渦軸發(fā)動機吞鳥試驗方法及試驗驗證

王慶平，王 飛，趙海鳳

（1.中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002；2.南昌航空大學(xué)飛行器工程學(xué)院，南昌 330063）

0 引言

隨著航空技術(shù)的快速發(fā)展，鳥類對飛行器的危害不斷凸顯，鳥撞事件呈增加的趨勢。據(jù)美國空軍統(tǒng)計，1956~1973年發(fā)生航空發(fā)動機鳥撞事件112次；1985~1998年平均每年因鳥撞造成3500萬美元的損失。因此，開展發(fā)動機吞鳥試驗研究非常有意義。

自20世紀(jì)70年代至今，國外進行了大量航空發(fā)動機吞鳥試驗研究。Howard等對GE公司開展的大涵道比渦扇發(fā)動機吞鳥試驗進行了總結(jié)，分析并討論了開展吞鳥試驗的理由、試驗臺架設(shè)計、空氣炮和高速攝像機的布局及試驗流程；Shorr等利用有限元軟件MSC.Dytran建立了“軟”、“硬”2種鳥體模型并進行了鳥撞的數(shù)值模擬分析，與試驗結(jié)果的對比表明2種模型均能較好地模擬質(zhì)量約為1.8 kg的鳥撞擊對風(fēng)扇葉片的影響；Kermanidis等針對采用張量蒙皮設(shè)計的機翼前緣開展了鳥撞的非線性有限元分析，提出了相應(yīng)的有限元建模方法和分析步驟，數(shù)值模擬與試驗結(jié)果吻合較好；Meguid等利用LS-Dyna軟件分析了鳥體大小和形狀對撞擊力的影響，發(fā)現(xiàn)鳥體和葉片的初始撞擊面積對最大撞擊力影響較大，而鳥體的寬高比對撞擊力幾乎沒有影響；Demers探討了鳥撞對發(fā)動機設(shè)計準(zhǔn)則的影響。在大量理論研究和試驗的基礎(chǔ)上，國外相繼在FAR-33部及CS-E中提出民用航空發(fā)動機吞鳥適航要求，并于80年代將適航理念引入軍用航空器的研制，適航吞鳥要求成為軍用航空發(fā)動機研制必須考慮的問題。中國亦針對軍用航空發(fā)動機吞鳥開展了相關(guān)研究。陳偉等利用LS-Dyna開展了發(fā)動機葉片鳥撞擊瞬態(tài)響應(yīng)的數(shù)值模擬分析；劉建明等基于MSC.Dytran分析了鳥體密度、體積以及葉片材料參數(shù)對撞擊力的影響；張海洋等采用SPH方法分析了鳥撞對旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇葉片的損傷并進行了試驗驗證；張永飛等針對某型渦軸發(fā)動機開展了吞鳥對發(fā)動機性能影響試驗；晏祥斌等、劉濤等開展了渦扇發(fā)動機吞鳥適航符合性驗證研究。在大量研究的基礎(chǔ)上，中國相繼制定了國軍標(biāo)《航空發(fā)動機吞鳥試驗要求》（GJB3727-1999）、《航空渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動機通用規(guī)范》（GJB241A-2010）、《航空渦輪螺槳和渦輪軸發(fā)動機通用規(guī)范》（GJB242A-2018）。

但上述吞鳥試驗的研究、規(guī)范和要求主要側(cè)重于渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動機，針對渦軸發(fā)動機的很少，仍未形成系統(tǒng)的試驗方案和試驗流程。本文根據(jù)國軍標(biāo)對航空發(fā)動機吞鳥試驗的要求，結(jié)合典型渦軸發(fā)動機的結(jié)構(gòu)特征，提出一種典型渦軸發(fā)動機吞鳥試驗方案，制定了相應(yīng)的吞鳥試驗流程，并通過地面臺架試驗進行了驗證。

1 國軍標(biāo)對渦軸發(fā)動機吞鳥試驗的要求

《航空渦輪螺槳和渦輪軸發(fā)動機通用規(guī)范》（GJB242A-2018）和《航空發(fā)動機吞鳥試驗要求》（GJB3727-1999）對航空發(fā)動機吞鳥試驗中鳥的質(zhì)量、數(shù)量以及試驗級別均作出了詳細(xì)規(guī)定，見表1~3。

表1 鳥的質(zhì)量級別

發(fā)動機完成吞鳥試驗的判據(jù)為：在表3中的a、b、c 3項條件下，雖然可能造成發(fā)動機某些零件損壞，但不能引起發(fā)動機停車。發(fā)動機應(yīng)不熄火，并能在規(guī)定的時間內(nèi)恢復(fù)到吞鳥前的工作狀態(tài)。在d項條件下，發(fā)動機不應(yīng)發(fā)生能導(dǎo)致飛機損壞的故障。

表2 吞鳥的數(shù)量級別

表3 渦軸發(fā)動機吞鳥試驗級別

2 試驗方案與流程

2.1 試驗前準(zhǔn)備工作

2.1.1 試車臺和發(fā)動機的校準(zhǔn)

在吞鳥試驗前，試車臺和發(fā)動機應(yīng)按照相關(guān)程序校準(zhǔn)，其中發(fā)動機的校準(zhǔn)包括穩(wěn)態(tài)性能和功率瞬態(tài)性能，記錄校準(zhǔn)試驗數(shù)據(jù)。完成發(fā)動機校準(zhǔn)試驗后，將穩(wěn)態(tài)性能試驗數(shù)據(jù)換算成標(biāo)準(zhǔn)性能曲線；將功率瞬態(tài)性能試驗數(shù)據(jù)按實測結(jié)果繪制成發(fā)動機參數(shù)與時間的關(guān)系曲線。

2.1.2 鳥的制作與投射位置的確定

根據(jù)發(fā)動機的進口面積，按照表1、2中的要求計算并確定發(fā)動機應(yīng)吞入鳥的質(zhì)量和數(shù)量。試驗用鳥應(yīng)盡量使用自然鳥，必要時中鳥和大鳥允許使用家禽，允許通過修剪翅膀和腿等方式對試驗用鳥進行處理、稱重；若使用人造鳥，建議使用20%的明膠和80%的水制作。此外，為便于后期分析鳥在發(fā)動機內(nèi)的運行軌跡以及區(qū)分判斷殘骸來源，應(yīng)將2只或2只以上的鳥染上不同顏色。

確定應(yīng)吞入鳥的質(zhì)量和數(shù)量后，根據(jù)制定的吞鳥試驗程序圖譜中吞鳥點發(fā)動機的狀態(tài)，按照表3確定鳥的投射速度。鳥的投射位置應(yīng)避開壓氣機第1級葉片前的靜子支板，防止鳥卡滯在支板上；有2只或2只以上的鳥時，應(yīng)盡量拉開其投射位置之間的距離，如圖1所示。

圖1 鳥的投射位置

2.1.3 試驗設(shè)備布局與安裝

吞鳥試驗設(shè)備布局如圖2所示。吞鳥試驗專用投鳥設(shè)備為氣體炮，按規(guī)定向發(fā)動機進口投射試驗用鳥。同時至少利用3臺高速攝影設(shè)備記錄鳥的運行軌跡和撞擊部位、試驗件變形和碎裂過程，并對鳥的速度進行測量?？紤]到典型渦軸發(fā)動機一般為功率前輸出，在臺架試驗時功率軸需與測功器連接，所以投鳥設(shè)備以及高速攝影設(shè)備在安裝時應(yīng)與發(fā)動機軸線呈一定角度，從而避開測功器。具體角度應(yīng)根據(jù)發(fā)動機在臺架上的安裝情況確定。此外，為了保證鳥體順利進入發(fā)動機流道，發(fā)動機進口處應(yīng)安裝導(dǎo)流盆。

圖2 吞鳥試驗設(shè)備布局

2.1.4 制定吞鳥試驗程序圖譜

按照GJB242A-2018和GJB3727-1999的要求，結(jié)合渦軸發(fā)動機的特點制定吞鳥試驗程序圖譜，如圖3所示。

圖3 國軍標(biāo)要求的吞鳥試驗程序圖譜

2.2 試驗測量參數(shù)

以國軍標(biāo)對航空發(fā)動機吞鳥試驗的要求為基礎(chǔ)，同時參考國內(nèi)外航空發(fā)動機吞鳥試驗研究成果，確定發(fā)動機吞鳥試驗的主要測量參數(shù)及其精度，見表4。進行吞鳥試驗時，測量參數(shù)除接入穩(wěn)態(tài)數(shù)采系統(tǒng)外，還應(yīng)選取部分測點進行動態(tài)示波，以便發(fā)現(xiàn)吞鳥試驗過程中發(fā)動機可能出現(xiàn)的喘振、失速、振動超標(biāo)等異?，F(xiàn)象并及時實施應(yīng)對方案。

表4 吞鳥試驗主要測量參數(shù)及其精度

2.3 發(fā)動機性能錄取

發(fā)動機應(yīng)在鳥的殘骸清除前、后（清理殘骸并清洗發(fā)動機）分別進行性能錄取，并將結(jié)果進行對比分析。殘骸清除前應(yīng)停車檢查發(fā)動機進口流道及鳥的殘骸分布，并拍照記錄。若轉(zhuǎn)子葉片變形嚴(yán)重，經(jīng)結(jié)構(gòu)強度評估確認(rèn)安全后方可進行發(fā)動機性能的錄取。性能錄取狀態(tài)點與投放鳥時發(fā)動機的狀態(tài)點一致。

2.4 發(fā)動機的分解檢查

完成性能錄取后，應(yīng)及時分解檢測以確定鳥對發(fā)動機各零部件的損傷程度并進行記錄。檢測方法包括但不限于目視、磁力探傷、滲透檢查、X射線、超聲波。

2.5 吞鳥試驗流程

基于國軍標(biāo)的相關(guān)要求及國內(nèi)外航空發(fā)動機的吞鳥試驗研究成果，提出典型渦軸發(fā)動機的吞鳥試驗流程，如圖4所示。

3 整機吞鳥試驗

基于第2章中提出的試驗方案和流程，對某型渦軸發(fā)動機開展了整機吞鳥試驗以驗證試驗方案和試驗流程的合理性和可行性。

3.1 試驗用發(fā)動機

試驗用發(fā)動機為功率前輸出的渦軸發(fā)動機，由慣性式粒子分離器、壓氣機、燃燒室、燃?xì)鉁u輪和自由渦輪等組成，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 典型渦軸發(fā)動機吞鳥試驗流程

圖5 試驗用渦軸發(fā)動機結(jié)構(gòu)

3.2 鳥體參數(shù)以及試驗程序圖譜

為了掌握不同質(zhì)量和速度的鳥體對發(fā)動機造成的損傷以及對發(fā)動機運行狀況的影響規(guī)律，共進行了4次整機吞鳥試驗。根據(jù)試驗要求和該發(fā)動機的進口截面確定了4次試驗使用的鳥體數(shù)量、質(zhì)量和速度，見表5。

表5 吞鳥試驗中鳥體的主要參數(shù)

基于國軍標(biāo)的相關(guān)要求，制定了吞鳥試驗的程序圖譜，如圖6所示。試驗過程中，當(dāng)發(fā)動機在中間功率狀態(tài)穩(wěn)定工作3 min后投射鳥體并繼續(xù)保持發(fā)動機在該狀態(tài)運轉(zhuǎn)5 min，同時記錄發(fā)動機運行的相關(guān)參數(shù)。

圖6 吞鳥試驗程序圖譜

3.3 試驗數(shù)據(jù)分析

選取動力渦輪進口溫度、測功器測量功率、燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速和動力渦輪轉(zhuǎn)速4個參數(shù)與其最大值的百分比、、、來考察某型渦軸發(fā)動機吞鳥前后運行狀態(tài)的變化情況。4次吞鳥試驗各參數(shù)的變化曲線如圖7所示，參數(shù)詳細(xì)變化情況與國軍標(biāo)要求的對比見表6。

圖7 試驗中發(fā)動機主要參數(shù)變化曲線

表6 4次吞鳥試驗發(fā)動機的主要參數(shù)變化與國軍標(biāo)要求的對比

分析圖7和表6可知，除第1次吞鳥試驗的吞鳥時間為1.2 s（吞鳥瞬間發(fā)動機功率降到最低值所用的時間），大于規(guī)定值（≤1 s）外，其余主要參數(shù)在吞鳥前后的變化均符合國軍標(biāo)的要求。

第1次吞鳥試驗發(fā)動機停車后檢查，發(fā)現(xiàn)2號鳥體（94.7 g）基本完整，卡滯在反旋葉片和清除流道進口之間，并未進入主流道，如圖8所示。這也是導(dǎo)致吞鳥時間達到1.2 s的主要原因。此外，由于1號鳥體未進入發(fā)動機內(nèi)部發(fā)生燃燒，所以升高并不明顯，僅升高了2.9%（圖7（a））。

經(jīng)分析，投射角度的偏差導(dǎo)致了1號鳥體的卡滯。隨后調(diào)整了鳥體的投射角度，適當(dāng)增大鳥的質(zhì)量進行第2次吞鳥試驗。試驗完成后停車檢查發(fā)現(xiàn)，2號鳥體（110.4 g）約1/3的鳥體殘骸卡滯在反旋葉片進口處，堵塞約2個主流通道，如圖9所示。

圖8 第1次吞鳥試驗中2號鳥體殘骸卡滯位置

圖9 第2次吞鳥試驗中2號鳥體殘骸卡滯位置

通過第1、2次試驗發(fā)現(xiàn)體型較大的鳥易卡滯在反旋葉片處，所以第3次試驗采用2只偏小的鳥體。2只偏小的鳥體全部進入發(fā)動機主流道，明顯升高，約升高4.4%（圖7（c））；試驗停車后檢查未見鳥體卡滯，但壓氣機第1級葉片受損變形明顯，變形區(qū)域約為18 mm×6 mm×6 mm，如圖10所示。說明體型較小的鳥體對本文所研究的渦軸發(fā)動機的危害性更大。

圖10 第3次吞鳥試驗中壓氣機第1級葉片葉尖卷曲變形

為了驗證鳥體速度對發(fā)動機的危害程度，將鳥體速度由之前的160 km/h提高至180 km/h進行第4次試驗。2只鳥體全部進入發(fā)動機主流道并在發(fā)動機內(nèi)部燃燒，使得升高約4.5%（圖7（d））；試驗停車后檢查未見鳥體卡滯，但壓氣機第1級葉片進氣邊靠葉尖處有7處明顯變形，最大變形區(qū)域約為3.0 mm×1.5 mm×0.5 mm，如圖11所示。說明速度較快的鳥體對發(fā)動機危害性更大。

圖11 第4次吞鳥試驗中壓氣機第1級葉片變形

3.4 試驗結(jié)果對比

完成每次吞鳥試驗后，在發(fā)動機中間功率狀態(tài)下，在清除鳥體殘骸的前后分別進行了性能錄取，具體結(jié)果見表7。在第4次吞鳥試驗后，為了更清楚地掌握鳥體進入發(fā)動機內(nèi)部的運動痕跡，未做清除鳥體殘骸后的性能錄取，直接將發(fā)動機分解進行檢查。

表7 吞鳥試驗后發(fā)動機性能錄取結(jié)果

從表7中可見，第1、2次吞鳥試驗均未造成壓氣機葉片的卷曲變形損傷，所以在清除鳥體殘骸前發(fā)動機的功率損失較小，在清除后功率基本無損失；第3、4次吞鳥試驗均造成壓氣機葉片的卷曲變形損傷，所以在清除鳥體殘骸前發(fā)動機的功率損失較大，但在清除鳥體殘骸后功率損失較小。

4 結(jié)論

（1）在吞鳥試驗過程中，發(fā)動機各參數(shù)均有明顯波動，波動持續(xù)時間約為4~6 s；

（2）對于典型的渦軸發(fā)動機，鳥體越小越容易進入發(fā)動機主流道而造成壓氣機葉片損傷；

（3）鳥體速度越大，造成的壓氣機葉片損傷越嚴(yán)重，對發(fā)動機的危害也越大；

（4）大鳥容易卡滯在反旋葉片和清除流道進口之間，對燃燒過程影響較小，升高約2.9%，發(fā)動機清理殘骸后功率幾乎無損失；吞小鳥導(dǎo)致升高約4.5%，清理殘骸前后發(fā)動機的功率損失約為0.6%，均大于吞大鳥的；

（5）在4次吞鳥試驗過程中，發(fā)動機均未熄火、停車以及發(fā)生喘振、失速、振動異常等現(xiàn)象，發(fā)動機各項參數(shù)變化均滿足國軍標(biāo)要求，發(fā)動機清除鳥體殘骸后其最大性能衰減0.6%，說明該發(fā)動機具有較好的抗鳥撞能力。

本文研究成果可為同類型或其它類型發(fā)動機的吞鳥試驗提供參考。