航空发动机露天试验技术

第1章绪论 　　1.1航空发动机研制中试验的地位和作用 　　航空发动机是一种高温、高压、高速旋转的热力机械，在广阔的飞行范围和恶劣的环境条件下长期反复使用、高效可靠工作，涉及气体动力学、热力学、燃烧学、结构强度、控制技术、试验与测试技术、材料学和制造工艺等多个学科和专业领域。航空发动机的研究与发展是在内部流场无法精确计算的条件下，不断探索提高性能，充分挖掘材料和零部件工作极限的情况下进行的。发动机内部复杂的气动与热力过程、结构形式和使用要求，决定其研究和发展是一个设计、制造、试验、修改设计、再制造、再试验的反复迭代过程。实践证明，没有足够的试验设备和大量的试验工作，要想研制出发动机是不可能的。统计表明，研制一型发动机，需要10～20台，个别多达50～60台发动机，进行10000～20000小时的整机地面试验（其中包括2000～4000小时的地面模拟高空试验）和4000～5000小时的飞行试验以及40000～100000小时的零部件试验。 　　发动机研制中要经过大量的零部件试验、整机地面与飞行试验才能确定发动机的性能、耐久性和适应性。部件间的相互影响、飞行条件变化引起发动机性能和稳定性的改变，要由试验确定。在发动机研制中，试验不仅是必要的，而且随发动机技术的发展，要求试验技术、试验设备和测试手段不断提高和发展。发动机型号研制的水平很大程度上取决于试验、测试技术和试验设备的水平。 　　一般地，航空发动机的试验分三大类： 性能试验（performance tests）、适应性试验（operability tests）和耐久性试验（durability tests）。 　　亦可根据试验对象、学科专业、*终目的、试验件尺寸、试验状态等进行分类。 　　按试验对象可分为零部件试验、系统试验、核心机试验、整机试验。 　　按学科专业可分为气动、燃烧、换热、控制、机械传动、结构强度、材料、工艺等各类试验。 　　按*终目的可分为研究探索性试验、型号研制试验和批产发动机试验。 　　按试验件尺寸可分为模型试验、全尺寸试验。 　　按试验状态可分为模拟试验、全状态试验。 　　航空发动机试验类别和分类之所以如此多，与其涉及的学科、技术多有关。另外，在发动机的发展过程中，在降低风险、减少投入的前提下，尽可能在真实的工作状态下掌握整机以及部件、系统等的性能、功能和可靠性等情况。如为降低新发动机在新飞机上的飞行风险，有了飞行台试验；为了更多地了解发动机在空中飞行的工作情况，让发动机在地面“飞”起来，有了高空台试验；为方便、经济地验证整机的性能、可靠性，开展了大量的整机地面试验。整机试验中，虽然可以布置大量的测点测量流动和受力情况，但由于有些部位无法详细测量、有些部位无法测量、测试受感部故障会造成整个发动机严重损坏、不易在极限状态工作等原因，因而需要开展部件试验。部件试验虽然克服了上述缺点，但不易模拟工作状态，需要的试验设备、试验费用比较高，因此，对一些技术成熟度不高、还处于研究探索阶段的技术，需要开展零件、构件等的模拟试验，详细测量流动和受力情况。 　　试验的作用大致可以概括为以下几个方面： 　　（1） 检验和验证整机及部件的设计性能； 　　（2） 考核发动机的可靠性、耐久性； 　　（3） 检查和修正设计方法； 　　（4） 发现和排除故障； 　　（5） 获取用理论计算不可能得到的技术数据。 　　从以上论述和分析，可以看出航空发动机试验的特点是： 涉及零部件、系统、整机等全系统，涵盖气动性能、机械性能、环境适应性、可靠性、耐久性等全特性，伴随预先研究、工程研制、使用发展等全过程。 　　1.2航空发动机露天试验及其种类 　　现代高性能发动机需要在更加恶劣的环境下高效、稳定运行，对发动机的性能、可靠性和耐久性提出了更高的要求。这也对试验项目提出了更加全面的要求，其中整机试验是*重要的试验项目，可以直接地反映发动机的运行状态和能效情况。航空发动机整机试验包括地面试验、高空台试验、飞行台试验。 　　整机地面试验包括室内试验和露天试验。 　　航空发动机露天试验就是利用露天条件，开展发动机研制过程中只能在露天或者适宜在露天开展的整机试验，如基准性能试验、环境适应试验、吞咽试验、排放测量、姿态试验、陀螺试验等，这些试验是研究和验证发动机整机性能、功能和可靠性重要的、必不可少的试验项目。为此，国外航空发达国家广泛开展发动机露天试验，建设了规模大、能力强的露天试验设施。 　　航空发动机通用规范（GJB 241A—2010、GJB 242A—2018、JSGS—87231A、JSSG—2007A等）和发动机适航规定（CCAR33、FAR33等）是发动机型号研制、验证、试验和交付使用的依据，其中对航空发动机整机试验提出了要求和指导意见。通过梳理通用规范、适航规定对发动机露天试验的要求，结合国外航空发动机露天试验情况，整理归纳出军民用涡喷、涡扇、涡轴、涡桨航空发动机露天试验7类，即基准性能试验、环境试验、吞咽试验、包容试验、排放测量、姿态试验、陀螺试验。 　　1. 基准性能试验 　　发动机室内试车台由于受外部环境因素影响相对较少，还能控制发动机运行时产生的噪声，广泛用于评估航空发动机的性能。但在封闭的室内试车台，由于有气流流过试车间，对发动机产生一定的迎面速度、发动机外部有气流通过，不能完全满足发动机的地面静止条件，需要对测量的推力等进行修正，这些都为发动机性能的评定引入了不确定因素。 　　航空发动机在露天试车台试验时，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（图1.1）上对基准发动机进行性能标定试验。标定试验后，将基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。 　　图1.1国外露天基准试车台 　　2. 环境试验 　　发动机在自然环境中可靠工作，具备良好的环境适应性，是发动机设计、验证中重点考虑的一个方面。从试验的便捷性和经济性角度考虑，开展环境试验要充分利用地理和自然条件模拟真实发动机工作条件。露天开展的环境试验主要有侧风试验和地面结冰试验。 　　1) 侧风试验 　　发动机侧风试验（图1.2）的目的主要是检验发动机在侧风条件下发动机的工作稳定性。飞机都是在宽广的空域和复杂的气象条件下飞行的，随时都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，对发动机起动性能与稳定工作性能影响较为显著，严重情况下甚至造成发动机起动过程或稳态过程颤振、失速或喘振。这对发动机的工作和飞机的飞行都是十分不利的。 　　图1.2通用电气公司侧风试验台 　　大涵道比发动机短舱较短，侧风对工作稳定性影响较大。因此，对大涵道比发动机来讲，由于其自身的结构特点，通过侧风试验验证其在不同侧风条件下的抗畸变能力尤为重要。 　　2） 地面结冰试验 　　飞机在存在冷水滴、冰晶及雪花的大气层中飞行时，发动机的零件、部件，特别是进气部件前沿很可能发生结冰现象。发动机进气系统结冰将改变气流通道的形状，减少发动机进气面积，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，冰层可能会脱落而进入发动机，导致发动机零部件发生机械事故；压气机转子叶片结冰会改变叶片形面而使叶片偏离设计状态，使压气机进入不稳定工作状态。为防止这种情况发生，发动机都有防冰系统。发动机地面结冰试验的目的就是在地面验证发动机进气系统结冰情况和防冰系统的工作能力，如图1.3所示。 　　图1.3通用电气公司结冰试验台 　　3. 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。发动机在吸入外来物后，外来物对流路部件关键部位造成损伤后，仍需要按规定继续工作。吞咽试验包括吞鸟、外来物损伤（外来物是螺帽、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。考虑到场地、危险性、防护等方面的要求，部分试验在露天试车台上开展更为合适，露天开展的吞咽试验主要有吞鸟、吞水、吞冰试验。 　　1） 吞鸟试验 　　发生鸟撞事故后，飞机发动机叶片发生变形、断裂，会造成发动机推力下降，断裂的叶片也有可能打伤其他叶片，使其断裂，一旦断裂的叶片飞出穿透机匣，会破坏飞机控制系统。断裂的叶片也会导致发动机转子的不平衡性，造成的后果极其严重，直接影响到飞机的飞行安全，会带来巨大的经济损失，同时也危及乘员的生命安全。 　　飞机发动机抗鸟撞击的能力，是保证飞机安全的一个重要条件。为了确保飞行安全，就必须在发动机设计时采取必要措施，以减轻发动机在发生鸟撞后的损伤程度，尽可能减少由此而引起的损伤。在适航性规定中，航空发动机必须经过严格的吞鸟试验，评估其承受飞鸟撞击的能力。吞鸟试验如图1.4所示。 　　图1.4Trent1000发动机吞鸟试验 　　2） 吞水试验 　　飞机在雨天飞行时，发动机会吞入雨水。如果发动机吞进大量的雨水，雨水进入压气机后在离心力的作用下甩向压气机机匣壁面，可能会使高温的机匣因突然冷却而收缩，导致高速旋转的压气机叶片与机匣间隙减小而发生摩擦，损伤机匣及转子叶片。另外，吞入大量的雨水还会造成压气机喘振，发动机转速降低，甚至是燃烧室熄火。当发动机处于慢车状态时，空气流量较小，若是雨水占空气质量流量的百分比较大，更易于引起发动机熄火。这都涉及飞机的安全问题，因此，在设计定型之前，航空发动机都必须通过吞水试验，如图1.5所示。