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航空发动机计量基础及前沿技术介绍

导读：

随着航空发动机性能的不断提高，对关键参数的测量也提出了更

高的要求。本文针对航空发动机高温、动压、应变及振动等参数的计

量测试技术及难点问题，归纳总结了各种测量方法，介绍了国内外相

关机构为满足测量需求、提高测量准确度所开展的研究工作及成果，

并重点介绍了若干前沿测量技术的特点、应用情况。本文内容旨在提

高航空发动机测试技术的研究效率，为我国航空发动机的研究提供参

考。

引言

计量技术是航空发动机研制过程中重要的基础技术，涉及航空发

动机设计、生产和使用的全过程。有了可靠的计量手段和相应的控制

方法，才能保障航空发动机性能测试的准确可信;同时，计量技术能够

揭示航空发动机更深层次的性质(如结构内部缺陷)，实现健康监测、

诊断和预计，有助于优化其设计。

由于航空发动机的工作环境极为恶劣，很多关键参数又必须采用

在现场或在线的方式进行测试，随着其性能的不断提高，对关键参数

的测量也提出了更高的要求。

目前，在发动机测试技术上，研究内容主要有信号传输技术(滑环

和遥测)、高温动压测量与传感技术、高温燃气测量技术、非干涉壁温

测试技术、动应力测量技术等;在发动机校准技术上，注重更高精度校

准技术的研究;在发动机检测技术上，复合材料、金属基体材料和超级

合金的应用及新加工工艺的应用所需的检测技术是国外一流发动机公

司特别关注的技术;在发动机的控制上，注重机构复杂、控制功能及性

能要求高的数控系统和先进测试技术及校准手段的研究;在发动机零部

件检测方面，解决了一系列的具体问题，如采用激光扫描、影像测量

和三坐标测量机对推重比大于10的发动机和大涵道比涡扇发动机叶片

类部件、发动机燃烧室和火焰筒类部件小孔位置度、发动机推力矢量

喷管等进行测量，开发适用于非金属叶片的叶尖间隙测量技术等，但

具体技术细节未见报道。

本文主要介绍了航空发动机高温、动压、应变及振动等参数的通

用测量方法及前沿测量技术，并就研究、应用情况及未来的发展做了

较详细分析和介绍。

1高温参数计量测试技术

准确测量发动机热端部件特别是涡轮等旋转部温度，是正确评价

涡轮叶片冷却效果和工作状态、保证发动机工作在最佳的温度范围及

其安全性的前提，其测试方法主要包括:

1)测量高温气流温度的方法包括:热电偶测温;燃气分析方法;辐射

测温仪测温;声学测温仪测温;激光测量技术测温;蓝宝石光纤测温。2)

测量高温表面温度的方法包括:薄膜热电偶测温;示温漆测温;光电高温

计测温;各种辐射测温方法，如红外辐射测温、多波长温度测量、谱色

温度测量、多光谱测量方法等。目前国内发动机温度测量大多使用水

冷或气冷保护外壳的铂铑30－铂铑6热电偶传感器。随着高推重比

型号发动机的研制，燃烧室后燃气温度将越来越高。在未来一段时期

内，这些场合的温度测量将继续采用热电偶接触法测量，因此满足更

高要求的热电偶温度传感器是未来的研究重点。

国外，美国NASA在干烧热电偶方面进行了深入的研究，选用耐

温更高的热电偶材料以及外壳(支撑)材料制成温度传感器，可以不使

用水冷或气冷，使测温更高、更准确。选用的热电偶材料主要包括:

1)耐温更高的贵金属热电偶材料如PtＲh40，PtＲh20以及铱铑

热电偶;

2)难熔金属热电偶材料如钨铼合金，测温上限可以达到2300℃或

更高，价格只是贵金属热电偶材料的1/10到1/15，通过表面镀膜或

惰性物填充等工艺改善，可用于高温测量中。美国NASAGlenn研究

中心将钨铼热电偶(W－5%Ｒe/W－26%Ｒe)置于BeO保护套管

内，并在保护套管内充入惰性气体，BeO本身具有优良的高温绝缘性

能并且抗热冲击性强，该传感器在高温气流中使用不需水冷，测温上

限可达2589K;3)非金属热电偶材料如ZrB2，ZrC材料等，如能采取

良好的增韧措施，将具有非常广阔的应用前景。对于干烧热电偶的外

壳材料，俄罗斯选用难熔金属，并在其表面通过电子束溅射等方式镀

膜，目前国内也有