航空发动机矢量喷管六分量测力系统研制

论文摘要

随着现代航空工业的迅速发展,推力矢量技术作为现代战斗机的必备技术,已经得到越来越多的重视。发展矢量喷管技术,开展对矢量喷管的研究与试验,成为国际航空界的共识和研发的热点。因此,常规的单分力喷管试验台已经不能满足需求,为此目的,我们开展具有工程实用性质的航空发动机矢量喷管六分量测力系统的研制。本项目是国内首次将应变式测力天平应用于航空发动机推力矢量测量领域,并解决了喷管模型试验器进气管道与测力平台的连接难题,系统具有大载荷、高精度、稳定性好的优点。系统达到了设计技术要求,能够满足矢量喷管推力测量试验的需要。系统由五大部件组成,包括:天平固定基座、六分量天平、喷管试验装置、固定进气管道和静校原位加载装置。其中,六分量天平是整套测量系统的核心部件,设计为装配式盒式天平结构,由固定框、浮动框和四个高精度三维力传感器组成,并装配为一个整体。喷管模型试验装置(包括集气室、燃烧室、稳定段、喷管模型及支架等)都安装在测力天平之上。针对喷管模型试验器进行热态试验时内部气体温度高达2000K的实际情况,系统在设计中采取了多种热防护措施,包括稳定段夹层通冷却水、增设温度膨胀节、增大散热面积和延长热传递距离以及对测力天平进行温度补偿等,确保系统在进行高温热态试验时,整套系统结构的安全和系统测量的精度。采用一组全对称弹性波纹管(两只)作为矢量推力测量平台与固定进气管道之间的引气装置,圆满地解决了喷管模型试验器试验时气源供应对系统测力影响较大的难题,解决了由篦齿进气结构方式造成的气体泄漏从而产生喷管流量无法测量和试验现场噪声巨大的问题。引气装置对测量系统的影响,通过软、硬件设计以及系统的静态、动态校准来修正和消除。采用单元加载与综合加载相结合的混合加载方法进行测量系统原位静态校准;动校校准则先进行气体无流动状态动校试验,再进行标准矢量喷管模型性能试验,并针对试验数据进行理论分析,在天平静态校准公式的基础上,引入温度、压力参数作为自变量,对测力系统使用公式进行了修正,最终完成航空发动机矢量喷管六分量测力系统的全部校准工作,建立了系统输入输出函数。本项目研究中动态校准只需要通过气体无流动状态动校试验修正就可以满足设计技术指标要求的结果,说明了该套系统设计的科学性和合理性。最后,通过轴对称收扩矢量喷管对比试验,对测力系统校准结果进行了验证,确保了系统测量的准确和可靠。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 喷管测力系统国内外研究现状
• 1.2.1 矢量喷管国内外研究现状
• 1.2.2 推力矢量测试平台国内外研究现状
• 1.3 研究的目的和意义
• 1.4 本文的主要研究内容
• 2 系统研制技术要求及难点
• 2.1 推力测力系统应用环境背景
• 2.1.1 矢量喷管模型试验设备情况介绍
• 2.1.2 矢量喷管模型试验设备对测力系统的影响及要求
• 2.2 推力测力系统研制技术要求
• 2.3 测试系统研制技术难点
• 2.4 本章小结
• 3 系统总体方案设计
• 3.1 航空发动机矢量喷管六分量测力系统工作原理
• 3.2 总体设计方案
• 3.3 关键技术问题及解决措施
• 3.3.1 高速气体对测量平台的冲量造成对系统的影响
• 3.3.2 温升及热变形问题
• 3.3.3 天平受力变形后测量准确性的影响问题
• 3.3.4 升力及俯仰力矩加载问题
• 3.3.5 系统的长期稳定性问题
• 3.4 本章小结
• 4 六分量天平的设计与实现
• 4.1 应变式天平的工作原理
• 4.1.1 应变式天平的测量原理
• 4.1.2 应变式天平力与力矩的分解原理
• 4.1.3 应变式天平工作原理
• 4.2 应变式天平的参数设计
• 4.2.1 六分量天平的结构确定
• 4.2.2 六分量天平的参数确定
• 4.2.3 三维力传感器的参数确定
• 4.3 应变式天平的结构设计
• 4.3.1 天平测量元件的结构形式
• 4.3.2 天平测量元件应变的理论计算
• 4.3.3 天平测量元件应变的有限元分析
• 4.4 应变式天平的电路设计
• 4.4.1 应变计的粘贴位置
• 4.4.2 天平测量电路组成
• 4.4.3 天平的补偿电路
• 4.5 应变式天平的施工
• 4.5.1 六分量天平的机械加工
• 4.5.2 应变计的粘贴
• 4.5.3 测量电路的连接、敷设与检查
• 4.5.4 盒式天平的装配
• 5 测试系统的安装与调试
• 5.1 测试系统安装地基的预处理
• 5.2 六分量天平的安装
• 5.3 测试系统原位校准装置的安装
• 5.4 测试系统其它部件的安装
• 5.4.1 稳定段的安装
• 5.4.2 天平零点的调节
• 5.4.3 燃烧室和集气室的安装
• 5.4.4 进气管道的安装
• 5.5 弹性波纹管的对称安装
• 5.6 测试系统的调试
• 5.7 本章小结
• 6 航空发动机矢量喷管六分量测力系统的校准
• 6.1 六分量测力系统静态校准原理
• 6.1.1 静态校准坐标系
• 6.1.2 天平校准公式
• 6.1.3 静态校准方法
• 6.1.4 动态校准方法
• 6.2 六分量测力系统的特性及数据坏值判别方法
• 6.3 六分量测力系统数据采集设备
• 6.4 静态校准
• 6.4.1 三维力传感器的标定
• 6.4.2 六分量天平本体的静态校准
• 6.4.3 测力系统现场静态校准
• 6.5 动态校准
• 6.5.1 气体无流动状态动校试验
• 6.5.2 标准喷管模型性能试验
• 6.5.3 轴对称收扩矢量喷管对比试验
• 6.6 本章小结
• 7 结论和展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 在攻读学位期间发表的论文目录