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摘要：本文对压气机试验中压力扫描阀参考端的选取进行了研究，通过测量不确定度分析得到压力扫描阀压差传感器与绝压传感器量程的理论最优分配关系，并以此为依据提出了选取级间壁面静压作为参考端的方案。为验证该方案的可行性与有效性，本文以某十级高压压气机试验为例，分析大气压作为参考端与压气机出口壁面静压作为参考端的测量数据，对比了两种方案下压气机出口总压的测量不确定度。结果表明，对于高压比工况，使用压气机出口壁面静压作为参考端，压气机出口总压测量的扩展不确定度可降低约0.4kPa，对于提升压气机高转速工况的压力测量精度意义不大。对于压比不小于3的工况，使用壁面静压作为参考端可保证出口总压测量相对扩展不确定度小于0.2%，显著提高了中低转速工况的压力测量精度。
Abstract： The reference layer for the pressure scanners in the compressor test is investigated through theoretical analysis and test data. Using the static pressure in compressor stages as the reference layer is proposed based on the theoretical optimal ratio of range between the differential pressure sensor and the absolute pressure sensor. In order to verify the feasibility and effectiveness， this methodology has been adopted in a ten-stage compressor test. Indicated by the result， the expanded measurement uncertainty of the total pressure at compressor outlet can be reduced by approximately 0.4kPa， which has little effect on improving the pressure measurement accuracy under high-speed operating conditions of the compressor. However， the relative expanded uncertainty is less than 0.2% for the operating conditions where the pressure ratio is higher than 3， which significantly improves the pressure measurement accuracy at low and medium speeds.
關键词：压气机试验;压力扫描阀;参考端
Key words： pressure scanner;reference layer;compressor test
0 引言
航空发动机的研制在一定程度上依赖测试技术的发展，随着研制的深入，对试验过程中参数测量精度的要求不断提高，以获取更精确的试验数据用于支撑设计优化。压力扫描阀是航空发动机试验测试领域广泛应用的压力测量设备，具有测量精度高、集成度高的优点[1]。压力扫描阀配备参考端和测量端，以PSI9116压力扫描阀为例，16路测量端分别对应16个独立的压差传感器，用于测量各测点与参考端的压差。在航空发动机高压压气机试验中，通常将压力扫描阀的参考端通大气，使用高精度的绝压传感器测量大气压作为参考压力，压力测量值为参考压力值与压力扫描阀测量的压差值之和。然而，对于多级轴流式压气机，设计点压比高，使用大气压作为参考端导致用于压气机出口及后面级压力测量的扫描阀的量程远大于绝压传感器的量程，这种量程分配方式对于测量精度造成一定影响。
本文针对压力扫描阀在高压压气机试验中的应用，研究参考端的选取方法。以某十级高压压气机试验为例，通过测量不确定度分析得出理论上的量程最优分配方案，以此为依据提出一种压力扫描阀参考端的选取方法，达到优化量程分配、降低测量不确定度的目的，并通过试验数据验证这种选取方法的可行性与有效性。
1 理论分析
测量过程中的随机效应和系统效应均会导致测量不确定度，总体标准不确定度为随机标准不确定度与系统标准不确定度的合成标准不确定度[2]。
2 参考端的选取方案
2.1 初步方案
试验过程中，高压压气机出口总压随试验工况变化，为了使压力扫描阀与绝压传感器量程满足上述关系，存在一个问题。若选择一个低压的参考端，高转速压气机出口总压与参考端的压差会超过压力扫描阀的量程，导致无法测量;若选择一个高压的参考端，在压气机低转速时，参考端的压力会超过压气机出口总压，导致无法测量。因此，需要选择一个压力可变的参考端。
为了满足上述参考端压力可变的需求，压气机的级间压力是一个合适的选择，既满足压力随试验工况变化，又不需要增加额外的压力源和压力调节装置。此外，为了便于测点的布置和引压管的安装，可选择级间壁面静压作为参考端。参考端初步方案如图1所示。
2.2 级间位置的选取
根据前述总量程与绝压传感器量程的理论最优关系，选取的参考端时，压气机出口总压与参考端压力的比值为1.4是最理想的情况。
多级轴流式高压压气机的单级平均压比一般在1.2～1.5，前面级压比通常高于后面级[3]。因此，前一级的静压可作为参压力扫描阀考端选项之一。根据设计阶段的计算结果，第十级设计点压比为1.23。但是，航空发动机的喘振裕度一般要求达到25%以上，对于喘点附近，压气机出口总压与前一级壁面静压的比值超过1.5。因此，选择前一级静压作为参考端，压力偏小。 3 可行性验证
根据公式（1），测量结果的合成标准不确定度中，除系统标准不确定度分量，还包含随机标准不确定度分量。根据标准不确定度的A类评定方法[4]，通过测量数据的标准差，计算直接测量参数的随机标准不确定度。
为验证级间壁面静压作为参考端的可行性，本文以某型高压压气机在某转速的测量数据为例，分别对选择大气压作为参考端与选择压气机出口壁面静压作为参考端进行不确定度分析。试验中每个稳定工况点录取数据30秒，采样频率10Hz，取平均值作为该工况下的测量结果。
大气压作为参考端与压气机出口壁面静压作为参考端的一组30秒测量数据如图2与图3所示。图中，Pr1表示大气压测量值，Pd1表示压力扫描阀测量的压差值;Pr2表示压气机出口壁面静压测量值，Pd2表示压力扫描阀测量的压差值。
两组测量数据的标准差与随机标准不确定度如表1所示。
由表2可知，虽然压气机出口壁面壁面靜压的波动量大于大气压，但综合参考端测量值的随机标准不确定度与压差测量值的随机标准不确定度，压气机出口总压测量值的合成随机标准不确定度仅增大约0.035kPa。因此，选择级间壁面静压作为参考端的方法可行。
4 对测量不确定度的影响
4.1 某工况点总压测量不确定度对比
两种参考端选取方法对应的测量设备精度与量程如表2所示。
根据公式（3）与表2数据分别计算两种参考端选取方式的系统标准不确定度，并根据公式（1）与表1数据计算合成标准不确定度。此外，假设测量误差符合正态分布，近似95%包含概率的包含因子取值2，则扩展不确定度为：
4.2 不同压比下对测量不确定度的对比
不同压比下，压气机出口总压不同，为了更加直观，采用相对不确定进行对比。压气机出口总压相对扩展不确定度定义如下。
由图4可知，选取压气机出口壁面静压作为参考端，可保证在压比3～18范围内，压气机出口总压测量不确定度小于0.2%，有助于提升压气机低转速时的出口总压测量精度。
5 结论
关于压气机试验中压力扫描阀参考端的选取，总结如下：
①对于高压压气机出口总压的测量，使用压气机出口壁面静压作为参考端相比于大气压作为参考端，随机不确定度不会因参考端压力波动而显著增大，系统不确定度因量程分配的优化而降低。
②对于高压比工况，使用压气机出口壁面静压作为参考端，可在一定程度上降低压气机出口总压的测量不确定度，扩展不确定度降低约0.4kPa，因此对于提升高转速工况的压力测量精度意义不大。但是，对于压比不小于3的工况，使用壁面静压作为参考端可保证出口总压测量相对扩展不确定度小于0.2%，显著提高了中低转速工况的压力测量精度。
③对于多级轴流式高压压气机的出口总压或后面级总压测量，可以考虑选取该级的壁面静压或者前一级的壁面静压作为参考端的备选方案，用于提高中低转速工况的压力测量精度。
参考文献：
[1]Bela G. Liptak， Kriszta Venczel. Pressure Scanners[J]， Measurement and Safety. 2016， 1252-1258.
[2]ASME PTC19.1 Test Uncertainty[S]. New York. American Society of Mechanical Engineers， 2013.
[3]GB/T27418，测量不确定度评定与表示[S].北京：国家质量技术监督局，2017.
[4]胡俊.航空叶片机原理[M].北京：国防教育出版社，2014：25-102.
Abstract： The reference layer for the pressure scanners in the compressor test is investigated through theoretical analysis and test data. Using the static pressure in compressor stages as the reference layer is proposed based on the theoretical optimal ratio of range between the differential pressure sensor and the absolute pressure sensor. In order to verify the feasibility and effectiveness， this methodology has been adopted in a ten-stage compressor test. Indicated by the result， the expanded measurement uncertainty of the total pressure at compressor outlet can be reduced by approximately 0.4kPa， which has little effect on improving the pressure measurement accuracy under high-speed operating conditions of the compressor. However， the relative expanded uncertainty is less than 0.2% for the operating conditions where the pressure ratio is higher than 3， which significantly improves the pressure measurement accuracy at low and medium speeds.
關键词：压气机试验;压力扫描阀;参考端
Key words： pressure scanner;reference layer;compressor test
0 引言
航空发动机的研制在一定程度上依赖测试技术的发展，随着研制的深入，对试验过程中参数测量精度的要求不断提高，以获取更精确的试验数据用于支撑设计优化。压力扫描阀是航空发动机试验测试领域广泛应用的压力测量设备，具有测量精度高、集成度高的优点[1]。压力扫描阀配备参考端和测量端，以PSI9116压力扫描阀为例，16路测量端分别对应16个独立的压差传感器，用于测量各测点与参考端的压差。在航空发动机高压压气机试验中，通常将压力扫描阀的参考端通大气，使用高精度的绝压传感器测量大气压作为参考压力，压力测量值为参考压力值与压力扫描阀测量的压差值之和。然而，对于多级轴流式压气机，设计点压比高，使用大气压作为参考端导致用于压气机出口及后面级压力测量的扫描阀的量程远大于绝压传感器的量程，这种量程分配方式对于测量精度造成一定影响。
本文针对压力扫描阀在高压压气机试验中的应用，研究参考端的选取方法。以某十级高压压气机试验为例，通过测量不确定度分析得出理论上的量程最优分配方案，以此为依据提出一种压力扫描阀参考端的选取方法，达到优化量程分配、降低测量不确定度的目的，并通过试验数据验证这种选取方法的可行性与有效性。
1 理论分析
测量过程中的随机效应和系统效应均会导致测量不确定度，总体标准不确定度为随机标准不确定度与系统标准不确定度的合成标准不确定度[2]。
2 参考端的选取方案
2.1 初步方案
试验过程中，高压压气机出口总压随试验工况变化，为了使压力扫描阀与绝压传感器量程满足上述关系，存在一个问题。若选择一个低压的参考端，高转速压气机出口总压与参考端的压差会超过压力扫描阀的量程，导致无法测量;若选择一个高压的参考端，在压气机低转速时，参考端的压力会超过压气机出口总压，导致无法测量。因此，需要选择一个压力可变的参考端。
为了满足上述参考端压力可变的需求，压气机的级间压力是一个合适的选择，既满足压力随试验工况变化，又不需要增加额外的压力源和压力调节装置。此外，为了便于测点的布置和引压管的安装，可选择级间壁面静压作为参考端。参考端初步方案如图1所示。
2.2 级间位置的选取
根据前述总量程与绝压传感器量程的理论最优关系，选取的参考端时，压气机出口总压与参考端压力的比值为1.4是最理想的情况。
多级轴流式高压压气机的单级平均压比一般在1.2～1.5，前面级压比通常高于后面级[3]。因此，前一级的静压可作为参压力扫描阀考端选项之一。根据设计阶段的计算结果，第十级设计点压比为1.23。但是，航空发动机的喘振裕度一般要求达到25%以上，对于喘点附近，压气机出口总压与前一级壁面静压的比值超过1.5。因此，选择前一级静压作为参考端，压力偏小。 3 可行性验证
根据公式（1），测量结果的合成标准不确定度中，除系统标准不确定度分量，还包含随机标准不确定度分量。根据标准不确定度的A类评定方法[4]，通过测量数据的标准差，计算直接测量参数的随机标准不确定度。
为验证级间壁面静压作为参考端的可行性，本文以某型高压压气机在某转速的测量数据为例，分别对选择大气压作为参考端与选择压气机出口壁面静压作为参考端进行不确定度分析。试验中每个稳定工况点录取数据30秒，采样频率10Hz，取平均值作为该工况下的测量结果。
大气压作为参考端与压气机出口壁面静压作为参考端的一组30秒测量数据如图2与图3所示。图中，Pr1表示大气压测量值，Pd1表示压力扫描阀测量的压差值;Pr2表示压气机出口壁面静压测量值，Pd2表示压力扫描阀测量的压差值。
两组测量数据的标准差与随机标准不确定度如表1所示。
由表2可知，虽然压气机出口壁面壁面靜压的波动量大于大气压，但综合参考端测量值的随机标准不确定度与压差测量值的随机标准不确定度，压气机出口总压测量值的合成随机标准不确定度仅增大约0.035kPa。因此，选择级间壁面静压作为参考端的方法可行。
4 对测量不确定度的影响
4.1 某工况点总压测量不确定度对比
两种参考端选取方法对应的测量设备精度与量程如表2所示。
根据公式（3）与表2数据分别计算两种参考端选取方式的系统标准不确定度，并根据公式（1）与表1数据计算合成标准不确定度。此外，假设测量误差符合正态分布，近似95%包含概率的包含因子取值2，则扩展不确定度为：
4.2 不同压比下对测量不确定度的对比
不同压比下，压气机出口总压不同，为了更加直观，采用相对不确定进行对比。压气机出口总压相对扩展不确定度定义如下。
由图4可知，选取压气机出口壁面静压作为参考端，可保证在压比3～18范围内，压气机出口总压测量不确定度小于0.2%，有助于提升压气机低转速时的出口总压测量精度。
5 结论
关于压气机试验中压力扫描阀参考端的选取，总结如下：
①对于高压压气机出口总压的测量，使用压气机出口壁面静压作为参考端相比于大气压作为参考端，随机不确定度不会因参考端压力波动而显著增大，系统不确定度因量程分配的优化而降低。
②对于高压比工况，使用压气机出口壁面静压作为参考端，可在一定程度上降低压气机出口总压的测量不确定度，扩展不确定度降低约0.4kPa，因此对于提升高转速工况的压力测量精度意义不大。但是，对于压比不小于3的工况，使用壁面静压作为参考端可保证出口总压测量相对扩展不确定度小于0.2%，显著提高了中低转速工况的压力测量精度。
③对于多级轴流式高压压气机的出口总压或后面级总压测量，可以考虑选取该级的壁面静压或者前一级的壁面静压作为参考端的备选方案，用于提高中低转速工况的压力测量精度。
参考文献：
[1]Bela G. Liptak， Kriszta Venczel. Pressure Scanners[J]， Measurement and Safety. 2016， 1252-1258.
[2]ASME PTC19.1 Test Uncertainty[S]. New York. American Society of Mechanical Engineers， 2013.
[3]GB/T27418，测量不确定度评定与表示[S].北京：国家质量技术监督局，2017.
[4]胡俊.航空叶片机原理[M].北京：国防教育出版社，2014：25-102.