航空發(fā)動機(jī)壓力畸變試驗(yàn)安全操作措施

鄺文，吳鋒，彭生紅，田應(yīng)維，文壁

(中國燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703)

航空發(fā)動機(jī)壓力畸變試驗(yàn)安全操作措施

鄺文，吳鋒，彭生紅，田應(yīng)維，文壁

(中國燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703)

基于發(fā)動機(jī)壓力畸變試驗(yàn)的重要性及高風(fēng)險性，詳細(xì)介紹了發(fā)動機(jī)移動插板壓力畸變試驗(yàn)安全操作方案。為保障試驗(yàn)安全，制定了詳細(xì)的控制措施，及需注意的安全監(jiān)視參數(shù)和危機(jī)應(yīng)急措施。發(fā)動機(jī)壓力畸變試驗(yàn)結(jié)果表明，發(fā)動機(jī)壓力畸變試驗(yàn)失穩(wěn)時刻最明顯的表現(xiàn)形式為尾噴口噴火，同時脈動壓力劇烈波動；該安全操作措施有效、合理，能確保發(fā)動機(jī)移動插板壓力畸變試驗(yàn)安全。

航空發(fā)動機(jī)；壓力畸變試驗(yàn)；穩(wěn)定性；喘振；壓力脈動；安全操作措施

1 引言

現(xiàn)代高性能飛機(jī)的隱身、高機(jī)動性、短距起降、作戰(zhàn)要求和機(jī)載武器的使用等，對發(fā)動機(jī)的氣動穩(wěn)定性提出了更高要求。研究表明，進(jìn)氣壓力畸變對發(fā)動機(jī)氣動穩(wěn)定性往往起決定作用，是發(fā)生得最頻繁的發(fā)動機(jī)失穩(wěn)因子[1，2]。航空發(fā)達(dá)國家對發(fā)動機(jī)氣動穩(wěn)定性評定非常重視，把進(jìn)發(fā)匹配作為飛機(jī)發(fā)動機(jī)一體化設(shè)計(jì)的重要研究內(nèi)容和急切解決目標(biāo)。為滿足不斷發(fā)展的飛機(jī)對發(fā)動機(jī)氣動穩(wěn)定性的要求，發(fā)動機(jī)壓力畸變試驗(yàn)尤其是高空壓力畸變試驗(yàn)，是飛機(jī)進(jìn)氣道/發(fā)動機(jī)相容性研究的一個重要組成部分，也是為發(fā)展、驗(yàn)證推進(jìn)系統(tǒng)穩(wěn)定性和為性能評估提供技術(shù)數(shù)據(jù)及資料的主要手段[3，4]。

發(fā)動機(jī)移動插板壓力畸變試驗(yàn)屬于高危試驗(yàn)科目，若降穩(wěn)因子所要求的穩(wěn)定裕度超過了發(fā)動機(jī)的可用穩(wěn)定裕度，發(fā)動機(jī)將產(chǎn)生氣動不穩(wěn)定性，其表現(xiàn)形式為壓氣機(jī)失速、葉片顫振、復(fù)合振動、轉(zhuǎn)子強(qiáng)迫振動及渦輪部件超溫，嚴(yán)重時可導(dǎo)致發(fā)動機(jī)喘振、空中熄火停車，甚至結(jié)構(gòu)損壞[5]。進(jìn)氣畸變會影響發(fā)動機(jī)的性能、可操縱性和耐久性，造成推力損失，導(dǎo)致風(fēng)扇和壓氣機(jī)壽命減少。在發(fā)動機(jī)高空模擬試驗(yàn)艙進(jìn)行發(fā)動機(jī)移動插板高空逼喘試驗(yàn)，對發(fā)動機(jī)和高空艙設(shè)備危害性極大，試驗(yàn)風(fēng)險高，尤其是當(dāng)發(fā)動機(jī)喘振時，移動插板易因高空負(fù)溫結(jié)冰卡滯而無法及時回退到指定位置，以及試驗(yàn)過程中，發(fā)動機(jī)失穩(wěn)時，軸向氣流來回脈動振蕩產(chǎn)生的氣動力可能破壞

測試探針，造成測試受感部斷裂。因此，必須采取措施降低試驗(yàn)風(fēng)險。國內(nèi)外對此公開發(fā)表、可供借鑒的經(jīng)驗(yàn)極少。本文詳細(xì)介紹了發(fā)動機(jī)移動插板壓力畸變試驗(yàn)安全操作方案。

2 控制措施

為保障發(fā)動機(jī)進(jìn)氣壓力畸變試驗(yàn)順利進(jìn)行，試驗(yàn)前須制定發(fā)動機(jī)移動插板壓力畸變試驗(yàn)安全操作方案。

2.1 試驗(yàn)前控制措施

(1)最重要的是制定發(fā)動機(jī)失穩(wěn)判斷依據(jù)，主要包括發(fā)動機(jī)綜調(diào)發(fā)出的喘振信號、確定發(fā)動機(jī)喘振A值限制值(A值為設(shè)計(jì)的與壓氣機(jī)后壓力相關(guān)聯(lián)的喘振判據(jù)，經(jīng)數(shù)采系統(tǒng)交直流隔離變送器，分別采集得到的傳感器交流有效值與傳感器直流分量的比值)、風(fēng)扇/高壓后總壓脈動量限制值及發(fā)動機(jī)振動、排氣溫度報警值等，并將實(shí)時試驗(yàn)結(jié)果顯示在前臺。

(2)對移動插板進(jìn)行靜態(tài)、動態(tài)調(diào)試，檢查移動插板移動連續(xù)性功能；核查移動插板快退功能對喘振信號的響應(yīng)，完善控制系統(tǒng)功能，滿足控制插板運(yùn)行速度要求。

(3)完成發(fā)動機(jī)和畸變試驗(yàn)裝置檢查，校準(zhǔn)測試受感部強(qiáng)度，完成進(jìn)氣流量管內(nèi)受感部檢查并按畸變試驗(yàn)要求安裝畸變板，保證畸變試驗(yàn)受感部安全有效；在測試受感部根部安裝動應(yīng)力貼片，試驗(yàn)過程中監(jiān)視測試受感部工作情況。

(4)檢查設(shè)備測試系統(tǒng)中脈動/振動受感部狀態(tài)，確定滿足畸變試驗(yàn)需求，且在逼喘過程中，確保能準(zhǔn)確感受到壓力波動和發(fā)動機(jī)振動信號，及時發(fā)出消喘指令。

(5)制定試驗(yàn)順序。為保證高空畸變試驗(yàn)順利進(jìn)行、試驗(yàn)時數(shù)據(jù)的有效性，及減小氣動失穩(wěn)對發(fā)動機(jī)的危害，首先應(yīng)進(jìn)行高空小負(fù)荷的試驗(yàn)點(diǎn)，然后是大負(fù)荷試驗(yàn)點(diǎn)，并全程監(jiān)視受感部動應(yīng)力情況。

(6)制定試驗(yàn)過程中的插板操作程序：插板插入深度以小步長遞進(jìn)，在一定程度上規(guī)避發(fā)動機(jī)喘振時的能量及數(shù)量，試驗(yàn)過程中發(fā)動機(jī)任一次喘振后，均應(yīng)對發(fā)動機(jī)進(jìn)行全面檢查，如有必要則應(yīng)進(jìn)行孔探儀檢查，確保發(fā)動機(jī)安全工作。

2.2 試驗(yàn)應(yīng)急措施

(1)在以下情況下，應(yīng)把發(fā)動機(jī)油門桿拉到停車位置：①發(fā)動機(jī)進(jìn)口處滑油壓力降低至臨界值時；②發(fā)動機(jī)系統(tǒng)或供油管路中發(fā)生燃油、滑油或液壓油泄漏并有火災(zāi)危險時；③出現(xiàn)具有應(yīng)急性質(zhì)的不正常工作情況(如振動、排氣溫度急劇增大等)時。

(2)在出現(xiàn)喘振、總壓受感部動應(yīng)力超標(biāo)、發(fā)動機(jī)振動超標(biāo)、發(fā)動機(jī)滑油壓力波動、金屬屑信號燈閃爍及降轉(zhuǎn)信號時，應(yīng)將發(fā)動機(jī)在慢車狀態(tài)冷卻后再拉停。

(3)當(dāng)發(fā)動機(jī)出現(xiàn)失穩(wěn)且插板無機(jī)械卡滯現(xiàn)象時，降低發(fā)動機(jī)狀態(tài)，同時插板退回零位，并在慢車狀態(tài)檢查發(fā)動機(jī)工作情況。當(dāng)發(fā)動機(jī)在慢車狀態(tài)仍未退出失穩(wěn)狀態(tài)或燃燒室熄火，則發(fā)動機(jī)停車。

(4)當(dāng)發(fā)動機(jī)失穩(wěn)且插板機(jī)械卡滯時，迅速將發(fā)動機(jī)拉回至慢車狀態(tài)，同時插板盡快退回零位，并在慢車狀態(tài)檢查發(fā)動機(jī)工作情況。當(dāng)發(fā)動機(jī)在慢車狀態(tài)仍未退出失穩(wěn)狀態(tài)或燃燒室熄火，則發(fā)動機(jī)停車。

2.3 試驗(yàn)監(jiān)視參數(shù)

壓力畸變試驗(yàn)時，移動插板以正常慢速推進(jìn)過程中，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速將隨空氣流量、控制規(guī)律、渦輪后溫度變化。發(fā)動機(jī)油門桿主操作人員主要監(jiān)測：發(fā)動機(jī)綜合調(diào)節(jié)器發(fā)出的喘振信號，這是發(fā)動機(jī)失穩(wěn)時的最重要判斷參數(shù)；風(fēng)扇出口總/靜壓與壓氣機(jī)出口總/靜壓及發(fā)動機(jī)進(jìn)口脈動總壓時間歷程，這是發(fā)動機(jī)失穩(wěn)時的主要判斷參數(shù)，也是監(jiān)視發(fā)動機(jī)內(nèi)部氣流流動的最直接因素；發(fā)動機(jī)滑油壓力波動及金屬屑信號燈閃爍情況，這是判斷發(fā)動機(jī)內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)的特征參數(shù)。其它相應(yīng)監(jiān)測包括發(fā)動機(jī)進(jìn)口截面(AIP界面)上總壓受感部動應(yīng)力情況，其反應(yīng)了總壓受感部工作狀態(tài)是否正常；高空艙內(nèi)發(fā)動機(jī)流量管外部氣流流動狀況，發(fā)動機(jī)進(jìn)行高空壓力畸變試驗(yàn)，空氣溫度為負(fù)溫，試驗(yàn)中若流量管局部漏氣，插板系統(tǒng)將可能因結(jié)冰而卡滯。此外，還需細(xì)致觀測發(fā)動機(jī)振動、燃燒室出口壁面靜壓脈動、發(fā)動機(jī)排氣溫度變化及失穩(wěn)臨界時刻。

3 應(yīng)用效果

1#發(fā)動機(jī)在高空艙進(jìn)行移動插板逼喘過程中，沒有結(jié)冰及機(jī)械卡滯現(xiàn)象，動應(yīng)力情況顯示試驗(yàn)時測試受感部工作可靠；測試系統(tǒng)中脈動/振動受感部狀態(tài)良好，能準(zhǔn)確感受壓力波動和發(fā)動機(jī)振動信號。試驗(yàn)時發(fā)動機(jī)狀態(tài)良好，發(fā)動機(jī)滑油壓力穩(wěn)定，發(fā)動機(jī)系統(tǒng)或供油管路中燃油、滑油或液壓油沒有出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，發(fā)動機(jī)工作正常。

1#發(fā)動機(jī)在飛行高度15 km、飛行馬赫數(shù)0.75、低壓換算轉(zhuǎn)速87%狀態(tài)、引氣/加載條件下，插板相

對深度從31.3%緩慢上推至32.0%過程時，發(fā)動機(jī)尾噴口出現(xiàn)噴火(圖1)，發(fā)動機(jī)本體上的脈動壓力出現(xiàn)劇烈波動(圖2)。油門桿主操作人員立即按試驗(yàn)安全操作措施執(zhí)行(圖3)。油門桿下拉至慢車狀態(tài)后緊接著發(fā)動機(jī)綜調(diào)發(fā)出喘振信號，該過程中發(fā)動機(jī)振動和排氣溫度變化不明顯。

依據(jù)1#發(fā)動機(jī)高空壓力畸變試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，制定發(fā)動機(jī)失穩(wěn)判斷依據(jù)時，增加考慮發(fā)動機(jī)尾噴口氣流流動情況。在2#發(fā)動機(jī)高空壓力畸變試驗(yàn)中，試驗(yàn)前控制措施同樣確保了移動插板控制和測試受感部工作可靠。發(fā)動機(jī)滑油系統(tǒng)受本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)限制，工作時間嚴(yán)重縮短，波動異?，F(xiàn)象明顯(圖4)。在缺少發(fā)動機(jī)本體上的脈動壓力測點(diǎn)時，嚴(yán)格監(jiān)控了發(fā)動機(jī)進(jìn)口截面上的六點(diǎn)脈動壓力時間歷程。

2#發(fā)動機(jī)在飛行高度18 km、飛行表速500 km/h、無引氣、無功率提取條件下，低壓換算轉(zhuǎn)速92%狀態(tài)時發(fā)動機(jī)尾噴口出現(xiàn)噴火現(xiàn)象(圖5)。同時，發(fā)動機(jī)進(jìn)口截面上的六點(diǎn)脈動壓力出現(xiàn)波動(圖6，失穩(wěn)瞬時，發(fā)動機(jī)進(jìn)口截面6點(diǎn)脈動壓力最大平均脈動量為45%，限制值為35%)，油門桿主操作人員按試驗(yàn)安全操作措施執(zhí)行(圖7)。失穩(wěn)時刻，發(fā)動機(jī)喘振A值明顯變化，但未超過限制值，發(fā)動機(jī)振動和發(fā)動機(jī)排氣溫度變化不明顯。

1#、2#發(fā)動機(jī)高空壓力畸變模擬試驗(yàn)過程中，發(fā)動機(jī)均多次失穩(wěn)，失穩(wěn)時油門桿快速拉回至慢車狀

態(tài)，同時移動插板快速回退，此時發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)穩(wěn)定。試驗(yàn)后的校準(zhǔn)試驗(yàn)表明，發(fā)動機(jī)技術(shù)狀態(tài)未發(fā)生變化。試驗(yàn)后對流量管上的脈動壓力受感部和總壓受感部進(jìn)行探傷檢驗(yàn)，受感部表面無結(jié)構(gòu)性破壞。以上表明，試驗(yàn)安全操作措施合理可行。

4 結(jié)束語

從發(fā)動機(jī)高空壓力畸變試驗(yàn)結(jié)果看，發(fā)動機(jī)壓力畸變試驗(yàn)控制措施和應(yīng)急措施合理可行；發(fā)動機(jī)壓力畸變試驗(yàn)失穩(wěn)時刻最明顯的表現(xiàn)形式為發(fā)動機(jī)尾噴口噴火，同時發(fā)動機(jī)上的脈動壓力劇烈波動，發(fā)動機(jī)進(jìn)口截面脈動壓力平均脈動量不及發(fā)動機(jī)上的變化明顯；通過對發(fā)動機(jī)喘振A值限制值，尤其是發(fā)動機(jī)振動和發(fā)動機(jī)排氣溫度報警值，來判斷發(fā)動機(jī)失穩(wěn)可能會滯后，建議在發(fā)動機(jī)高空壓力畸變試驗(yàn)時嚴(yán)格制定喘振A值限制值和發(fā)動機(jī)進(jìn)口脈動壓力脈動量報警值。

[1]廉筱純，吳虎.航空發(fā)動機(jī)原理[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2001.

[2]GJB 241A-2010，航空渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)通用規(guī)范[S].

[3]GJB 5028-2001，航空渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)高空模擬試驗(yàn)要求[S].

[4]HB/Z 281-95(HB 7081-94)，航空發(fā)動機(jī)故障模式、影響及危害性分析指南[S].

[5]劉大響，葉培梁，胡駿，等.航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)與評定技術(shù)[M].北京：北京航空工業(yè)出版社，2004.

Safe Operation Measures for Aero-Engine Pressure Distortion Test

KUANG Wen，WU Feng，PENG Sheng-hong，TIAN Ying-wei，WEN Bi
(China Gas Turbine Establishment，Jiangyou 621703，China)

Based on the importance and high risk of the engine pressure distortion test,the safety operation scheme of the engine pressure distortion test on movable baffle was introduced.To ensure test safety,con?trol measures were drafted in detail before testing and the test parameters need to monitor and emergency measures were also set.Pressure distortion test results indicate that the most evident phenomenon of surge is nozzle flaming and engine pulsating pressure fluctuates intensively.It is proved that the scheme is effec?tive and reasonable,which could ensure safety of engine pressure distortion test.

aero-engine；pressure distortion test；stability；surge；pressure pulsation；safe operation measures

V263.3

：A

：1672-2620(2014)01-0053-04

2013-01-30；

：2014-01-13

鄺文(1980-)，男，四川江油人，高級技師，中航工業(yè)飛機(jī)發(fā)動機(jī)試車工工種特級技能專家，中航工業(yè)發(fā)動機(jī)公司飛機(jī)發(fā)動機(jī)試車工工種首席技能專家，一直從事航空發(fā)動機(jī)整機(jī)高空模擬試驗(yàn)工作。