for the designing and researching of the engine and ameliorating parameters veritably and reliably. So the aero engine can be assure to work safely in transition state.【期刊名称】《电子测试》【年(卷),期】2016(000)015【总页数】3页(P21-22,65)【关键词】航空发动机;过渡态;测试系统【作者】张塘卫【作者单位】中国航空动力机械研究所，湖南株洲，412002【正文语种】中文航空发动机的过渡态是指当发动机从一个稳定状态迅速过渡到另一个稳定状态的过程，主要包括启动过程、加速过程、减速过程、接通加力、断开加力、矢量偏转等过程。

航空发动机台架试车工艺流程介绍1 航空发动机试车的一般概念航空发动机试车是指利用专门的试验和测试设备检验全台发动机的性能、可靠性和耐久性的实验过程。

航空发动机是在高温、高压、高转速和高负荷等极为苛刻的条件下工作的，为保证发动机及其系统的可靠性，在发动机交付前，必须进行整机试车。

2 发动机试车台架发动机试车台架主要有以下几部分组成：进气塔、试车间、引射筒、排气筒、排气塔、消音元件。

3 试车类型航空发动机试车类型常见的有四种，分别是：（1）初步运转试车。

发动机第一次装配后，为了磨合发动机零、部件，检查各附件工作情况和装配质量，以及按技术条件调整性能参数而进行的试车，常称工厂试车，有时也称磨合试车、提交试车[1] 。

（2）最终运转试车。

发动机出厂前为了检查最后装配质量和调整性能参数及向订货方提交的试车，也称验收试车，常称检验试车[1] 。

（3）附加试车。

初步运转试车后，由于更换了重要零、部件，而有针对性地考核工作可靠性的试车，一般情况下，运转程序少于初步运转试车[1] 。

（4）油封试车。

为了油封发动机内部而进行的试车。

试车中由起动机带动转子，使发动机的滑油系统、燃油系统及液压系统的所有内腔注入新鲜的油封油。

除常见的试车类型外，还有一些重要的试车种类，如：持久试车、寿命试车、150h 长期试车、破坏试车、空中试车、模拟试车等。

4 试车工艺流程（1）发动机从装配车间通过运输车运至试车厂房，见图2。

（2）使用上部运输系统的吊钩和吊具将发动机从运输车移至预装车上，倒换支点。

上部运输车系统即单轨吊车运输系统。

该系统具有操作方便、控制灵活、占用空间小和活动范围大等特点，非常适用于航空发动机进出试车台架时的运输和精确定位，见图3。

再通过上部运输系统的提升梁将预装位的预装架吊起，移至发动机上方，将发动机安装到预装架上，然后，运送到预装区的安装架台位。

（3）在安装架台位完成发动机的全部安装工作，安装工作的主要内容是：将预装架快装板上的设备系统的供应管路连接到发动机的各个接口；将各测量导管连接到发动机的测量点；将相应的电缆连接到发动机的各插头和传感器；还要进行进气道及各飞机附件的安装和连接。

现代航空发动机温度测试技术发展综述姚艳玲;代军;黄春峰【期刊名称】《航空制造技术》【年(卷),期】2015(000)012【总页数】5页(P103-107)【作者】姚艳玲;代军;黄春峰【作者单位】中航工业燃气涡轮研究院;中航工业燃气涡轮研究院;中航工业燃气涡轮研究院【正文语种】中文航空发动机的研制和发展是一项涉及空气动力学、工程热物理、传热传质、机械、强度、传动、密封、电子、自动控制等多学科的复杂综合性系统工程，必须依托先进的测试方法，进行大量的试验来验证性能及可靠性（见图1）。

可以说，现代航空发动机测试是航空推进技术的支撑性技术，是整个发动机预研试验研究和工程发展阶段的重要技术环节[1]。

它随着第一代发动机研制而产生，随需求牵引和技术进步的推动而发展，经历了半个多世纪的发展历程，已从稳态测试、动态测试向着试验—仿真一体化方向发展。

图1 F135发动机在试车台上进行性能测试随着航空推进技术、计算技术和电子计算机应用技术的发展，人们建立了更加复杂的设计和分析方法加速航空推进技术系统的研制进程，而这些工程设计与分析方法需要更多、更精密的试验测试数据来验证和确认，因此对发动机测试提出了越来越高的要求。

主要表现在：测试项目、内容、参数种类越来越多，测点容量、测量速度、测试精度、测试自动化程度越来越高，测量参数动态变化范围越来越宽，发动机高温、高压、高转速、高负荷、大流量等条件使参数测量越来越困难。

对航空发动机测试技术的系统化、自动化、可靠性和精细化提出了更加严峻的挑战，必须不断研发创新测试技术方法，才能满足现代发动机航空推进技术发展的要求[2]。

以航空发动机试验测试工程技术为背景，以目前国内外正在研制和使用的先进的非干涉特种测量技术为重点，探究各种高温测量技术的发展与应用。

发动机高温测量主要应用于热端部件（燃烧室、涡轮）高温燃气与壁面温度的测量。

温度是确定热端部件性能的最关键参数。

随着发动机推重比的不断增加，涡轮进口温度已从第3代发动机推重比8.0一级的1750K发展到第4代发动机推重比10.0一级的1977K，未来的第5代发动机推重比15.0一级甚至达到2000～2250K，这使得高温燃气与壁测测量(发动机叶片、盘等零件表面温度测量)成为发动机温度测试中难度较大的关键技术[3]。

1超声红外热成像技术的检测原理超声红外热成像检测过程包括超声波能量产生和传播、裂纹摩擦生热、能量热扩散、涡轮叶片表面温度采集等。

超声红外热成像检测系统主要包括超声激励装置、红外热像仪、图像控制和处理系统、被测试件共4部分。

其检测原理是以超声波发生器产生的高频超声波（20~40 kHz）作为激励源，将高频超声波耦合到涡轮叶片内部，当高频超声波传播到涡轮叶片裂纹位置时，裂纹位置处由于塑性变形、摩擦作用、粘弹性效应等产生热量，温度升高；又由于三维热扩散，热量可从裂纹位置传播到涡轮叶片表面对应的位置，利用红外热像仪采集涡轮叶片表面的红外序列图像，对红外序列图像进行处理便可得到内部或者表面裂纹信息。

红外热成像技术中常用的热激励方式包括闪光灯激励、激光激励、卤素灯激励、超声激励等。

超声激励相对于其他激励方式，有如下特点：① 属于选择性激励，仅对裂纹缺陷区域激励，对非裂纹区域不激励，可避免缺陷周围热波信号的干扰；② 不用考虑热激励均匀性，对复杂异形结构试件可以取得较好的检测效果；③ 属于内部激励、体激励方式，而热激励是通过摩擦生热，发热区域比实际裂纹区域要大。

因此，超声激励方式将有助于微小裂纹的检测。

2试验系统与试验制备No.1 超声红外热成像系统超声红外热成像系统主要由超声激励系统、红外热像仪、预紧力系统、夹具、图像处理与控制系统组成；其中超声激励系统包括超声枪（由工具杆、换能器、调幅杆、枪头组成）和超声电源。

红外热像仪型号为FLIR A655sc，属于非制冷型红外热像仪，工作波段为7.5~14 μm，室温下等效噪声温差为0.04 K，图像分辨率为640×480。

超声激励系统最大功率为1200 W，超声频率为20 kHz，超声系统激励时间为0.2~20 s。

预紧力系统通过旋转预紧力手柄迫使预紧力单元向前移动，内部弹簧挤压对超声枪头产生压力，预紧力可调范围为0~1000 N。

夹具用于将超声换能器的能量耦合到涡轮叶片中，使涡轮叶片中的声场均匀分布，呈混沌状态，需要在激励头与叶片间施加恒定的初始静力。

航空发动机的结构复杂精密，其大量零件在十分恶劣的环境下工作，承受着高温、高压和高转速的工作负荷。

发动机工作状态能否满足高性能要求，直接影响飞机的安全性和可靠性。

叶片作为发动机的重要部件之一，在气动、传热、结构强度、振动及疲劳等性能设计方面都面临许多挑战。

一旦叶盘系统发生故障，引起的事故是灾难性的。

航空发动机检测技术是国家科技实力的重要标志，是衡量一个国家动力研发、综合制造水平的关键。

通过各种状态监测手段诊断出航空发动机叶片的早期失效及潜在故障，对于降低故障损失及事故发生率具有重要意义。

因此，迫切需要航空发动机叶片动态监测手段的全面革新，充分考虑气动、传热、结构作用的影响，避免重大恶性事故的发生，以适应航空发动机大幅度提升性能的要求。

研究人员提出了一种铁磁性发动机壳体内叶片动态原位监测的方法，采用涡流检测方法，结合U型磁铁，在铁磁性发动机壳体内表面附近生成涡流场，通过叶片叶尖划过涡流场时产生的电磁感应信号，监测铁磁性发动机壳体内的叶片个数、转速、损伤状态等信息，进一步通过制作监测数据曲线，监测发动机叶片的健康状态，可以解决铁磁性发动机壳体内叶片安全监测的难题。

航空发动机叶片动态监测技术(1) 叶片振动在线监测原理航空发动机风扇叶片的展弦比大、应力水平高、工作条件恶劣，以及高速旋转产生的离心力和气流冲击引起的气动力易使叶片发生振动。

发动机由振动引起的故障占总故障的60%以上，其中叶片振动故障占总振动故障的70%以上。

叶片振动尤其是共振将产生较大的振动应力，易导致叶片疲劳失效。

因此，振动特性分析是研究发动机叶片减振、抗疲劳问题的关键。

现今研究较多的发动机转子部件的故障监测，是通过对处于运行中的部件进行振动信号测量，或者采用人工激励进行振动信号测量，并对所测到的信号进行分析处理，将其特征参数与事先通过统计或预先测量、计算所得的标准参数进行比较，再根据参数间的关系，判断部件的故障。

航空发动机健康监测中，应测量运行时叶片端部的振动，由振幅测量结果来评价发动机是否可以长期运行。

航空发动机制造工艺航空发动机是现代航空器的核心动力装置，其制造工艺对于发动机的性能和可靠性至关重要。

本文将介绍航空发动机制造的一般工艺流程，并重点探讨几个关键环节。

一、航空发动机制造工艺的一般流程航空发动机的制造工艺一般包括设计、材料准备、零部件加工、装配和测试等环节。

首先是设计阶段，工程师根据航空发动机的要求和性能指标进行设计，包括发动机的结构、材料选型、零部件布局等。

设计阶段需要充分考虑发动机的可靠性、可维修性以及制造工艺的可行性。

其次是材料准备，航空发动机使用的材料通常要求具有高温强度、耐腐蚀性和轻量化等特点。

材料准备包括选材、材料测试和材料加工等环节，确保材料的质量和性能符合要求。

然后是零部件加工，航空发动机包含众多的零部件，如涡轮叶片、燃烧室、涡轮盘等。

零部件加工包括铸造、锻造、精密机械加工等过程，确保零部件的精度和质量。

接下来是装配阶段，将各个零部件按照设计要求进行组装。

装配过程需要严格控制零部件的安装位置、间隙和紧固力，确保发动机的正常运转。

最后是测试阶段，对装配完成的发动机进行各种性能和可靠性测试。

测试包括静态试验、动态试验和可靠性试验等，确保发动机在各种工况下都能正常运行。

二、关键环节的探讨1.材料选择：航空发动机的工作环境极其恶劣，对材料的要求非常高。

常用的材料有镍基合金、钛合金、复合材料等。

这些材料具有高温强度、耐腐蚀性和轻量化等特点，能够满足发动机的要求。

2.加工技术：航空发动机的零部件加工需要采用先进的加工技术，如数控加工、激光加工和电火花加工等。

这些技术能够提高零部件的加工精度和质量，同时提高生产效率。

3.装配工艺：航空发动机的装配需要严格控制各个零部件的安装位置、间隙和紧固力。

装配过程中需要使用专用工具和设备，确保装配质量。

4.测试技术：航空发动机的测试是保证发动机性能和可靠性的重要环节。

常用的测试技术有静态试验、动态试验和可靠性试验等。

这些试验能够验证发动机在各种工况下的性能和可靠性。