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绘制绿色的天空

在一个移动中的世界里 - 拥有飞行工具和想要飞行的人数不断增加,估计今后20年内需要新增4万多架新飞机。

摄影©Eric Drouin,赛峰集团

减少对环境的影响是航空业正面临的严峻挑战。但是技术创新和发展 - 从概念到认证产品 - 可能需要数十年时间。事实上,2050年的飞机现在正在R & T计划的框架内进行研究,并且在获得批准可安全搭载乘客之前,还要面对漫长的地面和飞行演示计划。

赛峰飞机发动机的开放式转子演示器是通过欧洲清洁天空研发计划(European Clean Sky R&D initiative)开发的,是赛峰飞机发动机公司计划开发的推进系统的一部分,该系统将满足2030年的飞机制造商需求。开放式转子(Open Rotor)配置旨在应对多种技术挑战,例如新的推进模式、创新的空气动力学配置和前所未有的制造工艺。

“配置速度是一项非常重要的标准。将Excel文件集成到系统配置中,不仅可以通过电子表格设置和控制测试,还可以在准备下一个测试的配置时在单独的工作站上执行测试,并且还可以跟踪每个测试的每个配置。”
测试工程师,赛峰飞机发动机公司
开放式转子概念发动机的创新型架构是独一无二的。开放式转子采用赛峰飞机发动机的M88 Rafale发动机,因其紧凑性而被选中,它具有两个分别带有12个和10个复合叶片的反向旋转风扇。前螺旋桨的直径为4米,后螺旋桨的直径略小,这样可以避免与前螺旋桨叶片尖端处发生的涡流相互作用。与传统发动机不同,它们是半开式的,不仅减小了整体重量,而且增加了抽风量,涵道比(冷热气流比率)超过了30:1。发动机气流的增加提高了推进效率,改善了燃油消耗,并因此减少了二氧化碳排放量。与目前的涡扇发动机相比,开放式转子发动机最终可以将油耗和排放降低30%。

Clean Sky包含六名所谓的综合技术展示员(ITD)。赛蜂飞机发动机公司的Clean Sky综合技术示范人员引领着SAGE (可持续环保发动机)的潮流,他们携手行业合作伙伴一起提供全面的开放式转子发动机并进行地面测试。现在,经过八年的发展,赛峰飞机发动机公司已经成功地在法国南部伊斯特尔的全新专用露天试验台上首次进行了开放式转子演示仪的地面测试。

测试演示仪是件复杂的事情
测试是这个开创性项目的重要组成部分,并且采用了开放式转子等开拓性新设计,所以这不是小事。凭借革命性的半开式发动机架构、尖端的新材料和创新的制造工艺,发动机测试必须捕获各种动态数据,既能确保测试的可靠性和完整性,还为设计分析师提供了大量数据供其参考。为此,赛峰飞机发动机公司的测试工程师采用了Brüel & Kjær燃气轮机测试解决方案,该方案的价值早在CFM LEAP*发动机认证期间进行的更大规模的测试中就得到了证明。测试要求使用多种不同的传感器来检测发动机,测量、监控和记录发动机工况。位于马达底座旁边的发动机箱中的高性能数据采集设备收集数据并通过10,000米长的光缆将其传输到600平方米的技术中心。

当将发动机样机置于其运行范围内时,需要非常密切地注意开式转子发动机样机的动态和振动情况,以便在整个测试期间保持发动机的正常运行。工程师们分别从十三个监测站实时跟踪振动和动态响应。然后将获得的全部数据直接发送给赛峰飞机发动机公司在维拉罗什(Villaroche)的设计部门进行测试后分析。能够在各个站点之间轻松共享数据,这就加快了数据评估和决策的过程。

 * LEAP是CFM International的商标,CFM International是通用电气和赛峰飞机发动机公司的一家平股合资公司

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设置 - 快速、简单而万无一失
在进行任何测试之前,工程师必须完成预测试计划和设置的复杂任务,其中包括两个可能非常耗时的阶段。第一阶段涉及到定义许多不同的传感器类型和测量细节。许多第一手资料需要由测试团队进行整理,然后配置到测试系统中。这可能是一项费力而繁琐的工作,它是成功测试的先决条件,但也是引入错误的主要原因。在计划阶段,通过将这些数据整理到一个Microsoft® Excel®文件中,赛峰飞机发动机公司可以简单地将其载入主数据采集PC并设置整个系统。电子表格包含所有用于时间记录和信号处理的定义参数,以及所有传感器及其测量特性。此外,它还包含数据监控终端和可以向测试台试验人员和测试操作人员发出警报的警报监测系统的所有设置。

第二阶段包括将数百个通道的不同数据(如振动、应变、压力和动态位移)物理传输到采集系统。这可能是一件很复杂的事情,需要分清哪些数据传送到哪里以及如何传送。但是,由于该系统是围绕Brüel & Kjær的LAN-XI硬件单元构建的,而该单元没有通道绑定,所以任何通道都可以连接到任何输入。这为配置系统提供了灵活性并节省了时间,因为不需要为特定的数据采集类型指定特定的传感器类型。相同的数据采集系统输入接头可以接受所有类型的传感器,同样可以简化设置并提供多功能性。

密切关注测试
在测试的所有阶段密切关注事情对于确保测试的有效性以及确认动态参数保持在限值范围内非常重要。工程团队实时监测重要参数,以保护发动机的完整性。实时报警可以警告超限,而日志可以记录测试过程。

“该系统必须能管理所有类型的传感器,提供快速实施并允许在不同计算机站上实时监测信号。”
测试工程师,赛峰飞机发动机公司

跟踪采集信号的各个工程团队在可视化和数据处理方面有着截然不同的需求。因此,每个监测站都是独立配置的,为每个部门提供与其各自应用相关的信号。数据是实时提供的,并提供各种测量显示,以便在正确的时间向正确的人员提供正确的信息。数据可以在每次测试期间或之后立即进行更细致地处理或回放,以便在进入下一个测试阶段之前对每个测试阶段进行分析和评估。

06_Painting the sky green试验台上的开放式转子,伊斯特尔(Istres)

在需要的时候和需要的地方共享数据
测试组织的许多部分都需要在记录时访问数据。每个监测站都可以针对具体研究单独配置,因此合作伙伴和客户可以有对自己专有数据的完全访问权限。由于许多不同的人员在关注发动机的特定和不同的部分,因此测试工程师通过最少的培训了解如何快速使用系统是至关重要的。其中一名测试工程师得出结论:“很容易在非常短的时间内向所有不同的工程部门和合作伙伴解释如何使用系统”。数据需要以特定的格式与非现场部门实时共享。位于维拉罗什的研究部门可以在当天访问测试数据。这位工程师补充道,“实时转换为datx格式以及将数据传输到工程处的速度是无与伦比的”。

对开放式转子的测试进行了四天后,我们寻问一位从现场返回的工程师他对在伊斯特尔提供的动态数据采集系统的看法。他的回答令人鼓舞,“我没有什么特别要说的。它做到了我希望它做的一切。我还能要求什么?”一段短暂的停顿后,他补充道,“我只是希望我可以在我的办公室做同样的实时分析,因为我的很多时间都花在了在现场等待发动机旋转。”

对于赛峰飞机发动机公司来说,第一阶段测试的总体结果是令人满意的。下一阶段将带来新的挑战,但该计划的每一步都向更加绿色、清洁的天空迈进了一大步。


COTS的价值
COTS(商业现货)产品的快速可用性、低成本和低风险使其成为定制同等物的绝佳替代品。赛峰飞机发动机公司测试工程师表示同意说:“使用COTS硬件和软件可以更快地解决硬件问题、加快升级速度、降低支持成本并为进一步研究开放了大量的标准分析功能。”


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