渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)逼喘試驗(yàn)測(cè)試方案

■ 高倩 吳軍 趙偉光 / 中國(guó)航發(fā)動(dòng)研所

發(fā)動(dòng)機(jī)喘振是指氣流沿壓縮系統(tǒng)軸線方向發(fā)生的低頻率、高振幅振蕩的不穩(wěn)定工作狀態(tài)，會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)失控、推力突然下降、進(jìn)氣道和發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械損壞、熄火停車等，嚴(yán)重危及飛行安全。在研制過程中，須通過分析或試驗(yàn)方法確定發(fā)動(dòng)機(jī)喘振裕度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的風(fēng)險(xiǎn)并加以改進(jìn)。

發(fā)動(dòng)機(jī)逼喘試驗(yàn)一般有外部擾動(dòng)法和內(nèi)部擾動(dòng)法兩種。

外部擾動(dòng)法主要包括：一是采用發(fā)射模擬導(dǎo)彈或氫燃燒器造成發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口溫度畸變，使發(fā)動(dòng)機(jī)喘振；二是在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口處安裝模擬網(wǎng)、模擬板、擾流板、唇口裝置、旋流發(fā)生器等試驗(yàn)裝置，使發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口產(chǎn)生壓力畸變，進(jìn)而使發(fā)動(dòng)機(jī)喘振。使發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口產(chǎn)生溫度畸變和壓力畸變均需要配置專用的試驗(yàn)裝置，也需要對(duì)試車臺(tái)進(jìn)行適應(yīng)性改造，這種方法成本較高、周期較長(zhǎng)。

內(nèi)部擾動(dòng)法包括以燃燒室燃油階躍、改變發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部幾何形狀（如改變噴口面積、葉片導(dǎo)向器角度等）、從飛機(jī)引氣口接入高壓氣源等方案致使發(fā)動(dòng)機(jī)喘振。燃燒室燃油階躍法主要是在短時(shí)間內(nèi)向燃燒室瞬間噴入較大流量的額外燃油，使得供油量遠(yuǎn)大于發(fā)動(dòng)機(jī)維持當(dāng)前狀態(tài)所需的燃油流量，導(dǎo)致燃燒室中嚴(yán)重富油，高壓燃?xì)庠谌紵矣俜e堵塞了來流，從而引起發(fā)動(dòng)機(jī)喘振。

根據(jù)渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特征，借鑒渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)逼喘試驗(yàn)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，可采取從飛機(jī)引氣口接入高壓氣源的方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行逼喘試驗(yàn)。

逼喘試驗(yàn)測(cè)試方案

渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)逼喘試驗(yàn)裝置框圖如圖1所示。高壓氣罐組的高壓氣瓶充氣壓力最高可達(dá)13MPa，高壓氣罐組的高壓氣匯入集氣管后，經(jīng)過減壓閥進(jìn)行減壓，再經(jīng)過電動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，最后灌入發(fā)動(dòng)機(jī)p3引氣口，高壓氣流入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部后，會(huì)造成流路堵塞，壓氣機(jī)流量下降，進(jìn)而出現(xiàn)喘振。

圖1 渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)逼喘試驗(yàn)裝置

逼喘試驗(yàn)中，除了需要對(duì)常規(guī)的發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)、安全監(jiān)控參數(shù)進(jìn)行測(cè)量外，還需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)各截面的壓力參數(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生喘振時(shí)，會(huì)造成氣流擺動(dòng)，氣路堵塞，流道內(nèi)壓力脈動(dòng)，出口溫度急升和氣流倒流等現(xiàn)象。為了能夠及時(shí)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)是否發(fā)生喘振現(xiàn)象，需采用動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)低壓壓氣機(jī)和高壓壓氣機(jī)進(jìn)出口的壓力及溫度等參數(shù)變化情況。此外，還需要測(cè)量逼喘試驗(yàn)裝置管路上的壓力參數(shù)。

發(fā)動(dòng)機(jī)逼喘試驗(yàn)時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)低壓壓氣機(jī)進(jìn)口截面、高壓壓氣機(jī)進(jìn)口截面和高壓壓氣機(jī)出口截面，以及逼喘試驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布局，如圖2所示。

圖2 逼喘試驗(yàn)設(shè)備上測(cè)點(diǎn)布局

測(cè)試系統(tǒng)及設(shè)備選型

發(fā)動(dòng)機(jī)軸功率試車臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)主要由穩(wěn)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)組成，可以進(jìn)行氣壓、液壓、流量、溫度、轉(zhuǎn)速、扭矩、功率、振動(dòng)等各類參數(shù)的測(cè)量。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)總體測(cè)量參數(shù)、振動(dòng)測(cè)量參數(shù)、滑油系統(tǒng)測(cè)量參數(shù)、燃油與控制系統(tǒng)測(cè)量參數(shù)等，均采用原有的測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。

對(duì)于逼喘試驗(yàn)，原動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)的采集通道有限，需要進(jìn)行擴(kuò)展設(shè)計(jì)。動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)主要由高頻響壓阻傳感器、測(cè)試線纜和多通道動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)記錄儀組成。為了能夠?qū)崟r(shí)采集快速變化的壓力脈動(dòng)，試驗(yàn)時(shí)選擇的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)記錄儀為德維創(chuàng)（Dewetron）公司的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)記錄儀，所有通道數(shù)據(jù)完全同步采集并實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，并可以根據(jù)試驗(yàn)要求設(shè)置采樣率。由于喘振在壓氣機(jī)各部位發(fā)生的先后時(shí)差極小，因此需要采用高頻響的動(dòng)態(tài)壓力傳感器進(jìn)行測(cè)量，以獲得更高的延時(shí)分辨率。為減小管腔效應(yīng)，在安裝傳感器時(shí)，使各個(gè)測(cè)點(diǎn)的引壓管路盡可能短，同時(shí)為使各截面各測(cè)點(diǎn)之間動(dòng)態(tài)壓力數(shù)據(jù)具有可比性，應(yīng)使引壓管路盡可能一樣長(zhǎng)，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確判斷發(fā)動(dòng)機(jī)各部位喘振發(fā)生的先后順序。

試車臺(tái)配置的逼喘試驗(yàn)設(shè)備主要包含高壓氣罐組、集氣管、壓力測(cè)量段、減壓閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、電磁閥和管路等。該套逼喘試驗(yàn)設(shè)備主要是為渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)提供高壓氣源，因此需要實(shí)時(shí)測(cè)量高壓氣罐組出口的壓力（減壓閥前的壓力）和灌入發(fā)動(dòng)機(jī)p3引氣口的壓力（電磁閥后的壓力）。高壓氣罐組的高壓氣瓶實(shí)際充氣壓力為13MPa，因此減壓閥前的壓力最高可達(dá)13 MPa。經(jīng)過減壓閥減壓后，再經(jīng)過電動(dòng)閥調(diào)節(jié)后最后灌入發(fā)動(dòng)機(jī)p3引氣口的壓力不超過2 MPa?？紤]到這兩處壓力較大，而且對(duì)壓力測(cè)量精度要求不高，因此采用壓力變送器進(jìn)行測(cè)量，壓力變送器的測(cè)量精度是±0.25%。

測(cè)試探針設(shè)計(jì)及安全性評(píng)估

由于發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓壓氣機(jī)進(jìn)口和高壓壓氣機(jī)進(jìn)口均沒有靜壓測(cè)點(diǎn)，為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)喘振變化情況，從低壓壓氣機(jī)進(jìn)口五點(diǎn)梳狀總壓探針的5個(gè)總壓測(cè)點(diǎn)中選取3個(gè)測(cè)點(diǎn)接入動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)；從高壓壓氣機(jī)進(jìn)口兩支四點(diǎn)梳狀總壓探針的4個(gè)測(cè)點(diǎn)中各取2個(gè)測(cè)點(diǎn)接入動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)。

為了評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)的喘振裕度，需要了解發(fā)動(dòng)機(jī)喘振時(shí)低壓壓氣機(jī)和高壓壓氣機(jī)的壓比和流量，因此，需要對(duì)低壓壓氣機(jī)進(jìn)口、高壓壓氣機(jī)進(jìn)口和高壓壓氣機(jī)出口的總壓和總溫進(jìn)行測(cè)量?？倝汉涂倻鼐柰ㄟ^測(cè)試探針進(jìn)行測(cè)量，高壓壓氣機(jī)進(jìn)口和出口總壓探針如圖3所示。

圖3 高壓壓氣機(jī)進(jìn)口總壓探針（左）和出口總壓探針（右）

在逼喘試驗(yàn)期間，考慮到喘振發(fā)生的瞬間，氣動(dòng)力會(huì)突然增大數(shù)倍，同時(shí)會(huì)伴有非常強(qiáng)烈的機(jī)械振動(dòng)；為了防止測(cè)試探針在喘振期間出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，各級(jí)測(cè)試探針均采取支桿加內(nèi)嵌整流罩的結(jié)構(gòu)，同時(shí)支桿與整流罩采用一體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。此外，在對(duì)每個(gè)測(cè)試截面的測(cè)試探針開展強(qiáng)度校核時(shí)，對(duì)各截面的總壓和總溫都進(jìn)行了適當(dāng)?shù)奶岣?，使測(cè)試探針的強(qiáng)度校核條件更加苛刻。經(jīng)過強(qiáng)度校核，各截面的測(cè)試探針均滿足使用要求。

為了進(jìn)一步保證測(cè)試探針的安全性，對(duì)每一種測(cè)試探針多加工了一支用于動(dòng)強(qiáng)度破壞試驗(yàn)，并對(duì)測(cè)試探針分別進(jìn)行了耐久振動(dòng)試驗(yàn)，每個(gè)方向分別振動(dòng)3h。振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)測(cè)試探針進(jìn)行無損檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)裂紋，表明測(cè)試探針通過了振動(dòng)試驗(yàn)考核。綜上所述，測(cè)試探針的安全性能夠滿足逼喘試驗(yàn)的要求。

逼喘試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果及分析

發(fā)動(dòng)機(jī)在軸功率試車臺(tái)分多次開展了不同工作狀態(tài)下的逼喘試驗(yàn)，各次試驗(yàn)均出現(xiàn)了明顯的喘振放炮聲。最大巡航狀態(tài)下，試車臺(tái)逼喘試驗(yàn)設(shè)備提供的高壓氣成功灌入發(fā)動(dòng)機(jī)p3引氣口，幾秒鐘后，動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)顯示pt2、pt25、ps3等參數(shù)均出現(xiàn)異常波動(dòng)，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)伴有放炮聲，表明發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)了喘振。

從逼喘試驗(yàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)和曲線（如圖4、圖5所示）可以得到以下結(jié)論：發(fā)動(dòng)機(jī)喘振持續(xù)時(shí)間0.29s時(shí)，振幅最高約1200kPa；發(fā)動(dòng)機(jī)喘振時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口靜壓、低壓壓氣機(jī)進(jìn)口總壓、高壓壓氣機(jī)進(jìn)口總壓和出口靜壓均出現(xiàn)了大幅的壓力脈動(dòng)，高壓壓氣機(jī)出口總壓及靜壓突降，高壓壓氣機(jī)進(jìn)口總壓先突升，然后下降；發(fā)動(dòng)機(jī)喘振時(shí)刻，高壓壓比出現(xiàn)了明顯降低，低壓壓比先降低后升高，之后再降低；喘振持續(xù)時(shí)間0.122s時(shí)，ps3出現(xiàn)維持2個(gè)峰值的小幅高頻變化，這主要是由于放氣閥開度改變引起的變化，2個(gè)峰值后ps3開始恢復(fù)，這主要是由于試車臺(tái)關(guān)閉高壓氣源，發(fā)動(dòng)機(jī)開始恢復(fù)；T3溫度響應(yīng)較ps3響應(yīng)滯后約0.01s，接入高壓氣后T3溫度從穩(wěn)態(tài)時(shí)的450℃降至425℃后又上升至438℃；逼喘期間，發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)量級(jí)與逼喘試驗(yàn)前相當(dāng)，未發(fā)生明顯變化。

圖4 逼喘試驗(yàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量參數(shù)曲線

圖5 逼喘期間動(dòng)態(tài)參數(shù)壓比變化

結(jié)束語

渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)逼喘試驗(yàn)為驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)的氣動(dòng)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)和后續(xù)的改進(jìn)改型提供了較好的技術(shù)保障，為發(fā)動(dòng)機(jī)的氣動(dòng)穩(wěn)定性研究工作提供了有力的測(cè)試技術(shù)支持，對(duì)渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的氣動(dòng)穩(wěn)定性評(píng)估具有借鑒意義。