航空發(fā)動(dòng)機(jī)室內(nèi)臺(tái)架推力測(cè)量修正方法研究

楊福剛，陳 宇 ，常 誠(chéng)

（中航工業(yè)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，沈陽(yáng) 110043）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)室內(nèi)臺(tái)架推力測(cè)量修正方法研究

楊福剛，陳 宇 ，常 誠(chéng)

（中航工業(yè)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，沈陽(yáng) 110043）

為解決缺少標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)而不能對(duì)試車臺(tái)進(jìn)行定期校準(zhǔn)來(lái)確定試車臺(tái)推力修正值的問題，通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法，得到臺(tái)架的發(fā)動(dòng)機(jī)推力修正值；通過(guò)臺(tái)架氣動(dòng)流場(chǎng)參數(shù)測(cè)試，計(jì)算出氣動(dòng)沖量、噴口負(fù)壓和迎風(fēng)阻力等對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力的影響,并根據(jù)驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，分析了推力修正值的合理性。

臺(tái)架校準(zhǔn)；氣動(dòng)參數(shù)測(cè)試；推力修正系數(shù)；航空發(fā)動(dòng)機(jī)；試車臺(tái)

0 引言

目前，航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制先進(jìn)國(guó)家均建有露天試車臺(tái)，很容易實(shí)現(xiàn)室內(nèi)試車臺(tái)架的推力修正。根據(jù)國(guó)軍標(biāo)要求，科研、生產(chǎn)用各型航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)必須定期進(jìn)行校準(zhǔn)，以確定試車臺(tái)的修正值或修正系數(shù)[1]。長(zhǎng)期以來(lái)，中國(guó)因缺乏室內(nèi)試車臺(tái)校準(zhǔn)用發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)件的露天基準(zhǔn)試車臺(tái)，使發(fā)動(dòng)機(jī)室內(nèi)試車臺(tái)的校準(zhǔn)工作一直處于有規(guī)定、難實(shí)施的局面。而形成校準(zhǔn)用的發(fā)動(dòng)機(jī)大多由國(guó)外試車臺(tái)產(chǎn)生，國(guó)產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)與其相比，在臺(tái)架結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)布局和測(cè)試系統(tǒng)等方面均存在較大差異，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)狀態(tài)評(píng)定困難和性能評(píng)價(jià)不準(zhǔn)確等，影響了發(fā)動(dòng)機(jī)的修理和使用。

本文通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得出各試車臺(tái)架的發(fā)動(dòng)機(jī)推力修正系數(shù)，以解決無(wú)校準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)校準(zhǔn)臺(tái)架問題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的準(zhǔn)確評(píng)定。

1 臺(tái)架推力實(shí)施方案

1.1 臺(tái)架試車數(shù)據(jù)分析

通過(guò)對(duì)各試車臺(tái)在所有最大和全加力狀態(tài)下穩(wěn)態(tài)性能推力統(tǒng)計(jì)、分類和歸納，分析出發(fā)動(dòng)機(jī)推力與大氣溫度的變化關(guān)系。利用理論推力和推力換算系數(shù)曲線得到在最大和全加力狀態(tài)下理論推力的公差[2]，通過(guò)擬合方法，繪制出其推力范圍曲線，并將在各溫度下所統(tǒng)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量推力繪制到上述曲線中，通過(guò)分析推力損失影響因素，最后得到各臺(tái)架合適的推力修正系數(shù)。

1.2 臺(tái)架氣動(dòng)參數(shù)測(cè)試

在室內(nèi)試車臺(tái)上進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)試車時(shí)，由于受進(jìn)氣沖量、迎風(fēng)阻力和發(fā)動(dòng)機(jī)噴口附近負(fù)壓等影響[3]，所測(cè)推力比發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際推力低。為了獲得科學(xué)準(zhǔn)確的臺(tái)架修正系數(shù)，對(duì)試車臺(tái)架進(jìn)行氣動(dòng)參數(shù)測(cè)試，以分析推力損失的主要影響因素，為試車臺(tái)推力修正系數(shù)的確定提供參考依據(jù)。

2 實(shí)施結(jié)果

2.1 臺(tái)架數(shù)據(jù)分析結(jié)果

通過(guò)收集試車臺(tái)在所有最大和加力狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)性能參數(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類分析和總結(jié)，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、推力和大氣壓力與大氣溫度的變化關(guān)系繪制成曲線，分析和研究發(fā)動(dòng)機(jī)在各穩(wěn)定狀態(tài)下主要參數(shù)隨大氣溫度的變化規(guī)律。

首先，研究關(guān)于推力換算的計(jì)算方法，分別用在最大和加力狀態(tài)下的推力換算系數(shù)計(jì)算出對(duì)應(yīng)大氣溫度下的理論推力測(cè)量值；然后，按照最大和全加力狀態(tài)下推力限制值公差，繪制出2種狀態(tài)下的理論推力公差曲線,如圖1、2所示。

將試車臺(tái)的推力測(cè)量值按發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口溫度，分別繪制到圖1、2中，得到臺(tái)架發(fā)動(dòng)機(jī)在最大和加力狀態(tài)下測(cè)量推力隨大氣溫度的變化曲線，如圖3、4所示。

從圖3、4中可見，發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量推力與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口溫度變化關(guān)系符合理論曲線變化趨勢(shì)，但明顯低于理論推力值。這是因?yàn)榕_(tái)架氣動(dòng)參數(shù)影響使發(fā)動(dòng)機(jī)推力損失。因此，需要通過(guò)測(cè)量臺(tái)架氣動(dòng)參數(shù)進(jìn)行分析。

2.2 氣動(dòng)參數(shù)測(cè)試結(jié)果

按照臺(tái)架氣動(dòng)參數(shù)測(cè)試方案，對(duì)各試車臺(tái)架進(jìn)行氣動(dòng)參數(shù)測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容包括試車間進(jìn)氣壓力降、空氣平均流速、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣截面和排氣截面靜壓差，以及發(fā)動(dòng)機(jī)試車間排氣系統(tǒng)有無(wú)回流等。車間測(cè)試如圖5所示。

經(jīng)測(cè)試，其結(jié)果符合國(guó)軍標(biāo)要求。

2.2.1 氣動(dòng)沖量和迎風(fēng)阻力修正

發(fā)動(dòng)機(jī)在室內(nèi)試車臺(tái)上試車時(shí),由于氣流通過(guò)試車臺(tái)進(jìn)氣系統(tǒng)時(shí)有壓力損失，并且對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)有一定的迎面速度產(chǎn)生進(jìn)氣沖壓,使其地面靜止條件未得到滿足；外流沿發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)度的靜壓變化和摩擦阻力會(huì)引起測(cè)量推力損失,試車臺(tái)排氣系統(tǒng)造成的尾噴口處環(huán)境靜壓降也會(huì)引起測(cè)量推力損失[4]。因此，需要對(duì)臺(tái)架氣流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，研究試車間內(nèi)的流場(chǎng)狀況，計(jì)算各臺(tái)架氣動(dòng)沖量和迎風(fēng)阻力對(duì)推力的影響。通過(guò)對(duì)氣動(dòng)影響量進(jìn)行測(cè)試分析，可以計(jì)算出氣動(dòng)參數(shù)對(duì)推力的修正值，對(duì)該修正值可通過(guò)以下方法進(jìn)行修正

式中：F為發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際推力，N；Fcl為測(cè)量推力，N；ΔFr為進(jìn)氣沖量修正，N；ΔFn為迎風(fēng)阻力修正，N；ΔFp為噴口范圍負(fù)壓引起的修正。

2.2.1.1 迎風(fēng)阻力對(duì)推力的影響

由于推力測(cè)量平臺(tái)動(dòng)架、發(fā)動(dòng)機(jī)吊架和各連接管路均受到2股氣流的作用，如果已知受2股氣流作用部件的形狀、阻力系數(shù)和2股氣流參數(shù)，就可以對(duì)這些部件的阻力進(jìn)行估算。

單個(gè)部件的迎風(fēng)阻力為

式中：Cx為部件的迎風(fēng)阻力系數(shù)，該值取決于迎風(fēng)部件的形狀和雷諾數(shù)[5]；Ami為計(jì)算的投影面積。

式中：ρ為空氣密度；vn為部件迎風(fēng)氣流速度；dm為部件中部截面或直徑；μ為氣動(dòng)黏性系數(shù)。

取臺(tái)架各部件迎風(fēng)阻力系數(shù)為1，按照公式對(duì)迎風(fēng)阻力修正值進(jìn)行估算后可知，迎風(fēng)阻力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力影響相對(duì)很小，可以忽略不計(jì)。

2.2.1.2 氣動(dòng)沖量對(duì)推力的影響

在試車時(shí)，由于氣流通過(guò)試車臺(tái)進(jìn)氣系統(tǒng)時(shí)有壓力損失，并且對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)有一定的迎面速度,產(chǎn)生進(jìn)氣沖壓,使發(fā)動(dòng)機(jī)的“地面靜止”條件未得到滿足，相當(dāng)于發(fā)動(dòng)機(jī)在地面飛行，從而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力產(chǎn)生影響。

進(jìn)氣沖量使發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣裝置的推力降低，可表達(dá)為

式中：G0為試車間的總空氣流量,可由G0=ρvmA計(jì)算獲得；v′m為試車間截面的平均風(fēng)速，m/s；G1為發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流量，kg/s；v′m為試車間外流道平均風(fēng)速，m/s；Ps為進(jìn)氣道滯止區(qū)靜壓，Pa；P0s為試車間進(jìn)氣截面靜壓，Pa；A 為試車間截面積，m2。

通過(guò)對(duì)臺(tái)架進(jìn)行氣動(dòng)參數(shù)測(cè)試與計(jì)算，得到臺(tái)架氣動(dòng)沖量對(duì)推力的影響。

2.2.1.3 噴口負(fù)壓對(duì)推力的影響

通過(guò)噴口附近負(fù)壓對(duì)推力的影響進(jìn)行ΔFp修正，即 ΔFp=（P1-P0）*（A1-A9）。

發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的引射作用在試車間內(nèi)形成流動(dòng)，受引射氣流影響，噴口對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量推力產(chǎn)生影響。引射筒大小及其與發(fā)動(dòng)機(jī)噴口的距離決定引射流量和噴口處的靜壓。試驗(yàn)時(shí)在發(fā)動(dòng)機(jī)噴口與試車間地面間布置2支壓差傳感器，測(cè)量噴口處無(wú)負(fù)壓，說(shuō)明噴口對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力影響很小，可以忽略不計(jì)。

根據(jù)各臺(tái)架氣動(dòng)參數(shù)測(cè)試結(jié)果，從迎風(fēng)阻力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力影響、進(jìn)氣沖量推力修正值和噴口負(fù)壓對(duì)推力的計(jì)算分析看，進(jìn)氣沖量對(duì)推力修正值的影響最大，占發(fā)動(dòng)機(jī)總推力的2%～3%，修正量占總修正量的90%以上。

3 綜合數(shù)據(jù)分析

通過(guò)各試車臺(tái)現(xiàn)有推力修正系數(shù)統(tǒng)計(jì)，按發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)數(shù)加權(quán)平均得出了各試車臺(tái)架的平均推力修正系數(shù)。將各試車臺(tái)架在最大和加力狀態(tài)下的推力乘以平均推力修正系數(shù)后，得到臺(tái)架發(fā)動(dòng)機(jī)修正后推力與大氣溫度的關(guān)系曲線，如圖6、7所示。在最大和加力狀態(tài)下的推力基本在發(fā)動(dòng)機(jī)理論推力范圍內(nèi)。

發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量推力散度驗(yàn)算如下。

（1）為了便于發(fā)動(dòng)機(jī)理論推力曲線線性常用段分析，該段曲線方程為

（2）為了對(duì)比分析，取與試車臺(tái)氣動(dòng)結(jié)構(gòu)相近的試車臺(tái)測(cè)量推力值進(jìn)行計(jì)算。試車臺(tái)的測(cè)量推力按線性進(jìn)行曲線擬合所得到的曲線方程為

（3）按上述方法得到加力狀態(tài)理論方程為

（4）測(cè)量推力擬合曲線方程為

計(jì)算得到公差帶內(nèi)的樣本比例分別為93.10%和95.63%，可以判定試車臺(tái)氣動(dòng)參數(shù)相對(duì)穩(wěn)定。

從試車臺(tái)數(shù)據(jù)分析計(jì)算得到的推力平均修正系數(shù)，在最大狀態(tài)下的小于1.5%，在加力狀態(tài)下的為2%～3%。這與進(jìn)氣沖量對(duì)推力影響占發(fā)動(dòng)機(jī)總推力的比例基本吻合。臺(tái)架測(cè)量推力數(shù)據(jù)分布集中穩(wěn)定，驗(yàn)證了統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算得到的各臺(tái)架推力平均系數(shù)的可行性。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)各試車臺(tái)在所有最大和全加力狀態(tài)下穩(wěn)態(tài)性能推力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分類和歸納，分析出發(fā)動(dòng)機(jī)推力與大氣溫度的變化關(guān)系。將在各溫度下所統(tǒng)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量推力繪制成理論推力范圍曲線，可計(jì)算得到各臺(tái)架推力修正系數(shù)。

（2）對(duì)各試車臺(tái)架進(jìn)行進(jìn)氣壓力降、空氣平均流速、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣截面和排氣截面靜壓差，以及發(fā)動(dòng)機(jī)試車間排氣系統(tǒng)有無(wú)回流等氣動(dòng)參數(shù)測(cè)試，可以分析得出室內(nèi)臺(tái)架發(fā)動(dòng)機(jī)推力損失原因。

（3）通過(guò)氣動(dòng)參數(shù)測(cè)試，計(jì)算試車間迎風(fēng)阻力、進(jìn)氣沖量和噴口負(fù)壓對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力影響可知，進(jìn)氣沖量對(duì)推力修正值影響最大，占發(fā)動(dòng)機(jī)總推力的2%～3%，占修正量的90%以上。

（4）氣動(dòng)沖量修正量與統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算得到的各臺(tái)架推力修正系數(shù)基本吻合，驗(yàn)證了該方法的可行性。

（5）本文進(jìn)行的推力測(cè)量修正方法應(yīng)用研究，可大大減少使用校準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)校準(zhǔn)試車時(shí)引起的性能不穩(wěn)定情況。

[1]陳代富.某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車臺(tái)校準(zhǔn) [C]//中國(guó)航空學(xué)會(huì)第七屆動(dòng)力年會(huì)論文集.北京：中國(guó)航空學(xué)會(huì)，2010：1-3.

[2]陳益林.航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車工藝[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010：256-261.

[3]宋寶玉，于文懷.航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配試車技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2002：207-241.

[4]Martin J G,Stephen R J.An integrated approach to propulsion and power for unmanned vehicles[R].AIAA-2003-6527.

Correction Methods of Thrust Measurement for Aeroengine Indoor Bench

YANG Fu-gang， CHEN Yu，CHANG Cheng
（AVIC Shenyang Liming Aeroengine group corp.LTD,Shenyang 110034,China）

Due to no standard engine,an aeroengine test bench could not be calibrated periodically to determine thrust correction factor.The thrust correction value was obtained by statistical analysis method.The effect of pneumatic impulse,nozzle negative pressure and wind resistance on the engine thrust was calculated by the aerodynamic flow parameter test.The rationality of thrust correction value was analyzed by statistical data.

bench calibration;aerodynamic parameter test;thrust correction coefficient,aeroengine;test bench

楊福剛（1973），男，高級(jí)工程師，從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車研究工作。

2011-06-20