航空發(fā)動機(jī)整機(jī)可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)方法研究

李富亮 徐佳匯 李賢貞

摘要：高性能、高可靠性是現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)型號研制的主要目標(biāo)，為確認(rèn)發(fā)動機(jī)可靠性水平，需要在設(shè)計(jì)、制造、使用全過程中策劃并開展各種不同的可靠性試驗(yàn)。本文針對航空發(fā)動機(jī)研制階段的驗(yàn)證性試驗(yàn)，介紹了整機(jī)性能試驗(yàn)、振動試驗(yàn)、強(qiáng)度驗(yàn)證與考核試驗(yàn)、疲勞壽命試驗(yàn)和環(huán)境試驗(yàn)等整機(jī)可靠性試驗(yàn)方法。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機(jī);整機(jī)可靠性;驗(yàn)證;試驗(yàn)方法

中圖分類號：V263.5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）07-0016-02

0 ?引言

航空發(fā)動機(jī)可靠性指的是在規(guī)定的使用條件下和規(guī)定的壽命期內(nèi)，發(fā)動機(jī)無故障工作的能力[1]。評價發(fā)動機(jī)質(zhì)量的指標(biāo)包括性能、可靠性和維修性，性能指標(biāo)是基本指標(biāo)，但沒有可靠性和維修性指標(biāo)，也無法保證發(fā)動機(jī)的產(chǎn)品質(zhì)量，提高發(fā)動機(jī)的可靠性和維修性還可以降低發(fā)動機(jī)的研制風(fēng)險并加快研制進(jìn)度。航空發(fā)動機(jī)可靠性試驗(yàn)是指在設(shè)計(jì)、制造、使用過程中，為確認(rèn)發(fā)動機(jī)可靠性水平而進(jìn)行的試驗(yàn)，是驗(yàn)證發(fā)動機(jī)在規(guī)定條件下與規(guī)定時間內(nèi)能否實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能而進(jìn)行的試驗(yàn)[2]。可靠性試驗(yàn)貫穿于發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)、研制、生產(chǎn)和使用的全過程，根據(jù)不同階段和目的進(jìn)行各種不同的可靠性試驗(yàn)。

航空發(fā)動機(jī)是基礎(chǔ)技術(shù)、專業(yè)技術(shù)和綜合技術(shù)的高度融合體，涉及機(jī)械、電子、液壓、控制、材料、氣動和熱力等學(xué)科和專業(yè)，其研制過程是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程;如果在研制過程中片面追求發(fā)動機(jī)的高性能，而忽視可靠性、維修性問題，發(fā)動機(jī)在裝備使用后會出現(xiàn)嚴(yán)重影響可靠性的問題，從而需要再次花費(fèi)巨額的經(jīng)費(fèi)和大量的時間來解決。因此，在發(fā)動機(jī)型號研制開始時，就必須確定性能和可靠性綜合平衡的設(shè)計(jì)原則，在研制過程中策劃開展大量的可靠性試驗(yàn)，以在投入使用前盡可能多地暴露、發(fā)現(xiàn)并解決問題，提高發(fā)動機(jī)的可靠性和耐久性。

航空發(fā)動機(jī)可靠性試驗(yàn)分為零部件可靠性試驗(yàn)和整機(jī)可靠性試驗(yàn)，整機(jī)可靠性試驗(yàn)又分為研制階段的驗(yàn)證性試驗(yàn)、可靠性鑒定試驗(yàn)和可靠性驗(yàn)收試驗(yàn)，研制階段的驗(yàn)證性試驗(yàn)又分為整機(jī)性能試驗(yàn)、振動試驗(yàn)、強(qiáng)度驗(yàn)證與考核試驗(yàn)、疲勞壽命試驗(yàn)和環(huán)境試驗(yàn)等。本文對航空發(fā)動機(jī)研制階段整機(jī)可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)方法進(jìn)行分析，并結(jié)合國內(nèi)外發(fā)展情況提出建議。

1 ?整機(jī)性能試驗(yàn)

整機(jī)性能試驗(yàn)的目的是為了測定并評估發(fā)動機(jī)在正常工作情況下其性能參數(shù)是否達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，并檢查主要性能參數(shù)的變化趨勢。整機(jī)性能試驗(yàn)包括地面性能試驗(yàn)、高空性能試驗(yàn)、功能試驗(yàn)、推力瞬變試驗(yàn)、起動與再起動試驗(yàn)、風(fēng)車試驗(yàn)等。

整機(jī)性能試驗(yàn)通常需要錄取發(fā)動機(jī)高低壓轉(zhuǎn)速、空氣流量、燃油流量、推力、耗油率、排氣溫度等總體參數(shù)，以及壓氣機(jī)增壓比和效率、燃燒室燃燒效率和總壓恢復(fù)系數(shù)、高低壓渦輪落壓比和效率等部件參數(shù)，以對發(fā)動機(jī)整機(jī)性能進(jìn)行評估。

2 ?整機(jī)振動試驗(yàn)

整機(jī)振動問題是新發(fā)動機(jī)研制過程中的難點(diǎn)之一，通過對整機(jī)振動進(jìn)行有效測試，從而建立故障模式和識別系統(tǒng)，有利于降低發(fā)動機(jī)的整機(jī)振動水平并排除振動故障。整機(jī)振動試驗(yàn)的目的是掌握整機(jī)的振動特性，包括頻率、振動模態(tài)、振動響應(yīng)、轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速等，可劃分為整機(jī)振動監(jiān)控值的測定試驗(yàn)、整機(jī)振動監(jiān)測試驗(yàn)、主要零部件振動應(yīng)力水平的整機(jī)監(jiān)測試驗(yàn)等。

整機(jī)振動試驗(yàn)主要測量壓氣機(jī)、渦輪、附件傳動機(jī)匣外部的振動位移、速度和加速度，并在軸承部位測量軸承載荷及轉(zhuǎn)子振動加速度、位移等基本參數(shù)，還測量轉(zhuǎn)子支承系統(tǒng)以及機(jī)匣等構(gòu)件的固有頻率、轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速、振型、剛度、阻尼等模態(tài)參數(shù)。典型的整機(jī)振動測試系統(tǒng)包括傳感器、信號調(diào)節(jié)器、測振儀和動態(tài)采集系統(tǒng)，振動結(jié)果分析方法主要有時域分析、時頻分析、小波分析和頻域分析等。

3 ?強(qiáng)度驗(yàn)證與考核試驗(yàn)

強(qiáng)度驗(yàn)證與考核試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證發(fā)動機(jī)零部件的工作應(yīng)力水平與屈服應(yīng)力或強(qiáng)度極限應(yīng)力之間的關(guān)系，以減少故障并提高可靠性，主要包括機(jī)匣靜強(qiáng)度與疲勞應(yīng)力試驗(yàn)、軸承組件強(qiáng)度試驗(yàn)、轉(zhuǎn)子應(yīng)力水平考核試驗(yàn)、轉(zhuǎn)子屈服強(qiáng)度試驗(yàn)、轉(zhuǎn)子極限強(qiáng)度試驗(yàn)、轉(zhuǎn)子蠕變強(qiáng)度試驗(yàn)、轉(zhuǎn)子包容與非包容試驗(yàn)、轉(zhuǎn)子超轉(zhuǎn)試驗(yàn)和輪盤破裂試驗(yàn)等。

4 ?疲勞壽命試驗(yàn)

疲勞壽命試驗(yàn)可分為高周疲勞壽命、低周疲勞壽命和熱疲勞壽命試驗(yàn)等[3]。

高周疲勞是導(dǎo)致航空發(fā)動機(jī)葉片失效的主要原因之一，發(fā)動機(jī)葉片等零部件進(jìn)行高周疲勞試驗(yàn)時，試驗(yàn)的循環(huán)次數(shù)應(yīng)高于零部件在發(fā)動機(jī)壽命期內(nèi)的工作循環(huán)次數(shù)，試驗(yàn)后的零部件不應(yīng)破壞。高周疲勞試驗(yàn)時的激勵狀態(tài)包括零部件處于強(qiáng)迫振動下的疲勞循環(huán)次數(shù)、零部件處于共振狀態(tài)下的低應(yīng)力或高應(yīng)力水平疲勞損傷。

低周疲勞又稱低循環(huán)疲勞，是發(fā)動機(jī)輪盤、葉片、主軸、機(jī)匣等零部件故障的主要形式，循環(huán)應(yīng)力水平相對較高、塑性應(yīng)變占主導(dǎo)作用、循環(huán)次數(shù)較低，裂紋一般從應(yīng)力集中區(qū)開始，由于裂紋擴(kuò)展而引起斷裂。發(fā)動機(jī)低循環(huán)疲勞試驗(yàn)一般采用從慢車到最大再到慢車的循環(huán)，采用加速任務(wù)試車還能更加全面模擬實(shí)際使用中的低循環(huán)疲勞、蠕變和應(yīng)力斷裂情況。壓氣機(jī)和渦輪的輪盤、葉片、軸等零部件進(jìn)行低循環(huán)疲勞試驗(yàn)時應(yīng)保證100%裕度，即應(yīng)至少按規(guī)定的低循環(huán)疲勞壽命值兩倍進(jìn)行，或者以高溫和高載荷模擬發(fā)動機(jī)機(jī)動飛行載荷條件或以試驗(yàn)溫度下按材料特性調(diào)整載荷進(jìn)行。

5 ?環(huán)境試驗(yàn)

進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)的目的是考核發(fā)動機(jī)對各種自然環(huán)境的適應(yīng)能力，主要是考查外界環(huán)境對發(fā)動機(jī)工作可靠性的影響，包括吞鳥、吞砂、吞冰、吞水試驗(yàn)，以及高、低溫起動試驗(yàn)等[4-5]。

5.1 吞鳥試驗(yàn)

航空發(fā)動機(jī)遭遇鳥的吸入或者撞擊后極易引起飛機(jī)失事，造成重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。進(jìn)行吞鳥試驗(yàn)的目的是從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和性能方面檢驗(yàn)發(fā)動機(jī)在起飛、降落和低空飛行時具備耐鳥撞擊的能力，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面主要考核鳥撞后引起的發(fā)動機(jī)零部件損傷情況，性能方面則考核吞鳥后發(fā)動機(jī)推力損失、恢復(fù)及穩(wěn)定工作情況。吞鳥試驗(yàn)的主要參數(shù)有鳥重量、鳥速度、鳥數(shù)量、鳥分布、發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)和吞鳥時間等，《航空發(fā)動機(jī)適航規(guī)定》（CCAR33-R2）第33.76條規(guī)定了發(fā)動機(jī)在遭遇鳥的吸入或者撞擊后必須具備的安全工作能力，并按重量將鳥分為大鳥、中鳥和小鳥。典型吞鳥試驗(yàn)結(jié)果表明，小鳥比大鳥更容易進(jìn)入發(fā)動機(jī)氣流通道，并對發(fā)動機(jī)性能和零部件分別造成更大的影響和損傷。

5.2 吞砂試驗(yàn)

航空發(fā)動機(jī)吞砂試驗(yàn)，是指在地面試驗(yàn)條件下，當(dāng)發(fā)動機(jī)在要求的狀態(tài)工作時，持續(xù)并均勻地向發(fā)動機(jī)噴射一定濃度的砂塵，以檢查發(fā)動機(jī)穩(wěn)定工作的能力。砂塵進(jìn)入發(fā)動機(jī)后，會導(dǎo)致零部件磨蝕損傷，并使壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片和靜子葉片尖部和尾緣磨蝕，降低壓氣機(jī)效率和空氣流量，從而使推力降低;進(jìn)入發(fā)動機(jī)的砂塵在燃燒室內(nèi)高溫溶化后，一部分粘結(jié)在燃燒室上降低了燃燒效率，一部分粘結(jié)在渦輪葉片上使渦輪效率降低，導(dǎo)致耗油率升高。國軍標(biāo)GJB241規(guī)定，在砂塵環(huán)境下以最大連續(xù)推力工作10h后，發(fā)動機(jī)的推力損失和耗油率增加應(yīng)不大于5%，且不影響推力瞬變的能力。典型的吞砂試驗(yàn)設(shè)備主要由空氣過濾系統(tǒng)、送砂裝置、噴射管路和噴嘴組成。

5.3 吞冰試驗(yàn)

飛行過程中當(dāng)發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道積聚的冰層脫落或進(jìn)入冰雹時，可能會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)熄火、推力損失或者零部件損傷，有必要進(jìn)行吞冰片或吞冰雹等試驗(yàn)，以檢查發(fā)動機(jī)正常工作的能力。吞冰片試驗(yàn)?zāi)康氖悄M進(jìn)氣道積聚了大量冰層并發(fā)生冰片突然脫落，冰片被發(fā)動機(jī)吸入的情況;吞冰雹試驗(yàn)?zāi)康氖悄M飛機(jī)飛行過程中突然遇到冰雹并進(jìn)入發(fā)動機(jī)時的情況。典型的吞冰試驗(yàn)設(shè)備由制冰設(shè)備、投冰片和冰雹裝置、測試系統(tǒng)等組成，試驗(yàn)時主要監(jiān)控吞冰時發(fā)動機(jī)各項(xiàng)性能參數(shù)波動及恢復(fù)情況，試驗(yàn)后應(yīng)對發(fā)動機(jī)進(jìn)行分解以檢查零部件損傷情況。

5.4 吞水試驗(yàn)

發(fā)動機(jī)在雨天飛行時會吞入大量雨水，在地面跑道滑行時也會吞入大量積水，雨水進(jìn)入壓氣機(jī)后，可能造成壓氣機(jī)機(jī)匣冷卻收縮，機(jī)匣與葉片間隙不足導(dǎo)致摩擦損傷，還可能造成壓氣機(jī)喘振和燃油室熄火等故障。吞水試驗(yàn)的目的是在地面試車臺向發(fā)動機(jī)噴入一定水滴直徑、重量的液態(tài)水，以考核發(fā)動機(jī)工作穩(wěn)定性。典型的噴水裝置包括水箱、調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)、噴嘴等。試驗(yàn)過程中水的重量要達(dá)到進(jìn)入發(fā)動機(jī)空氣流量的一定比例，水應(yīng)為滴狀，試驗(yàn)應(yīng)分別在慢車、最大推力狀態(tài)、起動過程和加減速過程中進(jìn)行。

5.5 高、低溫起動試驗(yàn)

大氣溫度的變化會極大地影響發(fā)動機(jī)的起動性能，主要原因?yàn)椋孩贂鹂諝饷芏茸兓?，造成發(fā)動機(jī)進(jìn)氣流量變化，在供油量不變的情況下，改變?nèi)紵业挠鄽庀禂?shù)，影響點(diǎn)火和起動性能;②會引起燃油密度變化，在燃油調(diào)節(jié)規(guī)律不變時燃油質(zhì)量發(fā)生變化，造成渦輪做功減少或增大，發(fā)動機(jī)會出現(xiàn)冷懸掛或熱懸掛并導(dǎo)致起動失敗;③會引起滑油粘度變化，影響滑油潤滑效果，造成起動過程轉(zhuǎn)子阻力增加，影響起動性能。為了確保新研制的發(fā)動機(jī)具備高、低溫起動的能力，必須進(jìn)行高、低溫起動試驗(yàn)。

國軍標(biāo)GJB241規(guī)定，發(fā)動機(jī)在海平面熱天地面浸潤溫度或海平面冷天最低溫度中至少保溫10h，然后在海平面熱天最高溫度或海平面冷天最低溫度的燃油和進(jìn)口空氣條件下，起動發(fā)動機(jī)并加速到中間狀態(tài)，若發(fā)動機(jī)在起動和工作極限范圍內(nèi)連續(xù)兩次加速到中間狀態(tài)，則表明高、低溫起動試驗(yàn)成功。因高空模擬試車臺有冷凍、干燥和膨脹渦輪等降溫設(shè)備，也有空氣加溫設(shè)備，完全滿足國軍標(biāo)GJB241中高溫或低溫保溫的要求，目前高、低溫起動試驗(yàn)均在高空模擬試車臺上進(jìn)行。

6 ?總結(jié)

航空發(fā)動機(jī)可靠性是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，可靠性試驗(yàn)是一項(xiàng)重要而又繁雜的工作，是保證發(fā)動機(jī)質(zhì)量不可缺少的環(huán)節(jié)之一，應(yīng)從型號方案論證階段開始就詳細(xì)規(guī)劃和安排可靠性試驗(yàn)工程。通過在發(fā)動機(jī)研制階段進(jìn)行整機(jī)性能試驗(yàn)、振動試驗(yàn)、強(qiáng)度驗(yàn)證與考核試驗(yàn)、疲勞壽命試驗(yàn)和環(huán)境試驗(yàn)等整機(jī)可靠性試驗(yàn)，可以驗(yàn)證發(fā)動機(jī)的工作可靠性，確保發(fā)動機(jī)達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。整機(jī)可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)較為復(fù)雜，應(yīng)參照國內(nèi)外先進(jìn)發(fā)動機(jī)試驗(yàn)成果，摸索試驗(yàn)方法，積累試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步完善現(xiàn)有試驗(yàn)條件和手段，以加快新型號發(fā)動機(jī)研制進(jìn)度。

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