國(guó)外核心機(jī)試驗(yàn)評(píng)估方法及啟示

肖 蔓

(中國(guó)航空動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002)

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國(guó)外核心機(jī)試驗(yàn)評(píng)估方法及啟示

肖 蔓

(中國(guó)航空動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002)

從核心機(jī)試驗(yàn)的意義和目的、測(cè)試項(xiàng)目及其測(cè)點(diǎn)布局、試驗(yàn)技術(shù)狀態(tài)控制、試驗(yàn)結(jié)果評(píng)估等方面，結(jié)合國(guó)外新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)的一些試驗(yàn)情況，對(duì)國(guó)外核心機(jī)試驗(yàn)評(píng)估方法進(jìn)行了探討，在此基礎(chǔ)上，提出了開(kāi)展新研核心機(jī)試驗(yàn)研究的幾點(diǎn)啟示。

核心機(jī)； 氣動(dòng)性能；機(jī)械性能；結(jié)果評(píng)估

1 引 言

核心機(jī)試驗(yàn)是為了在接近真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境下對(duì)已取得一定突破的單項(xiàng)技術(shù)和部件技術(shù)進(jìn)行集成驗(yàn)證，以降低整機(jī)工程研制的風(fēng)險(xiǎn)。在發(fā)動(dòng)機(jī)壽命期內(nèi)，核心機(jī)處于承上啟下的位置，在發(fā)動(dòng)機(jī)的研究和發(fā)展中起到關(guān)鍵作用[1]。

20世紀(jì)80年代初，GE公司為了給下一代大型運(yùn)輸機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)提供技術(shù)儲(chǔ)備，由NASA主持實(shí)施了一項(xiàng)高效節(jié)能發(fā)動(dòng)機(jī)(E3)的研究計(jì)劃，E3核心機(jī)對(duì)其在民機(jī)市場(chǎng)中的迅速崛起發(fā)揮了巨大作用。2008年，GE公司啟動(dòng)了一項(xiàng)新型eCore核心機(jī)計(jì)劃，并在eCore1、eCore2和eCore3核心機(jī)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，成功研制出3種型號(hào)的LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)今，幾乎每一款新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制均缺不了核心機(jī)的試驗(yàn)。

本文針對(duì)全新研制的核心機(jī)，從核心機(jī)試驗(yàn)?zāi)康?、測(cè)試項(xiàng)目及其測(cè)點(diǎn)布局、試驗(yàn)技術(shù)狀態(tài)控制和試驗(yàn)結(jié)果評(píng)估等方面對(duì)國(guó)外核心機(jī)試驗(yàn)評(píng)估方法進(jìn)行了探討，并提出了國(guó)內(nèi)開(kāi)展核心機(jī)試驗(yàn)研究的幾點(diǎn)啟示。

2 核心機(jī)試驗(yàn)的意義和目的

從技術(shù)成熟度角度，核心機(jī)試驗(yàn)就是在接近真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)環(huán)境下，對(duì)技術(shù)成熟度TRL=3-4的部件單項(xiàng)技術(shù)或組合技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，使技術(shù)成熟度達(dá)到5-6。從研制成本角度，產(chǎn)品全壽命周期的成本很大程度上取決于設(shè)計(jì)的好壞。如果部件技術(shù)沒(méi)有在核心機(jī)試驗(yàn)階段得到充分驗(yàn)證，在后期再解決新出現(xiàn)技術(shù)問(wèn)題的代價(jià)將非常高[2]。核心機(jī)試驗(yàn)是權(quán)衡技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和成本風(fēng)險(xiǎn)的一種最佳選擇，其意義在于有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)工程研制的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、成本風(fēng)險(xiǎn)以及進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)。

核心機(jī)試驗(yàn)的主要目的：獲得核心機(jī)總的機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)情況和總體性能，獲得采用新方法、新材料、新工藝或新結(jié)構(gòu)的特定零部件在核心機(jī)中的運(yùn)轉(zhuǎn)信息，獲得設(shè)計(jì)仿真工具校核、驗(yàn)證和確認(rèn)所需的相關(guān)詳細(xì)測(cè)試數(shù)據(jù)。

3 核心機(jī)測(cè)試項(xiàng)目及其測(cè)點(diǎn)布局

核心機(jī)試驗(yàn)需通過(guò)試驗(yàn)調(diào)試獲得以下數(shù)據(jù)信息：驗(yàn)證核心機(jī)總體性能和機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)情況，各部件和系統(tǒng)在接近發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)條件下的工作情況，以及各部件和系統(tǒng)最佳匹配的技術(shù)狀態(tài)。例如E3核心機(jī)測(cè)試項(xiàng)目包括：氣動(dòng)性能、二次流、間隙、機(jī)械性能、振動(dòng)和運(yùn)行特性等；eCore核心機(jī)測(cè)試項(xiàng)目側(cè)重于壓氣機(jī)性能、TAPS II燃燒室技術(shù)和渦輪效率[3]。

為了全面驗(yàn)證和評(píng)估核心機(jī)及其部件和系統(tǒng)的綜合性能，國(guó)外核心機(jī)試驗(yàn)的測(cè)試點(diǎn)通常以1000為量級(jí)，如GE公司的3臺(tái)eCore核心機(jī)試驗(yàn)，每臺(tái)核心機(jī)均有2000多個(gè)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的測(cè)量；E3核心機(jī)布有1400個(gè)測(cè)點(diǎn)以獲得發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)；普惠公司的PurePower GTF發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)的測(cè)試包括1200余項(xiàng)測(cè)量。為全面和準(zhǔn)確獲得發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，核心機(jī)試驗(yàn)應(yīng)詳盡和精準(zhǔn)以得到核心機(jī)及其內(nèi)部的各項(xiàng)性能。E3核心機(jī)主要測(cè)點(diǎn)分布如表1所示[4]。

表1 E3核心機(jī)主要測(cè)點(diǎn)分布

4 核心機(jī)試驗(yàn)技術(shù)狀態(tài)控制

試驗(yàn)過(guò)程的可控性和可追溯性是十分重要的，必須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)從上臺(tái)、開(kāi)車(chē)前檢查、啟動(dòng)、試車(chē)、停車(chē)到發(fā)動(dòng)機(jī)下臺(tái)全過(guò)程的相關(guān)信息進(jìn)行詳細(xì)地記錄和管理。

對(duì)于核心機(jī)試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，應(yīng)對(duì)每次試驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行合理地安排，對(duì)核心機(jī)、車(chē)臺(tái)和測(cè)試布局的變化進(jìn)行嚴(yán)格地控制，以保證整個(gè)試驗(yàn)的高效有序開(kāi)展。例如，E3核心機(jī)試驗(yàn)針對(duì)規(guī)定的試驗(yàn)項(xiàng)目安排了12輪試驗(yàn)，并對(duì)每輪試驗(yàn)的具體內(nèi)容及技術(shù)狀態(tài)的變動(dòng)均有明確的規(guī)定。E3核心機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證了采用先進(jìn)技術(shù)的核心機(jī)能夠無(wú)故障穩(wěn)定工作，未出現(xiàn)熱力學(xué)或機(jī)械等方面的問(wèn)題。eCore核心機(jī)是通過(guò)eCore1、eCore2和eCore3三種技術(shù)狀態(tài)的核心機(jī)逐步進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，每種核心機(jī)試驗(yàn)都有詳細(xì)的試驗(yàn)具體目標(biāo)和相應(yīng)的試驗(yàn)測(cè)試項(xiàng)目，國(guó)外核心機(jī)試驗(yàn)過(guò)程體現(xiàn)了高質(zhì)量的過(guò)程控制和試驗(yàn)技術(shù)狀態(tài)管理水平。

5 核心機(jī)試驗(yàn)結(jié)果評(píng)估

核心機(jī)試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)估應(yīng)與試驗(yàn)?zāi)康摹⒃囼?yàn)內(nèi)容相呼應(yīng)。核心機(jī)試驗(yàn)評(píng)估內(nèi)容通常包括：核心機(jī)總體性能和機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)情況的評(píng)估、各部件和系統(tǒng)在核心機(jī)中的工作情況評(píng)估以及各部件和系統(tǒng)最佳匹配調(diào)試結(jié)果的技術(shù)狀態(tài)評(píng)估。

評(píng)價(jià)核心機(jī)有效性的特征參數(shù)主要包括單位循環(huán)功、單位循環(huán)功耗油率、核心機(jī)壓比、核心機(jī)溫比等。GE公司采用專(zhuān)用軟件進(jìn)行核心機(jī)試驗(yàn)的綜合性能評(píng)估。核心機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中，采用DMS Phase I軟件進(jìn)行核心機(jī)性能評(píng)價(jià)。該軟件既可對(duì)直接測(cè)試結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，也可以將測(cè)試結(jié)果與試驗(yàn)前的預(yù)估性能進(jìn)行比較，有助于在測(cè)量下一個(gè)數(shù)據(jù)測(cè)量點(diǎn)之前識(shí)別測(cè)量中的異常情況以及評(píng)估核心機(jī)狀態(tài)。核心機(jī)試驗(yàn)后，采用DMS Phase II軟件的“核心機(jī)”模態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，還可以在循環(huán)平臺(tái)上進(jìn)行模擬來(lái)改進(jìn)不同的部件，并通過(guò)求解一個(gè)系統(tǒng)的模擬方程以匹配試驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量結(jié)果。

如果核心機(jī)試驗(yàn)總測(cè)量數(shù)只有200～300個(gè)點(diǎn)，就不能獲得核心機(jī)內(nèi)部詳細(xì)的測(cè)量數(shù)據(jù)，也就無(wú)法評(píng)估核心機(jī)部件和系統(tǒng)的氣動(dòng)和機(jī)械性能，一旦出現(xiàn)核心機(jī)性能不達(dá)標(biāo)等問(wèn)題時(shí)，就難以開(kāi)展針對(duì)性的分析和改進(jìn)工作。而E3核心機(jī)試驗(yàn)，有1400個(gè)詳細(xì)測(cè)點(diǎn)布局，其所獲得的試驗(yàn)結(jié)果不僅包括詳細(xì)和準(zhǔn)確的核心機(jī)總體綜合性能數(shù)據(jù)，而且也包括核心機(jī)工作環(huán)境條件下各部件和系統(tǒng)詳細(xì)的機(jī)械性能、熱力學(xué)性能和氣動(dòng)性能，這樣有利于有的放矢地分析和改進(jìn)工作。

6 結(jié) 論

通過(guò)前述核心機(jī)試驗(yàn)研究的相關(guān)介紹，可以得到以下幾點(diǎn)啟示：

(1)獲取核心機(jī)工作時(shí)內(nèi)部詳盡的試驗(yàn)數(shù)據(jù)是全面準(zhǔn)確評(píng)估核心機(jī)綜合性能的關(guān)鍵；

(2)專(zhuān)用的試驗(yàn)評(píng)估軟件是核心機(jī)綜合性能評(píng)估的有效手段；

(3)良好的試驗(yàn)過(guò)程控制和技術(shù)狀態(tài)管理是優(yōu)質(zhì)高效試驗(yàn)的質(zhì)量保障；

(4)核心機(jī)試驗(yàn)評(píng)估方法需與試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)協(xié)同發(fā)展。

[1]方昌德.航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展研究[M].北京:航空工業(yè)出版社,2009:190-191.

[2]系統(tǒng)工程手冊(cè)[M].張新國(guó),譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2013:32-33.

[3]GE Aviation Press Center. LEAP eCore 1 Successfully Completes First Phase of Testing[EB/OL].[2009-11-15] http://www.geaviation.com/press/cfm56/leap-x/leap-x_20091115.html.

[4]E.M. Stearns. E3 Core design and performance report[R].NASA CR-168069,1982:122-498.

Evaluation Method and Revelation of Foreign Core Engine Test

Xiao Man

(China Aviation Powerplant Research Institute, Zhuzhou 412002, Hunan, China)

Evaluation methods of core engine test are discussed in several aspects, such as test purpose, measurement items, quantities and positions of instrumentation, testing process, configuration management, and test result evaluation based on the foreign core tests of some new aero-engine development projects. Some revelations about the research of new core engine test are gained.

core engine; aerodynamic performance; mechanical performance; result evaluation

2016-08-24

肖 蔓(1965-)，女，湖南株洲人，本科，副研究館員，研究方向：科技情報(bào)。

V23

B

10.3969/j.issn.1674-3407.2016.03.014