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张志国 | 航空发动机露天试验及试验能力建设
发布日期:2022-04-12 信息来源:中咨研究 访问次数: 字号:[ ]

摘要:航空发动机研制过程依赖于大量的试验验证,尤其是整机研制涉及的考核项目多、试验周期长、风险大。随着航空技术的进一步发展,对航空发动机研制的要求不断提高,也极大地促进了试验基础设施的建设以及试验技术的发展。作为航空发动机研发的重要环节,露天试车台的建设及其试验能力关系到航空发动机的研发周期、研制水平和装机后发动机的运行稳定性,多功能的露天试车台逐渐成为航空发动机试验中不可缺少的部分。通过介绍露天试车台的试验内容以及概述国外几种典型的露天试车台建设情况及其相关研究,同时从测试角度详细分析建设露天试验能力需要考虑的要素,对中国加快露天试车台和试验能力建设提出了建议。

关键词:露天试车台;试验能力建设;航空发动机

一、引言

航空发动机作为飞机的动力装置,驱动飞机在不同高度下以不同速度飞行,还会遇到各种气象条件。因此,在发动机研制中,要开展整机、零部件的性能和可靠性等试验,以研究和验证发动机在不同条件下的工作能力[1-3]。整机试验是最重要的试验项目。航空发动机整机试验包括地面室内试验、露天试验、高空台试验、飞行台试验等[4-5]。航空发动机露天试验是利用露天空旷的场地、大气环境,配置专用的试验装置、测试仪器开展发动机整机试验。如基准性能试验、环境适应性试验、吞咽试验、排放测量、姿态试验、陀螺试验等[6-7],大量的试验对于研究和验证发动机的性能是必不可少的。为此,国外航空发达国家广泛开展了发动机露天试验,建设了规模大、能力强的露天试验设施。中国对露天试车台的研究起步相对较晚,其建设水平和规模仍与国外有一定的差距。邢玉明等[8]通过介绍结冰模拟方法的相关研究,分析了发动机结冰未来研究方向;王丰产等[9]从试验因素、试验准则等角度论述了航空发动机试航取证过程中的吸雨吸雹试验方法;张丹玲等[10]根据大涵道比发动机的结构特点,概述了国内外发动机所涉及到的特种试验;魏海涛等[11]对露天和室内试车台进行了分析比较,说明了室内试车台校准的必要性;刘志友等[12]研究了露天试车的环境要求,表明海拔3km以下的试验环境具有一定的试车可行性;张健等[13]通过对国外航空发动机试验技术进展的研究,对中国的航空试验能力建设提出了建议;郭昕等[14]运用附加阻力修正方法提高了发动机台架推力的可靠性;汪才等[15]利用ANSYS软件对露天试车台进行了静态变形量数值模拟,表明仿真与试验具有很好的吻合度;袁秋会等[16]根据某型发动机试车台的测试条件,通过了测试系统合格性验证。

本文梳理了航空发动机整机只能在露天条件下、或者适宜在露天条件下开展的试验项目,介绍了国外露天试验能力,提出了露天试验能力规划建设的建议。

二、航空发动机露天试验

针对发动机的整机试验和鉴定,《航空发动机通用规范和适航规定》在文中提出了明确的要求,例如:要求有些试验只能在露天条件下进行,有些试验适宜在露天条件下进行。通过梳理这些要求,同时参考国外航空发动机露天试验情况,整理和归纳出航空涡喷、涡扇、涡轴、涡桨发动机露天试验共7类,并分别对其进行详细介绍。

(一)基准性能试验

航空发动机试车台作为发动机研制和生产过程中最重要的试验平台,其试验结果直接用于发动机性能的评定,试验数据的准确性至关重要,因此确保试车台试验数据准确是发动机研制的重要前提。为了准确、完整地评价发动机性能,必须在试车台上进行发动机性能参数(推力、转速、燃油流量、空气流量、各截面气流压力和温度)的测量、试车间环境条件(温度、湿度、压力、进气流场参数)的测量和发动机运行参数的测量(振动,滑油压力、温度和消耗量等)。

由于不受外部环境的限制,还能控制运行时产生的噪声,室内试车台广泛用于评估航空发动机的性能。但对于封闭的室内试车台,由于有气流流过试车间,对发动机有一定的迎面速度,发动机外部有气流通过,不同的试车台、不同的发动机周围气流速度对推力测量的影响都不同,需要对推力进行修正。

在露天试车台进行航空发动机试验时,周围的空气流速为零,测量的推力在考虑了测量设备的误差后,即为真实推力。因此,露天试车台的主要功能之一,就是在露天基准试车台上开展发动机基准性能试验和性能标定试验。标定试验后,将校准发动机安装在被校准的试车台上进行校准试车,以确定被校准试车台的修正系数。这种校准称为交叉校准,是国外广为采用的试车台校准方法。

国外某发动机露天试车台如图1所示。在露天基准试车台上开展发动机性能标定试验[4]的要求为:(1)试车台周围必须是空旷的,以保证进气无干扰,排气无阻碍;(2)发动机轴线距地面应保持一定的高度,以保证试车时发动机周围无空气流动,进气不受地面干扰;(3)大气温度应接近15℃,风速不大于2.5m/s(逆风不得试车)等。

图1 国外某发动机露天试车台

(二)环境适应试验

随着飞机在不同的大气环境条件下起动、爬升、飞行、降落,航空发动机的工作状态受环境影响很大,要保证在各种工作状态下稳定工作,需要开展发动机大气环境适应试验,主要包括:侧风、结冰、高低温、潮湿、盐雾、霉菌等试验。在露天试验中,利用场地和气候条件的优势,主要进行侧风试验,条件允许时开展结冰试验。

1.侧风试验

侧风试验的目的是检测航空发动机的工作可靠性。飞机都是在宽广的空域和复杂的气象条件下飞行的,随时可能遇到与发动机中心线成风切变的气象条件。侧风特别是强侧风将造成发动机进口流场畸变,使得压气机工作不稳定甚至喘振。这对发动机的工作和飞机的飞行都是十分不利的。大涵道比发动机短舱较短,侧风对其影响较大。因此,对大涵道比发动机进行侧风试验以验证发动机在不同侧风条件下的抗畸变能力尤为重要。侧风试验均在露天试车台上进行,试验时必须要有1套安装在试车台前部的风源装置,该装置应具备一定的风速(约30~40m/s)和空气流量,以满足被试发动机的实际需要,并且该装置可以在任何角度对发动机给出侧风条件。

2.结冰试验

当飞机在低温、寒冷的环境飞行时,发动机极易出现结冰现象。发动机进气系统结冰将改变气流通道的形状,减小发动机进气面积,甚至导致气流分离,引起发动机不稳定工作;在发动机和飞机振动的情况下,冰层可能脱落而进入发动机,导致叶片等零部件受损;同时叶片结冰增加了叶片厚度,使叶片偏离设计状态,压气机容易出现不稳定工作状态。

发动机防冰系统即为避免上述现象的发生而设计。因此航空发动机需要进行大量的防冰试验,以此来验证发动机的抗结冰能力。发动机结冰试车台如图2所示。在通用规范和适航规定中,对发动机结冰试验环境(液态水质量分数、大气温度、平均有效水滴直径等)、发动机工作状态和时间等有明确规定。发动机零部件结冰试验在冰风洞(闭式)中开展,整机结冰试验可在高空台、地面露天台、飞行台(或飞机)上开展。利用自然环境开展发动机整机地面结冰试验具有既经济又适用的特点,加拿大建设的几座露天台主要用于开展发动机整机地面结冰试验。

图2 结冰条件下的航空发动机测试

(三)吞咽试验

飞机在起飞、巡航和下降过程中,发动机会吸入外来物。通用规范和适航规定都对发动机抗外物损伤提出了明确要求。发动机在吞入外物后,外物对流路部件最关键部位造成损伤时,仍需要按规定继续工作。吞咽试验包括吞鸟、外物损伤(外物包括螺帽、螺栓、铆钉、石块、飞机零件、弹壳和工具等)、吞冰、吞咽砂石和灰尘、吞入大气中液态水、吸入武器排气、吸入水蒸气等试验。

1.吞鸟试验

飞机在飞行时与鸟类相撞击的现象称为鸟撞,是一种极为严重的飞行事故,随着航空技术的不断发展,各国的鸟撞事故频繁发生,尤其是当军用飞机在低空高速飞行时,鸟撞事故尤为突出。据中国军网报道,在1992~2008年,中国军用飞机因鸟撞造成20起严重飞行事故、58起飞行事故症候、210起飞行问题,导致18架飞机坠毁、12名飞行员牺牲。鸟类撞击飞机的位置、鸟的大小以及与飞机的相对速度等决定了事故的严重程度,当鸟类进入发动机后,叶片可能会出现变形、破裂,使发动机推力降低,受损的叶片由于离心力的作用撞击机匣,甚至穿透机匣,造成发动机控制系统的损坏。叶片的断裂还会造成发动机转动失衡,飞机的安全性受到威胁,危及机组人员的生命安全,造成巨大经济损失。

航空发动机抵抗鸟类撞击的能力是确保飞机飞行安全的关键因素。因此,在发动机的设计过程中,需要采取一定的手段降低鸟类撞击飞行器带来的损害,将由此造成的损失减至最低。在适航性的相关操作中,发动机必须进行吞鸟试验检测,检验其撞击能力。

通用规范和适航规定对吞鸟试验中鸟的质量、数量、速度和投射部位,以及投鸟前后发动机的状态有明确要求。

图3 用压缩空气炮向航空发动机射出一只鸟

2.吞水试验[7]

飞机在雨天飞行时,发动机会吞入雨水。当大量的雨水进入压气机后,在离心力作用下雨水被下甩至压气机机匣壁面,可能会使热端部件如机匣因突然冷却而收缩,导致高速旋转的压气机转子叶片与机匣之间间隙减小而发生摩擦,使机匣以及叶片受到损害;吞入大量的雨水还会造成压气机喘振,使发动机转速降低,甚至使燃烧室熄火。这都涉及到飞机的飞行安全。因此,发动机在设计定型之前必须通过吞水试验的检测[5]。

发动机吞水试车台如图4所示。在开展整机吞水试验时,将试验对象安装在地面试车台上,通过在进口前面安装的喷水设备对处于工作状态下的发动机进口喷水,在试验过程中需要通过传感设备测量发动机的功率、排气温度、转速及压气机机匣收缩量。

图4 航空发动机喷水试验

3.吞冰试验[7]

相比雨、雪,冰雹尤为危险。冰雹可能会损坏发动机短舱、整流罩或风扇叶片。冰雹在通过风扇后,会继续向下游运动,由于环境温度较低且通过时间较短,大部分冰雹依然为固体。进入高压压气机的冰雹熔化成液态的水或者蒸发成水蒸气,会使燃烧室熄火或发动机喘振,其表现为使发动机推力损失。因而,通用规范、适航规定将吞冰试验列为鉴定试验项目之一。吞冰试验的目的是评定发动机在极端气象条件下的运行性能和抗冰雹冲击的能力。发动机吞冰试验一般有三种形式:第一种是吞冰雹试验,模拟发动机在飞行中突然遇到降雹的情况;第二种是吞冰块试验,模拟进气道积聚的大量冰层突然脱落被发动机吸入的情况;第三种是吞冰风暴试验,模拟飞机在飞行中遇到暴风挟持大量冰雹撞入发动机的情况[2]。当发动机吞入冰雹后,要求“发动机不熄火、不降转、不发生持续或不可恢复的喘振或失速,或不失去加速和减速的能力。还必须证明吸入冰雹之后没有不可接受的机械损坏,以及不可接受的功率或推力损失或其他不利的发动机异常情况”[7]。

(四)包容试验

航空工业的飞速发展促进了航空发动机的推重比不断提高,发动机的转速也越来越高。由于发动机叶片长时间工作在恶劣的环境中,受外物撞击、低周疲劳、高周疲劳等因素的影响,风扇、压气机和涡轮的转子都可能发生叶片断裂等机械故障,进而破坏机匣、机舱,给机组人员带来危险,若击中燃油系统还会引起火灾,将造成重大的飞机事故。因此在航空发动机研制过程中,对机匣包容性进行研究非常必要,并需要通过零部件试验、整机试验进行验证。

(五)污染排放测量试验

航空发动机的污染排放包括噪声污染、红外辐射以及污染物排放等,利用露天试车台的条件,主要可以对噪声和红外辐射进行测量。

1.噪声测量

随着对环境保护要求的不断提高,军民用航空发动机的噪声污染越来越受到关注;噪声还是民用大涵道比涡扇发动机设计的重要指标,直接关系到发动机的市场准入和市场竞争。为了限制噪声,国际民航组织(International Civil Aviation Organization,ICAO)制定了民航飞机噪声控制标准,并将其作为取得适航证必须满足的条件。

通用规范和适航规定要求在露天试车台上开展发动机噪声测量[11],主要条件包括:麦克风应置于比较平坦的地方,以免受到地面吸声特性的影响;地面不得有显著影响发动机噪声场的障碍物;不降雨雪的天气,相对湿度为30%~60%,大气温度为0~30℃,风速低于9.66km/h,没有逆温和风力异常的现象等。

2.红外辐射测量

战斗机的辐射源绝大部分来自于喷气式发动机,因此是红外制导武器系统检测的主要对象,在飞行器的研发过程中,反隐身设计尤为重要。航空发动机地面试验是提供发动机红外辐射特征的必要手段。在露天试车台上开展发动机红外辐射测量方便可行,由于红外辐射测量受发射率的影响大,对环境要求较高,因此,露天试车台周围场地、环境以及测试仪器应满足低污染、干燥等红外辐射测量要求。

(六)姿态试验

航空发动机必须保证能够在飞机所进行的各种姿态下工作,诸如起飞、爬升、倒飞、空战机动等。通用规范要求发动机应该能够在某些姿态下连续满意地工作、在某些姿态下至少工作30s、在某些姿态下可以顺利起动和停车等。发动机应按照规范中规定的方法和程序进行姿态试验。一般来讲,姿态试验要求场地足够大,适宜在露天条件下进行。

(七)陀螺试验

航空发动机是高速旋转机械,会产生较大的偏航角速度以及机动过载,伴随产生的是作用于轴承上较大的惯性力和陀螺力矩。陀螺力矩载荷作用在发动机轴上会使其发生较大的径向挠曲变形和弯曲应力,使转子叶片与机匣之间间隙发生较大变化,降低轴的强度并缩短其寿命,从而降低发动机的性能。为验证发动机在承受陀螺力矩载荷时的工作能力,要求进行陀螺试验。

陀螺试验又称陀螺力矩试验,是确定涡轮发动机部件结构完整性的重要试验,需在陀螺力矩试验器上完成,试验要求场地较大,适宜在露天条件下进行。

三、国外航空发动机露天试验能力

国外航空强国的发动机公司均建有用于发动机研制的露天试车台。根据文献可知,美国的GE、PW公司,英国的RR公司以及法国的赛峰集团等都配有露天试车台,在发动机研制工作中发挥了重要作用,随着发动机技术指标和研制技术的提升,露天试验能力也在不断地扩充和改进。

(一)各国露天试车台

1.GE公司皮勃尔斯试验区

美国GE公司航空发动机集团(GEAE)有两个露天试验区,其中的皮勃尔斯试验区(Peebles Test Oper⁃ation)位于辛辛那提(Cincinnati)以东稍偏南的Adams郡Peebles镇。占地面积约28.35km2,共有13座发动机试车台,其中9座为室外试车台,4座为室内试车台。

自1955年投入使用以来,皮勃尔斯试验区成为GE公司整机试车和评估的组成部分。GE公司主要的发动机都在此进行试验研究和评估。

2.PW公司西棕榈滩试验区

美国PW公司也有两个露天试验区,分别在佛罗里达州西棕榈海滩(West Palm Beach)和康涅狄克州哈特福德市。西棕榈滩试验区位于佛罗里达州西棕榈海滩西侧的沼泽区,占地面积约为28.35km2,包括西科斯基直升机试验区、航空发动机试车台、火箭发动机试车台等。该试验区的航空发动机露天试车台有4座,代号为C10、C11、C12和C14,主要承担发动机的海平面性能调试和耐久性试验,以及噪声测量等。

3.美国海军推进区

美国海军推进区(Naval Air Propulsion Center,NAPC)的露天试验区坐落于新泽西,包括陀螺试车台、多功能试车台和姿态试车台3座露天试车台,可用于航空发动机可靠性、安全性等试验,以及红外、噪声、排烟等的测量[1]。

4.RR公司的露天试车台

RR公司曾经在英国达比(Derby)东北约32km处建设了4座航空发动机露天试车台,主要承担性能试验、侧风试验和反推力试验,以及噪声测量等。在2009年和2011年,RR公司在美国密西西比州的NASA John C. Stennis Space Center陆续建设并投入使用了两座大型发动机露天试车台。

5.法国赛峰集团

赛峰集团飞机发动机公司(Aircraft Engines,即原Snecma公司)在位于法国马赛附近的Istres建设了两座露天试车台,开展工程研发和适航取证试验。赛峰集团与俄罗斯合作,在俄罗斯Rybinsk建设了一座发动机露天试车台,开展SaM146、CFM56-7B等发动机的研发与验证试验,该露天试车台如图5所示。

图5 俄罗斯Rybinsk露天试车台

6.加拿大的露天试验区

为充分利用自然环境,GE公司与RR公司、PW公司等合作在加拿大Thompson分别建设了露天试车台,主要用于开展发动机结冰试验。

(二)各国露天试车台情况分析

综观国外发动机露天试车台的情况,可以总结出如下三个特点:

一是占地面积大。如GE、PW公司的露天试车台区占地面积约为28.35km2,相当于边长为5.3km的正方形。

二是军民共用、分区管理。如PW公司在佛罗里达西棕榈滩试验基地就分为C区(民用发动机露天试车台区)和A区(军用发动机试车台区)。

三是充分利用自然条件。选择接近标准大气条件的地区建设露天试车台(如海拔高度在130m以下);根据特定功能要求选择建设地点(如发动机结冰试车台)。

四、关于中国航空发动机露天试验能力建设的建议

国外航空发动机露天试车台自20世纪50年代起开始建设,至80年代末期露天试验能力已发展成熟和完备,助推了发动机技术的发展和成熟,累积的试验数据成为各类发动机仿真软件和工具的验证依据。中国的发动机露天试车台建设起步晚,借鉴国外露天试验能力的建设与发展经验,对中国发动机技术进步具有重要意义。

(一)建设完整的露天试验系统

露天试车台是研制高性能发动机的关键因素[2],试验能力建设是缩小中国与发达国家发动机研制水平差距的有力措施之一[13]。规划并建设完整的露天试验能力体系,开展全面的试验研究和验证,是高水平、高质量航空发动机研制的需要。如此才能从技术上实现对大飞机设计的有力支撑,从而缩小中国航空动力设备与发达国家的差距[1]。

(二)统筹规划、集中建设

航空发动机露天试车台区建设是大型系统工程,其建设规模大、开展难度高、耗资大、时间长[1]。露天试验系统的建设应统筹考虑军民用各类型航空发动机露天试验的需求,兼顾长远技术发展,进行集中建设。

(三)充分利用各种有利因素

航空发动机露天试验技术复杂、涉及因素多、设计要素高度耦合,此外受环境影响较大,应充分依靠发动机研制单位的技术资源,开展试验技术研究与应用,开展试验设备的研究、设计和建设以及后期的使用、管理和维护;应充分利用有利的地理、气象环境,节省建设投资。

五、结束语

进行航空发动机露天试验能力建设能有效缩小中国与航空发达国家在航空发动机研制方面的差距,从而大幅度提高中国大型飞机的研制能力。本文从露天试车台测试角度详细分析了建设露天试验能力需要考虑的要素,并对世界航空先进国家露天试车台进行了分析,在此基础上对中国加快露天试车台和试验能力建设提出了建议。

参考文献

[1]焦天佑,陆宝富.建设满足大型飞机发动机试验需求的露天试车台区技术论证[J].燃气涡轮试验与研究,2008,21(1):1-9.

[2]王长喜,李明亮.英、美航空发动机部分特种地面试验简介[J].航空发动机,1998(3):54-61.

[3]宋双杰,张玉莲.美、英航空发动机部分特种地面试验简介[J].大众科技,2008(1):112-114.

[4]中华人民解放军总装备部.航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范:GJB241A-2010[S].北京:总装备部军标出版发行部,2010:68-78.

[5]中国民用航空局.航空发动机适航规定:CCAR-33R2[S].北京:中国民用航空局,2011:22-29.

[6]焦天佑,陆宝富.露天试车—研制大飞机发动机的保障[J].国际航空,2008(6):70-72.

[7]张宝诚.航空发动机试验和测试技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005:130-132.

[8]邢玉明,刘海丽,徐柳青.飞机发动机结冰研究进展[J].空军工程大学学报(自然科学版),2011(6):12-16.

[9]王丰产,孙有朝,吴海桥,等.大型民用航空发动机吸雨和吸雹适航验证方法研究[C].2010年航空器适航与空中交通管理学术年会论文集. 北京:中国航空学会,2010:43-49.

[10]张丹玲,韩永强.大涵道比涡扇发动机特种试验技术研究[C].第5届民用飞机先进制造技术及装备论坛.北京:国防科技信息中心,2012:215-219.

[11]魏海涛,杨晓.航空涡喷涡扇发动机露天基准试车台[J].飞行试验,2000(3):23-26.

[12]刘志友,郭昕,王良君.露天试车台选址对海拔高度的需求初探[J].燃气涡轮试验与研究,2006,19(1):6-10.

[13]张健.航空发动机地面试验技术的近期发展及我们的对策[J].燃气涡轮试验与研究,2002,15(1):6-10.

[14]郭昕,刘涛,文刚.航空发动机试车台附加阻力修正方法[J].航空动力学报,2003,18(6):839-844.

[15]汪才,艾延廷,张巍,等.露天试车台在拉力载荷作用下的静态变形分析[J].科学技术与工程,2020,20(30):12613-12617.

[16]袁秋会,杨建虎.某型发动机露天试车台数据采集系统施工测试[C.]2017年航空智能装备与试验测试技术年会论文集.武汉:中国航空工业技术装备工程协会,2017:3(1):71-73.

注:本文发表于《航空发动机》2021年第5期(双月刊)。部分图片来源于网络。




 
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