航空發(fā)動(dòng)機(jī)要“更有勁”
葉片就必須更高效地對(duì)空氣做功
飛機(jī)要飛得遠(yuǎn)、飛得穩(wěn)
葉片又必須更輕、更省重
問(wèn)題在于:推力越大,葉片越輕
單片葉片承受的氣動(dòng)載荷就越逼近
它的物理極限
一旦某個(gè)點(diǎn)的受力超過(guò)材料承受能力
就可能誘發(fā)振動(dòng)甚至葉片斷裂
那么,如何找到這個(gè)最危險(xiǎn)的受力點(diǎn)?
傳統(tǒng)的氣動(dòng)載荷測(cè)量方法
像拿著聽(tīng)診器做診斷:
把傳感器一個(gè)個(gè)粘在葉片表面
甚至打孔、走線
不僅風(fēng)險(xiǎn)高、效率低,測(cè)點(diǎn)還很有限
三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題始終沒(méi)有答案:
載荷到底在哪里最大?
什么時(shí)候開(kāi)始異常?
整片葉片的分布是什么樣?
這正是高速旋轉(zhuǎn)葉片測(cè)量的核心痛點(diǎn)
為此,西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院
高性能壓氣機(jī)團(tuán)隊(duì)(逆壓行者)
推出航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)載荷可視化系統(tǒng)
旨在將“點(diǎn)測(cè)量”升級(jí)為
“光學(xué)CT式”的全局成像測(cè)量
為下一代發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與安全驗(yàn)證提供關(guān)鍵技術(shù)支撐
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全局成像測(cè)量方法優(yōu)勢(shì)
目前,該系統(tǒng)已在多家航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究所交出了亮眼的成績(jī)單:在中國(guó)航發(fā)624所、606所及中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所等單位,覆蓋風(fēng)洞/試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試、典型工況數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建與在役排故支撐等場(chǎng)景,系統(tǒng)性能得到了充分驗(yàn)證。
綜合應(yīng)用結(jié)果表明,該系統(tǒng)在三個(gè)方面表現(xiàn)優(yōu)異:
精度硬指標(biāo):在高速葉片條件下實(shí)現(xiàn)載荷定性測(cè)量,在常規(guī)風(fēng)洞場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)誤差優(yōu)于1.1%定量測(cè)量;
工況硬指標(biāo):可實(shí)現(xiàn)從低速到高速來(lái)流的精細(xì)化測(cè)量,適應(yīng)超/亞音氣流沖刷與超過(guò)8000rpm轉(zhuǎn)速等典型嚴(yán)苛工況;
效益硬指標(biāo):憑借“噴涂+成像+解算”的全局測(cè)量方式,應(yīng)用過(guò)程中實(shí)現(xiàn)單次測(cè)量成本降低近40%、數(shù)據(jù)量提升5000倍、突破現(xiàn)有測(cè)量盲區(qū)。
應(yīng)用案例:噴涂+成像+解算得到測(cè)量結(jié)果
這項(xiàng)光學(xué)“CT”究竟是如何實(shí)現(xiàn)的?
秘訣就在于環(huán)環(huán)相扣的三步——
一次噴涂、一次成像、一次解算
就能讓高速旋轉(zhuǎn)葉片上的氣動(dòng)載荷像影像一樣清晰可見(jiàn)
第一步:涂料反應(yīng)快,能實(shí)時(shí)將載荷變化轉(zhuǎn)換為圖像。
要讓看不見(jiàn)的載荷變成圖像,首先得完成這種轉(zhuǎn)換。團(tuán)隊(duì)采用了一種會(huì)發(fā)光的壓力敏感涂料,它能像皮膚一樣緊貼葉片,實(shí)時(shí)將壓力變化轉(zhuǎn)譯成光信號(hào)。但要在1.5馬赫(即1.5倍音速)的氣流沖刷下,以每秒數(shù)千次的頻率響應(yīng)給出數(shù)據(jù),對(duì)涂料的考驗(yàn)極大。團(tuán)隊(duì)通過(guò)千百次實(shí)驗(yàn),終于讓涂料既扛得住狂風(fēng),又反應(yīng)神速,為高速旋轉(zhuǎn)葉片的測(cè)量打牢基礎(chǔ)。
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涂料在葉片承受500m/s風(fēng)速附著在葉片表面
第二步:成像能定格,給高速葉片拍出無(wú)影照。
葉片一轉(zhuǎn)就是每秒幾百轉(zhuǎn),普通相機(jī)拍出來(lái)全是拖影。如果照片是糊的,再快的翻譯也無(wú)用。為此,團(tuán)隊(duì)引入鎖相累積技術(shù)——就像給高速攝像機(jī)裝上一只精準(zhǔn)的機(jī)械快門,只等葉片轉(zhuǎn)到特定角度時(shí)才打開(kāi),反復(fù)捕捉微弱信號(hào)并疊加成一張清晰的照片。這項(xiàng)能力覆蓋了現(xiàn)有航空發(fā)動(dòng)機(jī)的全部轉(zhuǎn)速范圍,讓高速飛旋的葉片在鏡頭里像靜止一樣,讓熒光信號(hào)清晰無(wú)損地被記錄下來(lái),為載荷解算提供高質(zhì)量數(shù)據(jù)。
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鎖相累積采集方法
第三步:解算更聰明,把2D熒光重構(gòu)為3D載荷云圖。
最后一步,也是最關(guān)鍵的一步:如何把熒光照片變成工程師能直接使用的載荷數(shù)據(jù)?團(tuán)隊(duì)建立了一套高精度的標(biāo)定體系,精準(zhǔn)建立了熒光亮度與壓力分布之間的映射關(guān)系。但這還不夠,二維的翻譯只能給出平面上的載荷分布,葉片是立體的,載荷分布也必須是立體的。團(tuán)隊(duì)融合了雙目視覺(jué)原理:就像人的兩只眼睛能判斷距離一樣,通過(guò)雙視角拍攝,直接從2D熒光計(jì)算出3D氣動(dòng)載荷分布,實(shí)現(xiàn)一鍵重構(gòu)。最終呈現(xiàn)在工程師面前的,不再是晦澀的數(shù)字或曲線,而是一幅幅色彩斑斕、直觀易懂的載荷云圖,從而完成了從技術(shù)到工具的關(guān)鍵轉(zhuǎn)變。
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2D圖像重構(gòu)3D數(shù)據(jù)
目前,團(tuán)隊(duì)已形成整套測(cè)量系統(tǒng)為主、涂料耗材與數(shù)字服務(wù)為輔的產(chǎn)品供給策略,并完善供應(yīng)鏈,力爭(zhēng)滿足不同客戶的工程需求。更關(guān)鍵的是:相較傳統(tǒng)大量傳感器布點(diǎn)的方式,這套系統(tǒng)以“大面積噴涂+一次性全局測(cè)量”的方式,正在把復(fù)雜測(cè)試變得更快、更省、更安全。未來(lái),在汽車、低空飛行器、壓縮機(jī)、風(fēng)力機(jī)等行業(yè),這項(xiàng)技術(shù)同樣有望帶來(lái)一場(chǎng)測(cè)試范式的升級(jí)——讓更多高速旋轉(zhuǎn)的葉片,從點(diǎn)測(cè)量走向全局成像。
高性能壓氣機(jī)團(tuán)隊(duì)介紹:
團(tuán)隊(duì)依托輕型渦輪全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流動(dòng)力學(xué)陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,現(xiàn)有教師6人,其中國(guó)家級(jí)領(lǐng)軍人才1人,全日制在讀碩博士研究生48人。團(tuán)隊(duì)聚焦葉柵內(nèi)流空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)研究與應(yīng)用創(chuàng)新,以“培養(yǎng)動(dòng)力強(qiáng)國(guó)‘總師型’人才”為育人目標(biāo),構(gòu)建了“情懷+能力”同向同行的培養(yǎng)體系。近年來(lái)承擔(dān)國(guó)家級(jí)項(xiàng)目及課題10余項(xiàng),獲得2025中國(guó)國(guó)際大學(xué)生創(chuàng)新大賽全國(guó)金獎(jiǎng)、2025中國(guó)研究生“雙碳”創(chuàng)新創(chuàng)意大賽金獎(jiǎng)等各類獎(jiǎng)項(xiàng)20余項(xiàng),發(fā)表高水平論文200余篇,授權(quán)發(fā)明專利100余項(xiàng)。
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逆壓行者,向難而行
千磨萬(wàn)擊,終見(jiàn)長(zhǎng)空
出品 | 黨委宣傳部
來(lái)源 | 動(dòng)力與能源學(xué)院
文字 | 喬詩(shī)琪
圖片 | 團(tuán)隊(duì)提供
編輯 | 任藝彤
責(zé)編 | 趙 勇
審核丨徐永超 付 怡
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