CAIEC路演 | 中國航發(fā)渦輪院：航空發(fā)動機“背負式”電壓信號采集系統(tǒng)
2022-09-20
產品立足于航空發(fā)動機的實際需求，為提升試驗效率、縮短發(fā)動機的研制周期提供測試保障。
中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院
中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，創(chuàng)建于1965年4月，是以航空發(fā)動機動力技術預先研究、產品研制開發(fā)和整機試驗為主業(yè)的航空科研事業(yè)單位，現(xiàn)隸屬于中國航空發(fā)動機集團有限公司。院擁有研發(fā)總部與大型試驗研究基地。擁有包括高空模擬試車臺在內的多臺套航空發(fā)動機試驗設施，建成后將成為國際一流的航空發(fā)動機高空模擬試驗基地。院堅持以航空動力技術為依托，與國內外多家高校和公司建立技術合作關系，拓展技術成果轉化和應用，培養(yǎng)了一大批高層次科研骨干人才，院榮獲95全國十大科技成就獎1項，國家科技進步特等獎1項，國家級科技進步獎20項，省、部級科技進步獎200余項，國家授權專利115項，科技成果1000余項。
航空發(fā)動機“背負式”電壓信號采集系統(tǒng)
航空發(fā)動機“背負式”電壓信號采集系統(tǒng)突破國內外現(xiàn)有發(fā)動機試驗測試系統(tǒng)在體積、通道密度和應用環(huán)境等方面的限制，可直接裝配在發(fā)動機上。產品將電路系統(tǒng)融入航空連接器內部，是集信號處理和電氣連接為一體的測量產品，能夠為航空、航天、高鐵、船舶、核電等行業(yè)用戶提供低功耗、高可靠、嵌入式的測量服務。產品具有分布式、模塊化、微體積、微功耗、微噪聲、高精度等優(yōu)點，支持多通道電壓/熱電偶信號同步采集，單臺儀器質量為187g，32通道產品尺寸為Φ40mm*112mm，具備同步觸發(fā)采集技術，支持系統(tǒng)擴展級聯(lián)，滿足多方位采集需求。
尊敬的各位專家、評委，大家上午好，我是來自中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院的石飛云。今天我?guī)淼捻椖渴呛娇瞻l(fā)動機“背負式”電壓信號采集系統(tǒng)。接下來我將從四個方面展開介紹。航空發(fā)動機的整個研制周期，包含設計、仿真、制造、試驗等過程。其中試驗作為發(fā)動機研制過程中最為有效的性能調試和技術攻關驗證環(huán)節(jié)，在很大程度上決定了發(fā)動機的研制水平。航空發(fā)動機試驗車臺數(shù)量稀缺，投資造價高達數(shù)千萬甚至上億，這樣的試驗車臺每浪費一個小時都是巨大的損失。但是目前我們在實際的測試中，面臨著測點數(shù)量多且分散、測試管線規(guī)范性差、轉接繁雜、試驗前測試準備周期長等一系列問題。舉個例子，比如說我們在單臺發(fā)動機的整機試驗過程中，僅僅測試管線連接這一項就需要花費兩天的時間，嚴重降低了試驗車臺的利用率，拖延了發(fā)動機的研制進度。那怎樣來解決這個問題呢？這就引出了我們產品的一個核心關鍵詞“背負式”。什么是背負式？通俗地來講就是通過將信號采集處理電路向發(fā)動機端遷移，讓采集儀器作為一種測試背包直接“背負”在航空發(fā)動機身上。這樣一方面我們可以減少發(fā)動機測點傳感與采集儀器之間的外接管線。另一方面，我們在發(fā)動機到達試驗車臺現(xiàn)場之前，就可以完成傳感器與采集器之間的通道連接工作。航空發(fā)動機外部的管路、控制器有很多，所以它可以利用的剩余空間是極其有限的。為了更好地在發(fā)動機上背負安裝，產品的小型化設計就顯得格外重要，這也是我們項目的第二個創(chuàng)新點。我們在產品的內部使用了柔性電路板來提高它的空間利用率，基于熱仿真和熱設計技術來優(yōu)化電路和系統(tǒng)的結構，從而保證產品的可靠性。最終我們產品的通道密度相較傳統(tǒng)的采集儀器提高了約28倍，單臺儀器僅有成年人手掌大小，質量約為4顆雞蛋的重量。在背負式和小型化的設計完成之后，我們最開始設計的是方形的結構，它抗沖擊的能力較差，所以在發(fā)動機上只能通過橫向擴展空間來實現(xiàn)安裝，占據(jù)了兩個安裝邊的位置，給發(fā)動機造成了一定的負擔，導致實施應用非常困難。為了解決這個問題，我們將電路系統(tǒng)融入到了圓形的航空連接器內部，實現(xiàn)了采集儀器與航空插頭的一體化集成。這種一體化集成的圓形結構，一方面它的可靠性更高，可以對發(fā)動機的縱向空間加以利用。另一方面我們目前在發(fā)動機上所使用的航空連接器大多都是圓形結構，所以它的通用性更強，可以為線纜集束和提升試驗現(xiàn)場測試管線規(guī)范性提供一種更好的解決方案。在實際的使用過程中可以根據(jù)具體的測點類型和測點數(shù)量，對我們的儀器進行擴展級聯(lián)、靈活配置。比如說我們目前需要測試的發(fā)動機上有90個測點，而我們單臺儀器支持32通道的同時采集，這個時候我們通過三臺儀器的擴展級聯(lián)就可以實現(xiàn)整臺發(fā)動機的參數(shù)測量。基于以上的創(chuàng)新點，就構成了高精度、高可靠、高實時的一個多通道背負式產品。我們單臺儀器的直徑是40毫米、長112毫米、重187克，僅有2.5瓦的低功耗，支持電壓采集模式和熱電偶采集模式。目前我們的產品已經(jīng)實現(xiàn)了小批量的生產，同時在多個型號的航空發(fā)動機以及多個試驗車臺得到了成功的應用，效果顯著。基于這種小型化、集成式、背負式的設計理念，我們對試驗現(xiàn)場的測試管線進行了更為快速、更為規(guī)范的連接，大大提升了試驗效率，節(jié)約了人力資源。我們以航空發(fā)動機的實際測試需求為出發(fā)點，以解決問題為落腳點，開發(fā)我們的創(chuàng)新產品。我們希望以軍用、民用航空發(fā)動機為市場切入點，推動我們的產品在其他各個行業(yè)中應用。根據(jù)目前擁有的市場資源，我們估計在2025年可以達到3000萬的產值。未來我們希望能夠形成背負式系列產品，實現(xiàn)航空發(fā)動機全流程參數(shù)的測量，進一步推向機載測試產品的設計，最終我們希望背負式系列產品能夠在各個行業(yè)中實現(xiàn)全面產業(yè)化發(fā)展。同時作為一種通用型的測試儀器，我們期待能夠在各個領域形成一定的商業(yè)發(fā)展模式。航空發(fā)動機在整個研制過程中，從方案設計到進行交付，它的整機試驗需要花費1到2萬個小時。我們的產品就是立足于航空發(fā)動機的實際需求，為提升試驗效率、縮短發(fā)動機的整個研制周期提供測試保障。同時作為一種通用型的測試儀器，我們希望能夠為各個行業(yè)提供更為便捷的測試服務。我們的項目團隊依托于中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，我院擁有世界第二，中國唯一的高空模擬試驗臺，試驗資源充沛。我們團隊的成員從事發(fā)動機測試技術研究20余年，經(jīng)驗豐富，科研成果豐碩，相信未來我們絕對有能力推動我們的背負式系列產品在各個行業(yè)中全面開花。以上就是我的全部內容，感謝大家的聆聽，歡迎批評指正。
你好，我有兩個問題。第一，在世界范圍內有沒有與你們的產品類似的產品？第二，你們的產品是背負在發(fā)動機上邊的，那你們有沒有做過溫度、震動等試驗，在這種環(huán)境下，它的性能穩(wěn)定性怎么樣？
石飛云：第一個問題，根據(jù)我們市場調研的情況，國外目前使用的小型溫度/電壓信號采集系統(tǒng)很難滿足航空發(fā)動機高溫、高壓、高負荷的使用環(huán)境。比如說DTS公司，他們有一款微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，體積微小，但價格昂貴，24通道售價40萬，而且僅僅耐溫60℃，就無法滿足航空發(fā)動機的測試需求，所以這也是我們開展項目的初衷，設計一種適用于航空發(fā)動機真實使用環(huán)境的測試產品。同時，這種背負式的理念，也是我們首次在發(fā)動機應用中提出來的。第二個問題，我們在產品的初步設計完成之后，就根據(jù)國軍標軍用裝備的環(huán)境試驗要求對它進行了高溫考核、振動考核以及噪聲考核。最后我們在真實發(fā)動機和真實發(fā)動機臺架上進行了它的背負驗證，它與標準源信號輸出的誤差在0.2%以內，證明了其可靠性。
我看到你們今年的產值規(guī)劃是300萬，到2025年，也就是3年后要達到3000萬。這三年時間你們是如何規(guī)劃的，如何實現(xiàn)從300萬到3000萬的產值提升？
石飛云：300萬是依據(jù)單臺發(fā)動機上使用20臺儀器，單臺儀器預估價是15萬做出的估算，這個目前我們已經(jīng)實現(xiàn)了。3000萬其實是根據(jù)未來幾年發(fā)動機的型號和其產量來進行的估值，我們有自己的完整的產品生產線，所以這個產值是絕對可以保證的。
