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1、NI 技术发动机内部涡轮横动 系统开发我们把基于 PXI 的电子机架安装在发 动机上方，通过特殊 高温电缆保障数据的 完整性。然后通过光 纤电缆连接测试单元 PC 系统与PXI 机箱，实现操作用户 界面及测试控制。- Bernard Killeen.系 统工程师, Richmond Measurement Services, Derby (英 国)The Challenge:在喷气发动机的性能 测试中测量高压涡轮 气流中的空气动力学 数据。The Solution:设计制造预定发动机 减震设备外盒，配有 新型镀铂金的空气动 力学探针。性能测试中的测试发 动机Author (s):Bernard
2、 Killeen.系 统工程师 - Richmond Measurement Services, Derby (英 国)喷气机发动机设计中 广泛采用 CAD 建 模，这类模型异常精 密但却远未达到完 美。为了验证计算机 建模，必须通过真实 发动机上的测试来修 正模型。这是开发过 程中的重要部分。由于气流的温度及压 力关系，涡轮测试相 关性往往是困难的。 在比真实涡轮温度、 压力低的环境下运 行，传统测试模型测 试结果按比例放大。 由于温度及压力的增 加，尖端与轮轴的边 界条件、尖端泄漏、 及比例误差等因素造 成上述测试过程具有 一定局限性。Richmond 测量服务公司 （RMS）需要在劳 斯
3、莱斯 Trent 900 喷气式发动 机涡轮中测量四个位 置的气体环境。测试 设备设计用于测量全 压力、静态压力、流 速、及流向等参数。测试系统组成包括空 气动力学探针、设备 外盒、19 英寸机架 电子单元、用于运动 控制和数据采集的预 定 PC 软件，它结 合 NI- Motion、 NI-DAQmx、 和 NI Measurement Studio软件在 Microsoft Visual Basic 6.0 中编写。我 们把基于 PXI 的 电子机架安装在发动 机上方，通过特殊高 温电缆保障数据的完 整性。然后通过光纤 电缆连接测试单元 PC 系统与 PXI 机箱，实现 操作用户界面及测试
4、 控制。测试车辆图 1 显示性能测试 中的测试发动机。涡 轮的气体入口环境温 度高达 1,700 K，压力达 250 psi。涡轮外套上 温度可达 250 C，是 ATEX Zone 2 级危 险区域。图 1.性能测试中的 测试发动机发动机通过吊架结构 悬挂，以此作为机 身。吊架上留有安装 硬件的空间，但在发 动机测试过程中上述 空间不可接近。电缆 从吊架连接到测试单 元控制室很困难，可 能需要加长电缆，因 此测试单元接收信号 中的干扰将非常大。原则RMS 在用于航空 测试环境的预定仪器 系统上具有相当经 验。该系统设计过程 中，我们希望能够利 用这些经验，并集成 现有硬件，获得以往 成功经验
5、及结构上的 技术支持。一般来说，为保障信 号完整性，传感器与 信号源越近越好，这 意味着电子系统最好 装在发动机上及测试 单元内。我们还希望 系统是模块化、可扩 展的，从而能够适用 于各类灵活的规范。探针穿过涡轮外套的探针 对气流的温度及压力 进行测量。探针尖端 为铂金材料，无缝焊 接在钢性支承管上。 支撑管通过流向探针 尖端的液体冷却。探 针尖端安装压力传感 器及热电偶。涡轮套 外安装有操作探针的 机械装置，同时控制 压力传感器及热电 偶。1/3图 2.铂金探针尖端仪器外盒仪器外盒是一个独立 单元，特有探针操作 器、压力传感器、及 热电偶信号调理单 元。内部温度通过气 冷和水冷系统控制在 7
6、0 C 以下。 单元还具有探针水冷 装置。备用传感器通 道用于健康监测。涡 轮外壳周围共安装四 个外盒。图 3.安装在涡轮外 壳上的设备外盒控制电缆及数据电缆每个外盒都包含气、 液、电子系统。专用 电缆必须能够承受 250 C 高温。 设计采用两条电缆， 一条用于操纵器，控 制发动机及编码信 号；另一条用于模拟 信号。电缆绕过发动 机，从上面通过支撑 吊架连接到吊架上方 的机架系统。吊架吊架包括 NI PXI 机箱，安装 了数据采集及运动控 制系统。此外，机架 包含两台多通道步进 电机及用于电子系统 互连的数据采集接口 单元。吊架还安装了 UPS，在主电源失 效时维持系统供电。 我们还采用了
7、PXI 机箱来监测 气冷及液冷系统。测试单元 PC安装于控制室内的 PC 系统，通过 MXI 及光纤与吊架 PXI 机箱进行通 信。PC 上安装了 额外的数据采集板， 用于监测测试单元内 的信号。我们采用 Windows XP 专业版操作系 统，在 Visual Basic 中用 NIDAQmx、 NI-Motion 及 Measurement Studio 软件编 写预定软件。PC 由 UPS 供 电，在主电源失效情 况下仍可连续供电至 少半小时。图 4. 控制室内的 PC 系统横动软件横动软件模块负责在 气流中移动探针。软 件模块与安装在 PXI 机箱吊架上 的 NI PXI- 7358
8、步进/ 伺服控制器进行通 信。2/3PXI-7358 运行板载程序，负责 在某种原因导致主 PC 失效时将探针收 回到安全位置。数据采集软件数据采集软件模块包 含一系列界面，允许 操作人员根据需要进 行开关。这意味着操 作人员能够更加关注 感兴趣的数据段。保 留的信息在系统安装 机故障排除时是很重 要。该模块还负责记录数 据。软件将数据保存 为一组数据文件，允 许随时调用以改变测 试进程，也可用于后 续分析。校准制造全过程中都进行 了校准。在样机测试 中，系统通过向传感 器输送标校信号，检 查记录数据是否符合 规范。结论横动系统在发动机运 行测试中的性能与预 期相同，数据被有效 采集。客户对数
9、据记 录的品质很满意，并 根据对数据集的检查 将性能测试程序进行 了修改。总共6 次 性能运行，记录超过 100 小时的运行 数据。作者想感谢其助手， QinetiQ 公 司（位于 Farnborough） 的 James Anderson， 为本案例研究所作的 准备。如果您有任何问题, 请留言给 NI 工程 师，我们会尽快给您 回电！Author Information:Bernard Killeen.系 统工程师Richmond Measurement Services, Derby (英 国)性能测试中的测试发 动机LegalThis case study (this case study) was developed by a National Instruments (NI) customer. THIS CASE STUDY IS PROVIDED AS IS WITHOUT WARRANTY OF ANY KIND AND SUBJECT TO CERTAIN RESTRICTIONS AS MORE SPECIFICALLY SET FORTH IN NI.COMS TERMS OF USE 3/3
