CAIEC路演 | 中国航发涡轮院：航空发动机“背负式”电压信号采集系统
2022-09-20
产品立足于航空发动机的实际需求，为提升试验效率、缩短发动机的研制周期提供测试保障。
中国航发四川燃气涡轮研究院
中国航发四川燃气涡轮研究院，创建于1965年4月，是以航空发动机动力技术预先研究、产品研制开发和整机试验为主业的航空科研事业单位，现隶属于中国航空发动机集团有限公司。院拥有研发总部与大型试验研究基地。拥有包括高空模拟试车台在内的多台套航空发动机试验设施，建成后将成为国际一流的航空发动机高空模拟试验基地。院坚持以航空动力技术为依托，与国内外多家高校和公司建立技术合作关系，拓展技术成果转化和应用，培养了一大批高层次科研骨干人才，院荣获95全国十大科技成就奖1项，国家科技进步特等奖1项，国家级科技进步奖20项，省、部级科技进步奖200余项，国家授权专利115项，科技成果1000余项。
航空发动机“背负式”电压信号采集系统
航空发动机“背负式”电压信号采集系统突破国内外现有发动机试验测试系统在体积、通道密度和应用环境等方面的限制，可直接装配在发动机上。产品将电路系统融入航空连接器内部，是集信号处理和电气连接为一体的测量产品，能够为航空、航天、高铁、船舶、核电等行业用户提供低功耗、高可靠、嵌入式的测量服务。产品具有分布式、模块化、微体积、微功耗、微噪声、高精度等优点，支持多通道电压/热电偶信号同步采集，单台仪器质量为187g，32通道产品尺寸为Φ40mm*112mm，具备同步触发采集技术，支持系统扩展级联，满足多方位采集需求。
尊敬的各位专家、评委，大家上午好，我是来自中国航发四川燃气涡轮研究院的石飞云。今天我带来的项目是航空发动机“背负式”电压信号采集系统。接下来我将从四个方面展开介绍。航空发动机的整个研制周期，包含设计、仿真、制造、试验等过程。其中试验作为发动机研制过程中最为有效的性能调试和技术攻关验证环节，在很大程度上决定了发动机的研制水平。航空发动机试验车台数量稀缺，投资造价高达数千万甚至上亿，这样的试验车台每浪费一个小时都是巨大的损失。但是目前我们在实际的测试中，面临着测点数量多且分散、测试管线规范性差、转接繁杂、试验前测试准备周期长等一系列问题。举个例子，比如说我们在单台发动机的整机试验过程中，仅仅测试管线连接这一项就需要花费两天的时间，严重降低了试验车台的利用率，拖延了发动机的研制进度。那怎样来解决这个问题呢？这就引出了我们产品的一个核心关键词“背负式”。什么是背负式？通俗地来讲就是通过将信号采集处理电路向发动机端迁移，让采集仪器作为一种测试背包直接“背负”在航空发动机身上。这样一方面我们可以减少发动机测点传感与采集仪器之间的外接管线。另一方面，我们在发动机到达试验车台现场之前，就可以完成传感器与采集器之间的通道连接工作。航空发动机外部的管路、控制器有很多，所以它可以利用的剩余空间是极其有限的。为了更好地在发动机上背负安装，产品的小型化设计就显得格外重要，这也是我们项目的第二个创新点。我们在产品的内部使用了柔性电路板来提高它的空间利用率，基于热仿真和热设计技术来优化电路和系统的结构，从而保证产品的可靠性。最终我们产品的通道密度相较传统的采集仪器提高了约28倍，单台仪器仅有成年人手掌大小，质量约为4颗鸡蛋的重量。在背负式和小型化的设计完成之后，我们最开始设计的是方形的结构，它抗冲击的能力较差，所以在发动机上只能通过横向扩展空间来实现安装，占据了两个安装边的位置，给发动机造成了一定的负担，导致实施应用非常困难。为了解决这个问题，我们将电路系统融入到了圆形的航空连接器内部，实现了采集仪器与航空插头的一体化集成。这种一体化集成的圆形结构，一方面它的可靠性更高，可以对发动机的纵向空间加以利用。另一方面我们目前在发动机上所使用的航空连接器大多都是圆形结构，所以它的通用性更强，可以为线缆集束和提升试验现场测试管线规范性提供一种更好的解决方案。在实际的使用过程中可以根据具体的测点类型和测点数量，对我们的仪器进行扩展级联、灵活配置。比如说我们目前需要测试的发动机上有90个测点，而我们单台仪器支持32通道的同时采集，这个时候我们通过三台仪器的扩展级联就可以实现整台发动机的参数测量。基于以上的创新点，就构成了高精度、高可靠、高实时的一个多通道背负式产品。我们单台仪器的直径是40毫米、长112毫米、重187克，仅有2.5瓦的低功耗，支持电压采集模式和热电偶采集模式。目前我们的产品已经实现了小批量的生产，同时在多个型号的航空发动机以及多个试验车台得到了成功的应用，效果显著。基于这种小型化、集成式、背负式的设计理念，我们对试验现场的测试管线进行了更为快速、更为规范的连接，大大提升了试验效率，节约了人力资源。我们以航空发动机的实际测试需求为出发点，以解决问题为落脚点，开发我们的创新产品。我们希望以军用、民用航空发动机为市场切入点，推动我们的产品在其他各个行业中应用。根据目前拥有的市场资源，我们估计在2025年可以达到3000万的产值。未来我们希望能够形成背负式系列产品，实现航空发动机全流程参数的测量，进一步推向机载测试产品的设计，最终我们希望背负式系列产品能够在各个行业中实现全面产业化发展。同时作为一种通用型的测试仪器，我们期待能够在各个领域形成一定的商业发展模式。航空发动机在整个研制过程中，从方案设计到进行交付，它的整机试验需要花费1到2万个小时。我们的产品就是立足于航空发动机的实际需求，为提升试验效率、缩短发动机的整个研制周期提供测试保障。同时作为一种通用型的测试仪器，我们希望能够为各个行业提供更为便捷的测试服务。我们的项目团队依托于中国航发四川燃气涡轮研究院，我院拥有世界第二，中国唯一的高空模拟试验台，试验资源充沛。我们团队的成员从事发动机测试技术研究20余年，经验丰富，科研成果丰硕，相信未来我们绝对有能力推动我们的背负式系列产品在各个行业中全面开花。以上就是我的全部内容，感谢大家的聆听，欢迎批评指正。
你好，我有两个问题。第一，在世界范围内有没有与你们的产品类似的产品？第二，你们的产品是背负在发动机上边的，那你们有没有做过温度、震动等试验，在这种环境下，它的性能稳定性怎么样？
石飞云：第一个问题，根据我们市场调研的情况，国外目前使用的小型温度/电压信号采集系统很难满足航空发动机高温、高压、高负荷的使用环境。比如说DTS公司，他们有一款微型数据采集系统，体积微小，但价格昂贵，24通道售价40万，而且仅仅耐温60℃，就无法满足航空发动机的测试需求，所以这也是我们开展项目的初衷，设计一种适用于航空发动机真实使用环境的测试产品。同时，这种背负式的理念，也是我们首次在发动机应用中提出来的。第二个问题，我们在产品的初步设计完成之后，就根据国军标军用装备的环境试验要求对它进行了高温考核、振动考核以及噪声考核。最后我们在真实发动机和真实发动机台架上进行了它的背负验证，它与标准源信号输出的误差在0.2%以内，证明了其可靠性。
我看到你们今年的产值规划是300万，到2025年，也就是3年后要达到3000万。这三年时间你们是如何规划的，如何实现从300万到3000万的产值提升？
石飞云：300万是依据单台发动机上使用20台仪器，单台仪器预估价是15万做出的估算，这个目前我们已经实现了。3000万其实是根据未来几年发动机的型号和其产量来进行的估值，我们有自己的完整的产品生产线，所以这个产值是绝对可以保证的。
