金宗亮

摘要：本文针对压气机试验中状态稳定的判定方法与稳态数据录取的采样时间进行研究，并以某高压压气机试验为例，对不同录取方法获取的试验数据进行对比分析。结果表明，等熵效率可作为压气机试验状态稳定的表征参数，通过实时效率判定是否具备稳态数据采集条件可以保证试验数据的质量;压气机总性能参数测量不确定度分量中，测量设备误差导致的系统不确定度占主导，在压气机状态稳定后采集10秒取平均值作为测量结果，可以有效降低随机标准不确定度。

关键词：压气机;性能试验;状态判定;采样时间

0  引言

试验技术在航空发动机研制过程中起到重要支撑作用，航空发动机研制的过程是设计与试验反复迭代的过程[1]。从试验运行成本以及项目周期的角度，试验数据的质量、试验结果的有效性至关重要。在高压压气机试验中，影响试验数据质量的因素主要包括两个方面，一方面是测量设备的精度，另一方面是试验数据录取的方法。其中，前者决定数据测量的系统不确定度，后者影响数据测量的随机不确定度。

为了获取压气机真实的性能参数，在录取某一工况下的稳态数据时，通常稳定一段时间使得压气机状态达到稳定，此外消除引压管延迟等因素的影响。另一方面，为了消除随机效应造成的测量误差，通常将采集一段时间的数据取平均值作为测量结果。以国外某先进压气机试验单位为例，为保证试验数据质量，在每次调节压气机工作状态后，稳定2分钟进行数据采集，每次采集30秒，采样频率10Hz，取平均值作为该状态点的稳态测量结果。这种试验工艺虽然便于执行，但是在开展试验的过程中发现，按照这种方式录取稳态数据大幅度增加了试验时长，造成了试验成本的提高。

本文针对压气机试验中状态稳定的判定方法与稳态数据录取的采样时间进行研究，找到一种有效的判定方法以及合理的数据采样时间，在保证试验数据质量的前提下缩短数据录取所需时间。

1  状态稳定判定方法

压气机总性能参数主要包括换算流量、压比及等熵效率，是压气机试验过程中获取的最关键的参数。其中，等熵效率的输入参数包括压气机进口总压、总温与压气机出口总压、总温。试验过程中，压气机转速、压比、可调静叶角度、进气节流比、引气量的变化均会引起上述四个输入参数的变化。因此，将压气机等熵效率作为判定压气机状态稳定的表征参数，试验中通过观察实时效率判定是否具备稳态数据采集条件是一种易于实现的方法。

本文以某高压压气机试验为例，在不同转速下完成压气机工作状态调节后，采取两种方式录取试验数据。第一组数据为效率稳定后采集的数据，第二组为稳定2分钟后采集的数据。每次采集时间30秒，采样频率10Hz，取平均值作为测量结果。

某转速下压比调节前后效率的变化如图1所示。上文所述效率稳定后开始采集数据的时刻对应图1中所示80s时刻。此外，最后一次作动排气阀门时刻为图1中所示约55s时刻。

按照上述两种方式录取压气机80%、87%、94%相对换算转速下堵点至最高效率点的试验数据，将设计点压比、换算流量作为参考点，无量纲化的换算流量-压比、换算流量-效率特性线如图2、图3所示。

两种录取方式得到的特性线几乎完全重合，表明效率稳定后录取数据与工况调节完成后稳定2分钟录取数据得到的试验结果基本没有差异。然而，由图1可知，在阀门调节完成后约25秒效率达到稳定，相比于稳定2分钟后采集数据，大幅度缩短了稳态数据采集前稳定的时间。此外，试验过程中发现，不同转速下，调节压比后效率达到稳定所需的时间不同;相同转速下，调节节流比、引气率、可调静叶角度与调节压比后效率达到稳定的时间也不同，但总体上效率稳定所需时间短于2分钟。

此外，从转子叶尖间隙对压气机性能影响的角度[4]，本文进行了进一步的探讨。调节压气机工况后稳定时间不同，转子叶片叶尖间隙会有一定差异。以压气机升转过程为例，从87%相对换算转速升转至91%相对换算转速后，转子叶尖间隙的变化如图4所示。

由图4可知，压气机转速升高后，在离心力的转子叶片伸长，叶尖间隙减小;随后机匣温度升高产生热膨胀，叶尖间隙增大;最后随着转子温度的升高，叶尖间隙略有减小。压气机转速调节后10分钟，转子叶尖间隙尚未完全达到平衡。因此，通过稳定一段时间使转子叶尖间隙稳定后进行采集稳态数据，在实际试验过程中不具备可执行性。

综上所述，利用实时效率判定是否具备稳态采集条件的方法可行且有效，在保证数据质量的同时缩短了稳定时间。此外，对于不同台份的压气机，这种判定方法有利于保证试验数据质量的一致性，比通过计时判定状态稳定的方法更加合理。

2  稳态数据采样时间

稳态数据采集的采样时间主要用于提高重复测量次数，降低随机效应导致的测量不确定度。为了研究采样时间对测量结果的影响，将压气机相同工况下采集10秒的数据与采集30秒的数据进行对比，不同采样时间的测量结果如图5、图6所示。

采集10秒取平均值与采集30秒取平均值得到的特性线差异非常小。为了更直观的从数值上对比不同采样时间对测量结果的影响，本文对测量结果的随机标准不确定度进行对比。

对于压气机性能参数的测量不确定度，朱理等[3，4]以某型压气机试验中效率和流量测量为例，对测量不确定度评定方法进行了介绍。其中，包括重复测量误差对应的不确定度，即本文所述的随机不确定度。根据标准不确定度的A类评定方法，可通过参数样本的标准差计算测量参数的随机标准不确定度[5]。

本文以94%相对换算转速的某状态点的试验数据为例，换算流量、压比、效率的标准差以及根据公式（1）、公式（2）计算得到的随机标准不确定度如表1所示。其中，Wc表示换算流量，π表示压比，η表示效率。

由表1可知，无论采集30秒还是采集10秒，测量结果的随机标准不确定度都非常小，延长采样时间的收益不大。此外，根据以往试验数据分析结果，压气机总性能参数的测量不确定度主要来源于前端受感部，如总温总压探针、热电偶等，以及后端測量设备如温度扫描阀、压力扫描阀。

因此，在压气机试验状态稳定后，采集10秒取平均值作为测量结果，可以有效降低测量结果的随机标准不确定度，保证试验数据的质量。

3  结语

关于压气机性能试验中稳态数据的录取方法，总结如下：

①等熵效率可作为压气机试验中判定状态稳定的表征参数，通过实时效率判断是否具备稳态采集条件的方法可行且易于实施。此外，这种方法在保证数据质量的同时缩短了稳定时间，比通过计时判定状态稳定更加合理。

②压气机总性能参数测量不确定度分量中，测量设备误差导致的系统不确定度占主导，在压气机状态稳定后采集10秒取平均值作为测量结果，可以有效降低随机标准不确定度，进一步延长采样时间的收益。

参考文献：

[1]向宏辉，侯敏杰，等.轴流风扇/压气机气动性能试验若干问题探讨[J].航空动力学报，2015，30（6）：1423-1431.

[2]曹传军，翟志龙.叶尖间隙对民用大涵道比跨音速压气机性能的影响[J].科学技术与工程，2019（10）：230-236.

[3]朱理，吴伟力.某型压气机效率测量不确定度的评定[J].测控技术，2011（30）：403-407.

[4]朱理，单晓明.某压气机空气流量测量不确定度的评定[C]. 2007年航空试验测试技术学术交流会.乌鲁木齐：测控技术，2007：647-652.

[5]ASME PTC19.1 Test Uncertainty[S]. New York. American Society of Mechanical Engineers， 2013.