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Author(s):
Bernard Killeen.系統(tǒng)工程師 - Richmond Measurement Services, Derby (英國)
Industry:
Aerospace/Avionics
Products:
Motion Control, PXI/CompactPCI, Software, Data Acquisition
The Challenge:
在噴氣發(fā)動機的性能測試中測量高壓渦輪氣流中的空氣動力學(xué)數(shù)據(jù)。
The Solution:
設(shè)計制造預(yù)定發(fā)動機減震設(shè)備外盒，配有新型鍍鉑金的空氣動力學(xué)探針。
"我們把基于PXI的電子機架安裝在發(fā)動機上方，通過特殊高溫電纜保障數(shù)據(jù)的完整性。然后通過光纖電纜連接測試單元PC 系統(tǒng)與PXI機箱，實現(xiàn)操作用戶界面及測試控制。"
噴氣機發(fā)動機設(shè)計中廣泛采用CAD 建模，這類模型異常精密但卻遠未達到完美。為了驗證計算機建模，必須通過真實發(fā)動機上的測試來修正模型。這是開發(fā)過程中的重要部分。
由于氣流的溫度及壓力關(guān)系，渦輪測試相關(guān)性往往是困難的。在比真實渦輪溫度、壓力低的環(huán)境下運行，傳統(tǒng)測試模型測試結(jié)果按比例放大。由于溫度及壓力的增加，尖端與輪軸的邊界條件、尖端泄漏、及比例誤差等因素造成上述測試過程具有一定局限性。
Richmond 測量服務(wù)公司（RMS）需要在勞斯萊斯Trent 900 噴氣式發(fā)動機渦輪中測量四個位置的氣體環(huán)境。測試設(shè)備設(shè)計用于測量全壓力、靜態(tài)壓力、流速、及流向等參數(shù)。
測試系統(tǒng)組成包括空氣動力學(xué)探針、設(shè)備外盒、19英寸機架電子單元、用于運動控制和數(shù)據(jù)采集的預(yù)定PC 軟件，它結(jié)合NI-Motion、NI-DAQmx、和NI Measurement Studio軟件在Microsoft Visual Basic 6.0 中編寫。我們把基于PXI 的電子機架安裝在發(fā)動機上方，通過特殊高溫電纜保障數(shù)據(jù)的完整性。然后通過光纖電纜連接測試單元PC 系統(tǒng)與PXI 機箱，實現(xiàn)操作用戶界面及測試控制。
測試車輛
圖1 顯示性能測試中的測試發(fā)動機。渦輪的氣體入口環(huán)境溫度高達1,700 K，壓力達250 psi。渦輪外套上溫度可達250 °C，是ATEX Zone 2 級危險區(qū)域。
圖1.性能測試中的測試發(fā)動機
發(fā)動機通過吊架結(jié)構(gòu)懸掛，以此作為機身。吊架上留有安裝硬件的空間，但在發(fā)動機測試過程中上述空間不可接近。電纜從吊架連接到測試單元控制室很困難，可能需要加長電纜，因此測試單元接收信號中的干擾將非常大。
原則
RMS 在用于航空測試環(huán)境的預(yù)定儀器系統(tǒng)上具有相當(dāng)經(jīng)驗。該系統(tǒng)設(shè)計過程中，我們希望能夠利用這些經(jīng)驗，并集成現(xiàn)有硬件，獲得以往成功經(jīng)驗及結(jié)構(gòu)上的技術(shù)支持。
一般來說，為保障信號完整性，傳感器與信號源越近越好，這意味著電子系統(tǒng)最好裝在發(fā)動機上及測試單元內(nèi)。我們還希望系統(tǒng)是模塊化、可擴展的，從而能夠適用于各類靈活的規(guī)范。
探針
穿過渦輪外套的探針對氣流的溫度及壓力進行測量。探針尖端為鉑金材料，無縫焊接在鋼性支承管上。支撐管通過流向探針尖端的液體冷卻。探針尖端安裝壓力傳感器及熱電偶。渦輪套外安裝有操作探針的機械裝置，同時控制壓力傳感器及熱電偶。
圖2.鉑金探針尖端
儀器外盒
儀器外盒是一個獨立單元，特有探針操作器、壓力傳感器、及熱電偶信號調(diào)理單元。內(nèi)部溫度通過氣冷和水冷系統(tǒng)控制在70 °C 以下。單元還具有探針水冷裝置。備用傳感器通道用于健康監(jiān)測。渦輪外殼周圍共安裝四個外盒。
圖3.安裝在渦輪外殼上的設(shè)備外盒
控制電纜及數(shù)據(jù)電纜
每個外盒都包含氣、液、電子系統(tǒng)。專用電纜必須能夠承受250 °C高溫。設(shè)計采用兩條電纜，一條用于操縱器，控制發(fā)動機及編碼信號；另一條用于模擬信號。電纜繞過發(fā)動機，從上面通過支撐吊架連接到吊架上方的機架系統(tǒng)。
吊架
吊架包括NI PXI 機箱，安裝了數(shù)據(jù)采集及運動控制系統(tǒng)。此外，機架包含兩臺多通道步進電機及用于電子系統(tǒng)互連的數(shù)據(jù)采集接口單元。吊架還安裝了UPS，在主電源失效時維持系統(tǒng)供電。我們還采用了PXI 機箱來監(jiān)測氣冷及液冷系統(tǒng)。
測試單元PC
安裝于控制室內(nèi)的PC系統(tǒng)，通過MXI及光纖與吊架PXI 機箱進行通信。PC 上安裝了額外的數(shù)據(jù)采集板，用于監(jiān)測測試單元內(nèi)的信號。
我們采用Windows XP 專業(yè)版操作系統(tǒng)，在Visual Basic 中用NIDAQmx、NI-Motion及Measurement Studio軟件編寫預(yù)定軟件。
PC 由UPS 供電，在主電源失效情況下仍可連續(xù)供電至少半小時。
圖4. 控制室內(nèi)的PC 系統(tǒng)
橫動軟件
橫動軟件模塊負責(zé)在氣流中移動探針。軟件模塊與安裝在PXI 機箱吊架上的NI PXI-7358 步進/ 伺服控制器進行通信。
PXI-7358 運行板載程序，負責(zé)在某種原因?qū)е轮鱌C失效時將探針收回到安全位置。
數(shù)據(jù)采集軟件
數(shù)據(jù)采集軟件模塊包含一系列界面，允許操作人員根據(jù)需要進行開關(guān)。這意味著操作人員能夠更加關(guān)注感興趣的數(shù)據(jù)段。保留的信息在系統(tǒng)安裝機故障排除時是很重要。
該模塊還負責(zé)記錄數(shù)據(jù)。軟件將數(shù)據(jù)保存為一組數(shù)據(jù)文件，允許隨時調(diào)用以改變測試進程，也可用于后續(xù)分析。
校準
制造全過程中都進行了校準。在樣機測試中，系統(tǒng)通過向傳感器輸送標校信號，檢查記錄數(shù)據(jù)是否符合規(guī)范。
結(jié)論
橫動系統(tǒng)在發(fā)動機運行測試中的性能與預(yù)期相同，數(shù)據(jù)被有效采集�？蛻魧�(shù)據(jù)記錄的品質(zhì)很滿意，并根據(jù)對數(shù)據(jù)集的檢查將性能測試程序進行了修改。總共6 次性能運行，記錄超過100 小時的運行數(shù)據(jù)。
作者想感謝其助手，QinetiQ 公司（位于Farnborough）的James Anderson，為本案例研究所作的準備。
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