常 誠
(中國航發(fā)上海商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限責(zé)任公司,上海 201306)
150h持久試驗(yàn)試車是適航條款要求的特殊的演示試驗(yàn),是一個(gè)重要的標(biāo)志性里程碑,是世界各國發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中不可避免的一個(gè)環(huán)節(jié),GE、PW以及RR三大原始設(shè)備制造商(Original Equipment Manufacturer,OEM)都十分重視該環(huán)節(jié),并且都十分謹(jǐn)慎地對(duì)待持久試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的任何技術(shù)問題和故障。
近年來,國內(nèi)民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制快速發(fā)展,必須要通過適航認(rèn)證,而在適航認(rèn)證過程中,發(fā)動(dòng)機(jī)必須要經(jīng)150 h持久試驗(yàn)試車。持久試驗(yàn)的適航條款規(guī)定了任一型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)都需要采用進(jìn)行演示試驗(yàn)的方法完成滿足該發(fā)動(dòng)機(jī)的所有試驗(yàn)需求,因此,發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)要達(dá)到或超過技術(shù)要求的紅線風(fēng)扇/高壓轉(zhuǎn)速、紅線排氣溫度以及額定100%的發(fā)動(dòng)機(jī)推力,完成持久試驗(yàn)中的三重紅線(起飛和最大連續(xù))部分,以說明其工作的耐久性和可靠性,并且在每次選定臺(tái)份的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行臺(tái)架持久試驗(yàn)前、后,都需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能進(jìn)行校準(zhǔn),且結(jié)果需要滿足適航要求。
GJB241《航空渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范》和CCAR33《航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航規(guī)定》兩類文件的規(guī)定差異很大,這是由于軍/民用發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際使用中有無應(yīng)急推力的一種直接反映,在很大程度上,發(fā)動(dòng)機(jī)的推力結(jié)構(gòu)決定了定型試驗(yàn)的實(shí)質(zhì)?!逗娇諟u輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范》規(guī)定了能使發(fā)動(dòng)機(jī)圓滿地執(zhí)行軍事任務(wù)的工作要求,對(duì)軍用發(fā)動(dòng)機(jī)來說,還需要根據(jù)通用規(guī)范制定符合要求的發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)規(guī)范,通用規(guī)范是制定型號(hào)規(guī)范的依據(jù),型號(hào)規(guī)范是發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中的依據(jù),在研制過程中會(huì)有一定的取舍,因此,其本身具有一定程度的靈活性?!逗娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)適航規(guī)定》中的150 h持久試車包括影響發(fā)動(dòng)機(jī)安全性和耐久性的很多因素,是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作安全性和可靠性提出的最低要求,不能準(zhǔn)確地反映飛行任務(wù)載荷給發(fā)動(dòng)機(jī)帶來的損傷,是通用的最低標(biāo)準(zhǔn)。
20世紀(jì)70年代后期,各航空強(qiáng)國的發(fā)動(dòng)機(jī)加速任務(wù)試車技術(shù)普遍有所發(fā)展,試車的關(guān)鍵是模擬使用壽命,試驗(yàn)方法是要鑒別出由推力狀態(tài)變化和在高溫下的工作時(shí)間所造成的結(jié)構(gòu)上的破壞事故。為充分模擬飛機(jī)的多種典型任務(wù),往往至少制定2種加速任務(wù)試車譜,具備加速弄清發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)完整性的優(yōu)缺點(diǎn),具有可以縮短整機(jī)試驗(yàn)與型號(hào)研制時(shí)間的特點(diǎn)。
將型號(hào)研制早期的150 h持久試驗(yàn)試車作為循環(huán)試驗(yàn)使用,能夠盡早地發(fā)現(xiàn)在軸的轉(zhuǎn)速、溫度等更多使用條件下服務(wù)的設(shè)計(jì)能力,也能確保發(fā)動(dòng)機(jī)在一定的時(shí)間范圍內(nèi)在所有轉(zhuǎn)速的操作范圍內(nèi)工作,發(fā)現(xiàn)一些不希望出現(xiàn)的情況。另外,在研制的后期,循環(huán)試驗(yàn)還能作為型號(hào)試驗(yàn)的實(shí)際運(yùn)行試驗(yàn)與其他試驗(yàn)一同進(jìn)行。
在選定進(jìn)行持久試驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)后,確定發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)整附件的調(diào)整位置,將功能特性限定在規(guī)定的范圍內(nèi),并且在完成持久試車后仍與持久試車開始之前相一致。發(fā)動(dòng)機(jī)上臺(tái)完成持久試驗(yàn)前,首先要校準(zhǔn)試車,然后進(jìn)行持久試驗(yàn),完成等效持久試驗(yàn)試車譜,最后下臺(tái)前的完成校準(zhǔn)試車,并對(duì)比前后兩次校準(zhǔn)試車的推力和耗油率,滿足型號(hào)研制過程中提交的型號(hào)數(shù)據(jù)額定限制值中的數(shù)據(jù)要求,至此發(fā)動(dòng)機(jī)完成持久試驗(yàn)的臺(tái)架試車部分,返回裝配車間進(jìn)行分解檢查,所有被檢查的零部件都沒有超出申請(qǐng)的發(fā)動(dòng)機(jī)維修手冊(cè)規(guī)定的維修限制范圍,并未發(fā)現(xiàn)零件損壞、過度的磨損、變形和強(qiáng)度減弱等現(xiàn)象,該臺(tái)份發(fā)動(dòng)機(jī)才完成持久試驗(yàn)試車,其工作流程環(huán)節(jié)如圖1所示。
圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)的工作流程環(huán)節(jié)示意圖
根據(jù)國內(nèi)試驗(yàn)的工作經(jīng)驗(yàn)結(jié)合國外三大OEM的持久試驗(yàn)工作情況,可以看出,在持久試驗(yàn)過程中,三重紅線問題是一個(gè)十分煩瑣的問題,既涉及到發(fā)動(dòng)機(jī)自身的特性,也包括臺(tái)架設(shè)備特點(diǎn),并且由于發(fā)動(dòng)機(jī)及設(shè)備自身能力的問題,在不能一次性完成的情況下,可以采用分步實(shí)施、逐步求證的方法,累計(jì)執(zhí)行。另外關(guān)于在持久試驗(yàn)的過程中由于附件故障及泄漏、振動(dòng)、磨損、燒蝕、裂紋以及臺(tái)架適應(yīng)性改造設(shè)備持久工作的問題,都將會(huì)成為持久試驗(yàn)的工作隱患,對(duì)持久試車過程中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別,并建立明確的應(yīng)急處置預(yù)案,合理安排持久試驗(yàn)與其他整機(jī)試驗(yàn)的順序,提前驗(yàn)證規(guī)避一些不必要的風(fēng)險(xiǎn),是必不可少的。
適航條款要求發(fā)動(dòng)機(jī)的主承制商通過演示實(shí)驗(yàn)表明發(fā)動(dòng)機(jī)整體滿足當(dāng)局關(guān)注的內(nèi)容,并且滿意的完成演示試驗(yàn)才能被批準(zhǔn),獲得型號(hào)適航取證的資格,這是發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中一個(gè)標(biāo)志性的里程碑,確保發(fā)動(dòng)機(jī)能夠維持飛機(jī)適航取證和商業(yè)運(yùn)行。適航的條款規(guī)定滿足持久試驗(yàn)考核標(biāo)準(zhǔn),驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)初始工作能力、發(fā)動(dòng)機(jī)的額定值和使用限制,建立了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),保證發(fā)動(dòng)機(jī)具有最低水平的操縱特性和耐久性。
民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)依據(jù)自身特點(diǎn),包括導(dǎo)流葉片、噴口等幾何通道、控制規(guī)律和發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)限制,結(jié)合整機(jī)地面室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)試車臺(tái)架的可使用條件,作為輸入,以技術(shù)流程展開的系統(tǒng)工程思想對(duì) 150 h持久試驗(yàn)進(jìn)行技術(shù)層級(jí)分解,如圖2所示,臺(tái)架設(shè)備經(jīng)過適應(yīng)性改造為持久試驗(yàn)試車提供支撐的基礎(chǔ)上須完成三紅線、推力修正、試車譜制定三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。
圖2 關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)架構(gòu)圖
3.2.1 三紅線技術(shù)
從150 h持久試驗(yàn)要求看,發(fā)動(dòng)機(jī)要同時(shí)在紅線風(fēng)扇/高壓轉(zhuǎn)速、紅線排氣溫度、額定的發(fā)動(dòng)機(jī)推力狀態(tài)的三重紅線狀態(tài)下工作。臺(tái)架試驗(yàn)中根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)硬件及控制規(guī)律的特點(diǎn),結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)限制數(shù)值中關(guān)于參數(shù)限定的要求,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)所需要達(dá)到的特定的三紅線工作狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)機(jī)理分析。雙轉(zhuǎn)子渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)通常由進(jìn)氣道、風(fēng)扇壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪和噴管組成,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
空氣作為工作介質(zhì),經(jīng)由進(jìn)氣道,進(jìn)入風(fēng)扇增壓機(jī)以及高壓壓氣機(jī),流至燃燒室,與燃燒室噴入的燃料混合燃燒,產(chǎn)生的化學(xué)能量通過渦輪轉(zhuǎn)子,做功帶動(dòng)壓氣機(jī)持續(xù)旋轉(zhuǎn),帶動(dòng)風(fēng)扇產(chǎn)生主要推力,剩余的能量經(jīng)噴口排出體外。其轉(zhuǎn)子模塊功率簡(jiǎn)化方程如公式(1)所示。
式中:J為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;n為工作轉(zhuǎn)速;PT為渦輪功率;PC為壓氣機(jī)功率;為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的微分。
按照民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的基本工作原理結(jié)合設(shè)計(jì)的控制規(guī)律,通過改變轉(zhuǎn)子設(shè)定轉(zhuǎn)速,提升供油,提高渦輪前溫度,加快高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,做功能力增強(qiáng),低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨之增加,渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)推力主要有外涵道產(chǎn)生,一般占總推力的85%及以上,隨著低壓轉(zhuǎn)速的增加,推力大幅度的上升。
實(shí)際工作過程中發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu),不僅只有轉(zhuǎn)子和供油,還可以結(jié)合壓氣機(jī)進(jìn)口流量導(dǎo)向器、噴口直徑大小等發(fā)動(dòng)機(jī)自身調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)以及發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流道調(diào)節(jié)裝置等試車臺(tái)設(shè)備,共同解決發(fā)動(dòng)機(jī)三紅線狀態(tài)的問題,使相互之間的參數(shù)更加匹配。
三紅線調(diào)整手段較多,各調(diào)整手段之間的耦合影響復(fù)雜,為此,建立三紅線改造工作的基本原則:改裝不可避免,但有前提,針對(duì)試驗(yàn)件的改裝只允許較小的偏離,還需通過分析表明經(jīng)改裝的試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)仍然能代表型號(hào)設(shè)計(jì)的耐久性和操作性??紤]調(diào)節(jié)手段的連續(xù)可調(diào)功能,不要過分依賴某一種調(diào)節(jié)手段而超出改裝可接受范圍,保證三紅線狀態(tài)處于達(dá)到或略高于紅線值的水平,經(jīng)定性分析及定量計(jì)算,可以設(shè)計(jì)不同壓降的進(jìn)氣道,適度調(diào)整進(jìn)氣導(dǎo)流葉片角度,適度改變排氣出口流通面積,改變狀態(tài)進(jìn)氣空氣流量,匹配整體發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)。
3.2.2 持久試車推力修正技術(shù)
持久試驗(yàn)過程中,對(duì)應(yīng)于發(fā)動(dòng)機(jī)自身結(jié)構(gòu)發(fā)生相應(yīng)的改變,試車臺(tái)架設(shè)備也會(huì)隨之不同,所以持久試驗(yàn)試車在構(gòu)型上與一般常規(guī)試驗(yàn)試車的氣動(dòng)流場(chǎng)不同,例如為三紅線的實(shí)現(xiàn)而特制發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道、進(jìn)氣格柵、可能的進(jìn)口導(dǎo)流葉片、發(fā)動(dòng)機(jī)可調(diào)換的尾噴口以及發(fā)動(dòng)機(jī)持久試驗(yàn)額外測(cè)試所需的管線等,都能夠影響發(fā)動(dòng)機(jī)在室內(nèi)試車臺(tái)進(jìn)行持久試驗(yàn)的氣動(dòng)流場(chǎng),進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的推力,為此需要對(duì)持久試驗(yàn)試車構(gòu)型的發(fā)動(dòng)機(jī)及其試車臺(tái)設(shè)備導(dǎo)致的推力差異進(jìn)行氣動(dòng)流場(chǎng)的修正工作,以保證獲得的發(fā)動(dòng)機(jī)推力能夠正確地反應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作情況。即根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)和臺(tái)架改造實(shí)際情況確定的持久試驗(yàn)試車過程中的推力修正技術(shù)和實(shí)施方法。在這一環(huán)節(jié)通常采用流場(chǎng)測(cè)量的方法進(jìn)行室內(nèi)試車臺(tái)的發(fā)動(dòng)機(jī)推力修正工作,發(fā)動(dòng)機(jī)室內(nèi)試車臺(tái)主要包括進(jìn)氣塔、導(dǎo)流葉片、試車間、引射筒、排氣塔,在試車間內(nèi)布置速度和壓力測(cè)點(diǎn),對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在試車間工作過程中的流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量[1],其工作布局如圖4所示。
圖4 試車間內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置示意圖
3.2.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)流場(chǎng)測(cè)量
發(fā)動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)前方未受擾動(dòng)的氣流作為0截面,在整機(jī)室內(nèi)試車臺(tái)選擇距離進(jìn)氣口5~8倍進(jìn)氣道直徑即可,并在此處布置流場(chǎng)參數(shù)測(cè)量耙子,5×5=25點(diǎn),每點(diǎn)測(cè)量氣流流速及氣流壓力。
對(duì)應(yīng)的1~9截面,分別在發(fā)動(dòng)機(jī)中心標(biāo)高位置布置6個(gè)測(cè)點(diǎn),左右對(duì)稱,1截面位于發(fā)動(dòng)機(jī)的唇口后截面,距進(jìn)氣流量管唇口后1.5 m~2 m;9截面位于發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口截面,與發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口平齊,每點(diǎn)測(cè)量氣流流速及氣流壓力。
發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生推力如式(2)所示。
式中:m9、v9、P9和A9為9截面質(zhì)量流量、速度、壓力和面積;m0、v0、P0、A0為0截面質(zhì)量流量、速度、壓力和面積;為進(jìn)氣段0-1截面的壓力的積分;為排氣段1-9截面的壓力的積分。
3.2.2.2 試車臺(tái)架流場(chǎng)測(cè)量
航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)推力通過整機(jī)試車獲得。試車時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)推力通過掛架和動(dòng)架傳遞至推力傳感器,由推力傳感器測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的推力,在發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)架上的主要的迎風(fēng)面布置不少于6個(gè)測(cè)點(diǎn),為避免氣流對(duì)測(cè)點(diǎn)的影響,傳感器受感部伸出迎風(fēng)面應(yīng)不小于150 mm。 臺(tái)架迎風(fēng)阻力如公式(3)所示。
式中:ρ為空氣密度;Cdi為風(fēng)阻系數(shù);Ai為迎風(fēng)面積;vi為迎風(fēng)流速;n為測(cè)點(diǎn)數(shù)。
測(cè)量試車間內(nèi)相關(guān)的流場(chǎng)參數(shù)并將流場(chǎng)測(cè)量的結(jié)果用于累積,最終獲取該試驗(yàn)臺(tái)架條件下的室內(nèi)室外間的各穩(wěn)定狀態(tài)下的推力修正系數(shù)(修正值),從而發(fā)動(dòng)機(jī)在整機(jī)地面室內(nèi)試車臺(tái)的推力如式(4)所示。
3.2.3 持久試驗(yàn)等效試車譜制定技術(shù)
持久試驗(yàn)等效試車譜制定技術(shù)是150h持久試驗(yàn)的核心技術(shù)內(nèi)容,前面的所有技術(shù)研究都是為試車譜安排服務(wù)的,發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)控制規(guī)律,臺(tái)架的結(jié)構(gòu)和功能,共同決定等效試驗(yàn)試車譜的制定以及如何進(jìn)行臺(tái)架的持久試驗(yàn)試車程序的安排。
3.2.3.1 等效試車譜技術(shù)分析
150 h持久試車是發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性和適航性的一種鑒定性試車,不是模擬使用任務(wù)的壽命試車,發(fā)動(dòng)機(jī)工裝狀態(tài)的安排與實(shí)際航線使用情況相差很遠(yuǎn),不能用來確定發(fā)動(dòng)機(jī)在翼時(shí)期的使用壽命,而是在廠內(nèi)試車臺(tái)上,根據(jù)較為苛刻的條件來考核發(fā)動(dòng)機(jī)的基本工作狀況,建立最低的工作標(biāo)準(zhǔn),這一點(diǎn)與加速任務(wù)試車及其相似,各個(gè)主要的OEM為使發(fā)動(dòng)機(jī)在地面試車臺(tái)上能夠提早發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在外場(chǎng)使用時(shí)可能出現(xiàn)的功能結(jié)構(gòu)上的故障和缺陷,使發(fā)動(dòng)機(jī)在地面試車臺(tái)上按照預(yù)先制定好的能充分反映外場(chǎng)使用情況的程序進(jìn)行加速任務(wù)試車,這樣的試驗(yàn)試車相對(duì)150 h持久試驗(yàn)試車而言,具有提早發(fā)現(xiàn)零部件承載能力和循環(huán)疲勞限制以及弄清發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)完整性等優(yōu)點(diǎn),并且能縮短型號(hào)研制試驗(yàn)時(shí)間。而150 h持久試驗(yàn)試車對(duì)加速任務(wù)試車同樣具備自身的試驗(yàn)特點(diǎn),本身試驗(yàn)時(shí)間較短,并且工作狀態(tài)已經(jīng)處于民機(jī)的三紅線位置,十分苛刻。因此在滿足關(guān)鍵參數(shù)要求的基礎(chǔ)上,不改變?cè)囓嚦绦虻目量坛潭?,盡可能減少臺(tái)架改裝/校準(zhǔn)的次數(shù),目標(biāo)參數(shù)要容易調(diào)整,改裝難度低,構(gòu)型偏離小,就自然成了持久試驗(yàn)等效試車譜制定的基本原則。通常按照1∶1的壽命分配原則,在滿足適航條款要求下,編制試驗(yàn)試車程序的試車譜,解決試驗(yàn)試車程序、時(shí)間分配以及過程中的加載、引氣、起飛、最大連續(xù)之間的變換等相關(guān)技術(shù)問題,便于實(shí)際工作實(shí)施。
3.3.3.2 試驗(yàn)程序的執(zhí)行策略
如果嚴(yán)格按照適航條例推薦的試車譜開展試驗(yàn),每次試車循環(huán)過程中都必須進(jìn)行多次試驗(yàn)件和/或試驗(yàn)設(shè)備改裝,多次改裝或更換會(huì)增加試驗(yàn)件或試驗(yàn)設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn),也會(huì)增加持久試驗(yàn)的起動(dòng)次數(shù),最終會(huì)浪費(fèi)大量的人力/物力資源,增加時(shí)間成本??紤]到實(shí)際工作中單次不能過長(zhǎng)的試車時(shí)間且試驗(yàn)過程中不可能一番風(fēng)順的特點(diǎn),滿足條件下又不要過度考核的具體因素,在等效試車譜制定實(shí)施過程中,執(zhí)行示意圖5所示的持久試驗(yàn)試車譜工作策略,首先進(jìn)入極限三紅線工作狀態(tài),然后進(jìn)行其余略低工作狀態(tài)的試驗(yàn)安排,最后調(diào)整持久試驗(yàn)過程中的發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài),排除故障以及補(bǔ)充試驗(yàn)試車等,記錄完成持久試車的狀態(tài)。
圖5 持久試車譜執(zhí)行策略示意圖
按照持久試驗(yàn)試車的條款規(guī)定達(dá)到所需的工作狀態(tài),并累計(jì)完成對(duì)應(yīng)狀態(tài)時(shí)間及工作次數(shù),建立并達(dá)到型號(hào)工作中所需的苛刻條件下的使用限定值,即可認(rèn)定已經(jīng)完成持久試驗(yàn)試車,表明了該發(fā)動(dòng)機(jī)在其工作壽命期間內(nèi),具備最低安全水平的操縱性和耐久性。然而150h持久試車并不是發(fā)動(dòng)機(jī)的工作壽命試車,不能完全模擬預(yù)期使用全生命周期的工作場(chǎng)景及載荷,為此可以進(jìn)行以下操作:1)借鑒《航空渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范》的工作模式,展開全壽命1∶1的壽命試車,這樣能夠更好地了解型號(hào)研制過程在試車壽命期內(nèi)的故障。2) 借鑒AMT,進(jìn)行加速任務(wù)的壽命試車,也能盡可能地反應(yīng)壽命期內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)在翼飛行實(shí)際工作情況。