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張志國 | 航空發動機露天試驗及試驗能力建設
發布日期:2022-04-12 信息來源:中咨研究 訪問次數: 字號:[ ]

摘要:航空發動機研制過程依賴于大量的試驗驗證,尤其是整機研制涉及的考核項目多、試驗周期長、風險大。隨著航空技術的進一步發展,對航空發動機研制的要求不斷提高,也極大地促進了試驗基礎設施的建設以及試驗技術的發展。作為航空發動機研發的重要環節,露天試車臺的建設及其試驗能力關系到航空發動機的研發周期、研制水平和裝機后發動機的運行穩定性,多功能的露天試車臺逐漸成為航空發動機試驗中不可缺少的部分。通過介紹露天試車臺的試驗內容以及概述國外幾種典型的露天試車臺建設情況及其相關研究,同時從測試角度詳細分析建設露天試驗能力需要考慮的要素,對中國加快露天試車臺和試驗能力建設提出了建議。

關鍵詞:露天試車臺;試驗能力建設;航空發動機

一、引言

航空發動機作為飛機的動力裝置,驅動飛機在不同高度下以不同速度飛行,還會遇到各種氣象條件。因此,在發動機研制中,要開展整機、零部件的性能和可靠性等試驗,以研究和驗證發動機在不同條件下的工作能力[1-3]。整機試驗是最重要的試驗項目。航空發動機整機試驗包括地面室內試驗、露天試驗、高空臺試驗、飛行臺試驗等[4-5]。航空發動機露天試驗是利用露天空曠的場地、大氣環境,配置專用的試驗裝置、測試儀器開展發動機整機試驗。如基準性能試驗、環境適應性試驗、吞咽試驗、排放測量、姿態試驗、陀螺試驗等[6-7],大量的試驗對于研究和驗證發動機的性能是必不可少的。為此,國外航空發達國家廣泛開展了發動機露天試驗,建設了規模大、能力強的露天試驗設施。中國對露天試車臺的研究起步相對較晚,其建設水平和規模仍與國外有一定的差距。邢玉明等[8]通過介紹結冰模擬方法的相關研究,分析了發動機結冰未來研究方向;王豐產等[9]從試驗因素、試驗準則等角度論述了航空發動機試航取證過程中的吸雨吸雹試驗方法;張丹玲等[10]根據大涵道比發動機的結構特點,概述了國內外發動機所涉及到的特種試驗;魏海濤等[11]對露天和室內試車臺進行了分析比較,說明了室內試車臺校準的必要性;劉志友等[12]研究了露天試車的環境要求,表明海拔3km以下的試驗環境具有一定的試車可行性;張健等[13]通過對國外航空發動機試驗技術進展的研究,對中國的航空試驗能力建設提出了建議;郭昕等[14]運用附加阻力修正方法提高了發動機臺架推力的可靠性;汪才等[15]利用ANSYS軟件對露天試車臺進行了靜態變形量數值模擬,表明仿真與試驗具有很好的吻合度;袁秋會等[16]根據某型發動機試車臺的測試條件,通過了測試系統合格性驗證。

本文梳理了航空發動機整機只能在露天條件下、或者適宜在露天條件下開展的試驗項目,介紹了國外露天試驗能力,提出了露天試驗能力規劃建設的建議。

二、航空發動機露天試驗

針對發動機的整機試驗和鑒定,《航空發動機通用規范和適航規定》在文中提出了明確的要求,例如:要求有些試驗只能在露天條件下進行,有些試驗適宜在露天條件下進行。通過梳理這些要求,同時參考國外航空發動機露天試驗情況,整理和歸納出航空渦噴、渦扇、渦軸、渦槳發動機露天試驗共7類,并分別對其進行詳細介紹。

(一)基準性能試驗

航空發動機試車臺作為發動機研制和生產過程中最重要的試驗平臺,其試驗結果直接用于發動機性能的評定,試驗數據的準確性至關重要,因此確保試車臺試驗數據準確是發動機研制的重要前提。為了準確、完整地評價發動機性能,必須在試車臺上進行發動機性能參數(推力、轉速、燃油流量、空氣流量、各截面氣流壓力和溫度)的測量、試車間環境條件(溫度、濕度、壓力、進氣流場參數)的測量和發動機運行參數的測量(振動,滑油壓力、溫度和消耗量等)。

由于不受外部環境的限制,還能控制運行時產生的噪聲,室內試車臺廣泛用于評估航空發動機的性能。但對于封閉的室內試車臺,由于有氣流流過試車間,對發動機有一定的迎面速度,發動機外部有氣流通過,不同的試車臺、不同的發動機周圍氣流速度對推力測量的影響都不同,需要對推力進行修正。

在露天試車臺進行航空發動機試驗時,周圍的空氣流速為零,測量的推力在考慮了測量設備的誤差后,即為真實推力。因此,露天試車臺的主要功能之一,就是在露天基準試車臺上開展發動機基準性能試驗和性能標定試驗。標定試驗后,將校準發動機安裝在被校準的試車臺上進行校準試車,以確定被校準試車臺的修正系數。這種校準稱為交叉校準,是國外廣為采用的試車臺校準方法。

國外某發動機露天試車臺如圖1所示。在露天基準試車臺上開展發動機性能標定試驗[4]的要求為:(1)試車臺周圍必須是空曠的,以保證進氣無干擾,排氣無阻礙;(2)發動機軸線距地面應保持一定的高度,以保證試車時發動機周圍無空氣流動,進氣不受地面干擾;(3)大氣溫度應接近15℃,風速不大于2.5m/s(逆風不得試車)等。

圖1 國外某發動機露天試車臺

(二)環境適應試驗

隨著飛機在不同的大氣環境條件下起動、爬升、飛行、降落,航空發動機的工作狀態受環境影響很大,要保證在各種工作狀態下穩定工作,需要開展發動機大氣環境適應試驗,主要包括:側風、結冰、高低溫、潮濕、鹽霧、霉菌等試驗。在露天試驗中,利用場地和氣候條件的優勢,主要進行側風試驗,條件允許時開展結冰試驗。

1.側風試驗

側風試驗的目的是檢測航空發動機的工作可靠性。飛機都是在寬廣的空域和復雜的氣象條件下飛行的,隨時可能遇到與發動機中心線成風切變的氣象條件。側風特別是強側風將造成發動機進口流場畸變,使得壓氣機工作不穩定甚至喘振。這對發動機的工作和飛機的飛行都是十分不利的。大涵道比發動機短艙較短,側風對其影響較大。因此,對大涵道比發動機進行側風試驗以驗證發動機在不同側風條件下的抗畸變能力尤為重要。側風試驗均在露天試車臺上進行,試驗時必須要有1套安裝在試車臺前部的風源裝置,該裝置應具備一定的風速(約30~40m/s)和空氣流量,以滿足被試發動機的實際需要,并且該裝置可以在任何角度對發動機給出側風條件。

2.結冰試驗

當飛機在低溫、寒冷的環境飛行時,發動機極易出現結冰現象。發動機進氣系統結冰將改變氣流通道的形狀,減小發動機進氣面積,甚至導致氣流分離,引起發動機不穩定工作;在發動機和飛機振動的情況下,冰層可能脫落而進入發動機,導致葉片等零部件受損;同時葉片結冰增加了葉片厚度,使葉片偏離設計狀態,壓氣機容易出現不穩定工作狀態。

發動機防冰系統即為避免上述現象的發生而設計。因此航空發動機需要進行大量的防冰試驗,以此來驗證發動機的抗結冰能力。發動機結冰試車臺如圖2所示。在通用規范和適航規定中,對發動機結冰試驗環境(液態水質量分數、大氣溫度、平均有效水滴直徑等)、發動機工作狀態和時間等有明確規定。發動機零部件結冰試驗在冰風洞(閉式)中開展,整機結冰試驗可在高空臺、地面露天臺、飛行臺(或飛機)上開展。利用自然環境開展發動機整機地面結冰試驗具有既經濟又適用的特點,加拿大建設的幾座露天臺主要用于開展發動機整機地面結冰試驗。

圖2 結冰條件下的航空發動機測試

(三)吞咽試驗

飛機在起飛、巡航和下降過程中,發動機會吸入外來物。通用規范和適航規定都對發動機抗外物損傷提出了明確要求。發動機在吞入外物后,外物對流路部件最關鍵部位造成損傷時,仍需要按規定繼續工作。吞咽試驗包括吞鳥、外物損傷(外物包括螺帽、螺栓、鉚釘、石塊、飛機零件、彈殼和工具等)、吞冰、吞咽砂石和灰塵、吞入大氣中液態水、吸入武器排氣、吸入水蒸氣等試驗。

1.吞鳥試驗

飛機在飛行時與鳥類相撞擊的現象稱為鳥撞,是一種極為嚴重的飛行事故,隨著航空技術的不斷發展,各國的鳥撞事故頻繁發生,尤其是當軍用飛機在低空高速飛行時,鳥撞事故尤為突出。據中國軍網報道,在1992~2008年,中國軍用飛機因鳥撞造成20起嚴重飛行事故、58起飛行事故癥候、210起飛行問題,導致18架飛機墜毀、12名飛行員犧牲。鳥類撞擊飛機的位置、鳥的大小以及與飛機的相對速度等決定了事故的嚴重程度,當鳥類進入發動機后,葉片可能會出現變形、破裂,使發動機推力降低,受損的葉片由于離心力的作用撞擊機匣,甚至穿透機匣,造成發動機控制系統的損壞。葉片的斷裂還會造成發動機轉動失衡,飛機的安全性受到威脅,危及機組人員的生命安全,造成巨大經濟損失。

航空發動機抵抗鳥類撞擊的能力是確保飛機飛行安全的關鍵因素。因此,在發動機的設計過程中,需要采取一定的手段降低鳥類撞擊飛行器帶來的損害,將由此造成的損失減至最低。在適航性的相關操作中,發動機必須進行吞鳥試驗檢測,檢驗其撞擊能力。

通用規范和適航規定對吞鳥試驗中鳥的質量、數量、速度和投射部位,以及投鳥前后發動機的狀態有明確要求。

圖3 用壓縮空氣炮向航空發動機射出一只鳥

2.吞水試驗[7]

飛機在雨天飛行時,發動機會吞入雨水。當大量的雨水進入壓氣機后,在離心力作用下雨水被下甩至壓氣機機匣壁面,可能會使熱端部件如機匣因突然冷卻而收縮,導致高速旋轉的壓氣機轉子葉片與機匣之間間隙減小而發生摩擦,使機匣以及葉片受到損害;吞入大量的雨水還會造成壓氣機喘振,使發動機轉速降低,甚至使燃燒室熄火。這都涉及到飛機的飛行安全。因此,發動機在設計定型之前必須通過吞水試驗的檢測[5]。

發動機吞水試車臺如圖4所示。在開展整機吞水試驗時,將試驗對象安裝在地面試車臺上,通過在進口前面安裝的噴水設備對處于工作狀態下的發動機進口噴水,在試驗過程中需要通過傳感設備測量發動機的功率、排氣溫度、轉速及壓氣機機匣收縮量。

圖4 航空發動機噴水試驗

3.吞冰試驗[7]

相比雨、雪,冰雹尤為危險。冰雹可能會損壞發動機短艙、整流罩或風扇葉片。冰雹在通過風扇后,會繼續向下游運動,由于環境溫度較低且通過時間較短,大部分冰雹依然為固體。進入高壓壓氣機的冰雹熔化成液態的水或者蒸發成水蒸氣,會使燃燒室熄火或發動機喘振,其表現為使發動機推力損失。因而,通用規范、適航規定將吞冰試驗列為鑒定試驗項目之一。吞冰試驗的目的是評定發動機在極端氣象條件下的運行性能和抗冰雹沖擊的能力。發動機吞冰試驗一般有三種形式:第一種是吞冰雹試驗,模擬發動機在飛行中突然遇到降雹的情況;第二種是吞冰塊試驗,模擬進氣道積聚的大量冰層突然脫落被發動機吸入的情況;第三種是吞冰風暴試驗,模擬飛機在飛行中遇到暴風挾持大量冰雹撞入發動機的情況[2]。當發動機吞入冰雹后,要求“發動機不熄火、不降轉、不發生持續或不可恢復的喘振或失速,或不失去加速和減速的能力。還必須證明吸入冰雹之后沒有不可接受的機械損壞,以及不可接受的功率或推力損失或其他不利的發動機異常情況”[7]。

(四)包容試驗

航空工業的飛速發展促進了航空發動機的推重比不斷提高,發動機的轉速也越來越高。由于發動機葉片長時間工作在惡劣的環境中,受外物撞擊、低周疲勞、高周疲勞等因素的影響,風扇、壓氣機和渦輪的轉子都可能發生葉片斷裂等機械故障,進而破壞機匣、機艙,給機組人員帶來危險,若擊中燃油系統還會引起火災,將造成重大的飛機事故。因此在航空發動機研制過程中,對機匣包容性進行研究非常必要,并需要通過零部件試驗、整機試驗進行驗證。

(五)污染排放測量試驗

航空發動機的污染排放包括噪聲污染、紅外輻射以及污染物排放等,利用露天試車臺的條件,主要可以對噪聲和紅外輻射進行測量。

1.噪聲測量

隨著對環境保護要求的不斷提高,軍民用航空發動機的噪聲污染越來越受到關注;噪聲還是民用大涵道比渦扇發動機設計的重要指標,直接關系到發動機的市場準入和市場競爭。為了限制噪聲,國際民航組織(International Civil Aviation Organization,ICAO)制定了民航飛機噪聲控制標準,并將其作為取得適航證必須滿足的條件。

通用規范和適航規定要求在露天試車臺上開展發動機噪聲測量[11],主要條件包括:麥克風應置于比較平坦的地方,以免受到地面吸聲特性的影響;地面不得有顯著影響發動機噪聲場的障礙物;不降雨雪的天氣,相對濕度為30%~60%,大氣溫度為0~30℃,風速低于9.66km/h,沒有逆溫和風力異常的現象等。

2.紅外輻射測量

戰斗機的輻射源絕大部分來自于噴氣式發動機,因此是紅外制導武器系統檢測的主要對象,在飛行器的研發過程中,反隱身設計尤為重要。航空發動機地面試驗是提供發動機紅外輻射特征的必要手段。在露天試車臺上開展發動機紅外輻射測量方便可行,由于紅外輻射測量受發射率的影響大,對環境要求較高,因此,露天試車臺周圍場地、環境以及測試儀器應滿足低污染、干燥等紅外輻射測量要求。

(六)姿態試驗

航空發動機必須保證能夠在飛機所進行的各種姿態下工作,諸如起飛、爬升、倒飛、空戰機動等。通用規范要求發動機應該能夠在某些姿態下連續滿意地工作、在某些姿態下至少工作30s、在某些姿態下可以順利起動和停車等。發動機應按照規范中規定的方法和程序進行姿態試驗。一般來講,姿態試驗要求場地足夠大,適宜在露天條件下進行。

(七)陀螺試驗

航空發動機是高速旋轉機械,會產生較大的偏航角速度以及機動過載,伴隨產生的是作用于軸承上較大的慣性力和陀螺力矩。陀螺力矩載荷作用在發動機軸上會使其發生較大的徑向撓曲變形和彎曲應力,使轉子葉片與機匣之間間隙發生較大變化,降低軸的強度并縮短其壽命,從而降低發動機的性能。為驗證發動機在承受陀螺力矩載荷時的工作能力,要求進行陀螺試驗。

陀螺試驗又稱陀螺力矩試驗,是確定渦輪發動機部件結構完整性的重要試驗,需在陀螺力矩試驗器上完成,試驗要求場地較大,適宜在露天條件下進行。

三、國外航空發動機露天試驗能力

國外航空強國的發動機公司均建有用于發動機研制的露天試車臺。根據文獻可知,美國的GE、PW公司,英國的RR公司以及法國的賽峰集團等都配有露天試車臺,在發動機研制工作中發揮了重要作用,隨著發動機技術指標和研制技術的提升,露天試驗能力也在不斷地擴充和改進。

(一)各國露天試車臺

1.GE公司皮勃爾斯試驗區

美國GE公司航空發動機集團(GEAE)有兩個露天試驗區,其中的皮勃爾斯試驗區(Peebles Test Oper?ation)位于辛辛那提(Cincinnati)以東稍偏南的Adams郡Peebles鎮。占地面積約28.35km2,共有13座發動機試車臺,其中9座為室外試車臺,4座為室內試車臺。

自1955年投入使用以來,皮勃爾斯試驗區成為GE公司整機試車和評估的組成部分。GE公司主要的發動機都在此進行試驗研究和評估。

2.PW公司西棕櫚灘試驗區

美國PW公司也有兩個露天試驗區,分別在佛羅里達州西棕櫚海灘(West Palm Beach)和康涅狄克州哈特福德市。西棕櫚灘試驗區位于佛羅里達州西棕櫚海灘西側的沼澤區,占地面積約為28.35km2,包括西科斯基直升機試驗區、航空發動機試車臺、火箭發動機試車臺等。該試驗區的航空發動機露天試車臺有4座,代號為C10、C11、C12和C14,主要承擔發動機的海平面性能調試和耐久性試驗,以及噪聲測量等。

3.美國海軍推進區

美國海軍推進區(Naval Air Propulsion Center,NAPC)的露天試驗區坐落于新澤西,包括陀螺試車臺、多功能試車臺和姿態試車臺3座露天試車臺,可用于航空發動機可靠性、安全性等試驗,以及紅外、噪聲、排煙等的測量[1]。

4.RR公司的露天試車臺

RR公司曾經在英國達比(Derby)東北約32km處建設了4座航空發動機露天試車臺,主要承擔性能試驗、側風試驗和反推力試驗,以及噪聲測量等。在2009年和2011年,RR公司在美國密西西比州的NASA John C. Stennis Space Center陸續建設并投入使用了兩座大型發動機露天試車臺。

5.法國賽峰集團

賽峰集團飛機發動機公司(Aircraft Engines,即原Snecma公司)在位于法國馬賽附近的Istres建設了兩座露天試車臺,開展工程研發和適航取證試驗。賽峰集團與俄羅斯合作,在俄羅斯Rybinsk建設了一座發動機露天試車臺,開展SaM146、CFM56-7B等發動機的研發與驗證試驗,該露天試車臺如圖5所示。

圖5 俄羅斯Rybinsk露天試車臺

6.加拿大的露天試驗區

為充分利用自然環境,GE公司與RR公司、PW公司等合作在加拿大Thompson分別建設了露天試車臺,主要用于開展發動機結冰試驗。

(二)各國露天試車臺情況分析

綜觀國外發動機露天試車臺的情況,可以總結出如下三個特點:

一是占地面積大。如GE、PW公司的露天試車臺區占地面積約為28.35km2,相當于邊長為5.3km的正方形。

二是軍民共用、分區管理。如PW公司在佛羅里達西棕櫚灘試驗基地就分為C區(民用發動機露天試車臺區)和A區(軍用發動機試車臺區)。

三是充分利用自然條件。選擇接近標準大氣條件的地區建設露天試車臺(如海拔高度在130m以下);根據特定功能要求選擇建設地點(如發動機結冰試車臺)。

四、關于中國航空發動機露天試驗能力建設的建議

國外航空發動機露天試車臺自20世紀50年代起開始建設,至80年代末期露天試驗能力已發展成熟和完備,助推了發動機技術的發展和成熟,累積的試驗數據成為各類發動機仿真軟件和工具的驗證依據。中國的發動機露天試車臺建設起步晚,借鑒國外露天試驗能力的建設與發展經驗,對中國發動機技術進步具有重要意義。

(一)建設完整的露天試驗系統

露天試車臺是研制高性能發動機的關鍵因素[2],試驗能力建設是縮小中國與發達國家發動機研制水平差距的有力措施之一[13]。規劃并建設完整的露天試驗能力體系,開展全面的試驗研究和驗證,是高水平、高質量航空發動機研制的需要。如此才能從技術上實現對大飛機設計的有力支撐,從而縮小中國航空動力設備與發達國家的差距[1]。

(二)統籌規劃、集中建設

航空發動機露天試車臺區建設是大型系統工程,其建設規模大、開展難度高、耗資大、時間長[1]。露天試驗系統的建設應統籌考慮軍民用各類型航空發動機露天試驗的需求,兼顧長遠技術發展,進行集中建設。

(三)充分利用各種有利因素

航空發動機露天試驗技術復雜、涉及因素多、設計要素高度耦合,此外受環境影響較大,應充分依靠發動機研制單位的技術資源,開展試驗技術研究與應用,開展試驗設備的研究、設計和建設以及后期的使用、管理和維護;應充分利用有利的地理、氣象環境,節省建設投資。

五、結束語

進行航空發動機露天試驗能力建設能有效縮小中國與航空發達國家在航空發動機研制方面的差距,從而大幅度提高中國大型飛機的研制能力。本文從露天試車臺測試角度詳細分析了建設露天試驗能力需要考慮的要素,并對世界航空先進國家露天試車臺進行了分析,在此基礎上對中國加快露天試車臺和試驗能力建設提出了建議。

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注:本文發表于《航空發動機》2021年第5期(雙月刊)。部分圖片來源于網絡。




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