異形進(jìn)排氣裝置矢量力測量平臺研究與設(shè)計

李洪雷 唐 震 王宏偉 孫家超

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所，遼寧 沈陽 110015）

0 引言

某型號航空發(fā)動機(jī)主體部分采用全遮擋設(shè)計，配裝異形進(jìn)排氣裝置，可滿足飛機(jī)雷達(dá)隱身能力和相匹配的紅外隱身能力需求。由于國內(nèi)缺少進(jìn)排氣裝置相關(guān)設(shè)計與驗證經(jīng)驗，對匹配異形進(jìn)排氣裝置后發(fā)動機(jī)的性能和穩(wěn)定性能否滿足飛機(jī)裝機(jī)后使用要求，僅通過仿真計算和縮比模型試驗無法給出準(zhǔn)確結(jié)論。在科研階段后期，如果一旦出現(xiàn)設(shè)計反復(fù)將付出巨大代價，需要通過大量的進(jìn)、排氣系統(tǒng)與整機(jī)聯(lián)調(diào)試驗進(jìn)行驗證，為發(fā)動機(jī)、飛機(jī)的方案設(shè)計提供精準(zhǔn)輸入。因此，異形進(jìn)排氣裝置與發(fā)動機(jī)聯(lián)合調(diào)試十分必要，依靠傳統(tǒng)的進(jìn)氣畸變方式不能完全模擬配裝后的效果，需要建立特定的矢量力測量平臺。

進(jìn)行飛發(fā)匹配試驗時，異形進(jìn)、排氣裝置受X、Y、Z三個方向的氣動力。為準(zhǔn)確測量三個方向的推力和力矩，該文經(jīng)研究分析，決定采用矢量噴口發(fā)動機(jī)的測力方式建立矢量力測量平臺。考慮難易程度和建設(shè)成本，采用臥式臺架的結(jié)構(gòu)形式。因國內(nèi)目前的六分力矢量臺都為屋頂懸掛式結(jié)構(gòu)，該文借鑒學(xué)習(xí)了固體火箭發(fā)動機(jī)地面臺架的結(jié)構(gòu)形式[1]，設(shè)計出了新的異形進(jìn)排氣裝置矢量力測量平臺。

1 平臺功能、測量原理和關(guān)鍵要素

1.1 平臺主要功能

異形進(jìn)排氣裝置矢量力測量平臺的目的主要為滿足發(fā)動機(jī)整機(jī)試驗需求，承擔(dān)的主要任務(wù)包括：1）全尺寸異形進(jìn)氣系統(tǒng)特性試驗?？蔀檠芯坎煌Y(jié)構(gòu)形式的異形進(jìn)氣裝置提供試驗平臺，詳細(xì)分析系統(tǒng)氣動性能及內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)，研究總壓恢復(fù)系數(shù)、畸變系數(shù)、進(jìn)氣道流量等因素，為優(yōu)化異形進(jìn)氣裝置設(shè)計提供試驗數(shù)據(jù)支撐。2）異形進(jìn)排氣裝置與發(fā)動機(jī)聯(lián)合調(diào)試功能驗證性試驗，檢查二者間的匹配關(guān)系。3）研究異形進(jìn)排氣裝置對發(fā)動機(jī)性能影響，獲得發(fā)動機(jī)配裝異形進(jìn)排氣裝置后的性能數(shù)據(jù)，分析對發(fā)動機(jī)造成的推力損失及排氣溫度上升的變化曲線，評價發(fā)動機(jī)的安裝使用性能。4）進(jìn)行異形進(jìn)排氣裝置與發(fā)動機(jī)基準(zhǔn)性能試驗，獲得自然風(fēng)條件下的基準(zhǔn)性能數(shù)據(jù)，為室內(nèi)試車臺的氣動流場修正提供支持。

1.2 矢量推力測量原理

矢量推力的測量原理如下：利用剛體平衡原理，適當(dāng)布置若干約束，限制試驗產(chǎn)品的6個自由度（3個移動、3個轉(zhuǎn)動），使之處于靜平衡狀態(tài)，各力在X、Y、Z軸上的投影代數(shù)和及各力對三個坐標(biāo)軸力矩的代數(shù)和都等于零[2]，如公式（1）～公式（3）所示。

根據(jù)以上剛體平衡原理公式，矢量試驗平臺上的進(jìn)排氣系統(tǒng)產(chǎn)生的各方向推力必然與試驗平臺的約束力系相平衡。只要把約束力系安排在適當(dāng)位置，準(zhǔn)確測出它們的大小、方向隨時間的變化，就可以用這些約束力來求得推力向量隨試驗狀態(tài)的變化規(guī)律。原理如圖1所示。

圖1 矢量力測量原理圖

以進(jìn)氣系統(tǒng)為例，對異形進(jìn)氣裝置測量平臺建立坐標(biāo)系，設(shè)定異形進(jìn)氣裝置重心截面與其中心軸線的交點為原點，初始質(zhì)量為W0，作用點為（XW0、YW0、ZW0），現(xiàn)假設(shè)初始重心坐標(biāo)XW0=YW0=0，選擇中心軸線作為坐標(biāo)系Z軸，根據(jù)右手法則確定X和Y軸，Z軸豎直向上。在測量平臺坐標(biāo)系相互垂直的三個面內(nèi)共布置7個測力傳感器（傳感器受拉為正，受壓為負(fù)）。所有傳感器與固定框架之間均為剛性連接。異形進(jìn)氣裝置和動架構(gòu)成的系統(tǒng)在推力測量時受到7個力的作用，并且達(dá)到了力學(xué)平衡[3]。

1.3 平臺測量關(guān)鍵要素

矢量推力測量的準(zhǔn)確度主要包括但不限于以下幾個要素：1）測量組件設(shè)計合理。測量組件的作用是給異形進(jìn)排氣裝置測量平臺提供約束，限制動架的6個自由度，使其處于靜定平衡狀態(tài)。因此選擇合適的測量組件是推力測量的基礎(chǔ)。2）平臺動定架有足夠的剛度。只有動定架的剛度在受力后的變形量在允許范圍值之內(nèi)，才能保證各分力之間的關(guān)系基本不變，測量原理才有意義。3）測量組件間的互擾問題。測量組件與動架之間的連接方式是剛性連接，受力后會產(chǎn)生微小變形，這會引起各測力組件之間的互擾，而這些互擾會產(chǎn)生額外的力和力矩，影響推力測量的準(zhǔn)確性。4）選擇正確、合適的校準(zhǔn)方法。選擇校準(zhǔn)方法是推力測量準(zhǔn)確度保證的關(guān)鍵因素，目前有兩種主要的校準(zhǔn)方式，原位加載校準(zhǔn)和中心加載校準(zhǔn)[4]。

2 矢量力測量平臺方案設(shè)計

2.1 總體方案設(shè)計

進(jìn)氣裝置、發(fā)動機(jī)、排氣裝置獨立安裝，分別在試驗臺前、后方地面各設(shè)置一套支架和測力系統(tǒng)。平臺為可移動式，其上設(shè)置測力系統(tǒng)，用于測量進(jìn)排氣裝置的矢量力。進(jìn)排氣裝置與試驗件連接采用柔性連接，不會對試驗件受力產(chǎn)生影響。該安裝方案和傳統(tǒng)集成安裝方式相比，具有如下優(yōu)勢：1）結(jié)構(gòu)形式實現(xiàn)相對容易，不受制于異形進(jìn)排氣裝置的質(zhì)量、重心、長度尺寸等限制。2）可分別獲得異形進(jìn)排氣裝置的各方向力的大小。3）試驗時可在試車廠房內(nèi)分別將異形進(jìn)排氣裝置安裝于安裝平臺，由牽引車運(yùn)輸至臺架后，采用吊車進(jìn)行與發(fā)動機(jī)的配裝工作，可大大縮短試驗的準(zhǔn)備周期。4）異形進(jìn)排氣裝置與發(fā)動機(jī)之間連接方式為軟連接，中間無力進(jìn)行傳遞，獲得的各部分力值可通過傳統(tǒng)的力學(xué)方法進(jìn)行安裝推力的評估計算。設(shè)備安裝如圖2所示[5]。

圖2 總體設(shè)計方案圖

2.2 進(jìn)排氣裝置測力平臺方案設(shè)計

進(jìn)排氣裝置測力平臺主要結(jié)構(gòu)除滿足強(qiáng)度要求外，還有足夠的剛度，可以減少推力測量附加誤差。主體結(jié)構(gòu)沒有對進(jìn)氣裝置進(jìn)氣流場造成擾流和流場畸變。測力平臺由定架、動架、推力測量裝置、限位裝置、推力校準(zhǔn)裝置及靜重平衡裝置組成。各部分構(gòu)件如圖3所示。

圖3 進(jìn)排氣裝置測力平臺方案圖

定架：定架是主要的承力部件，下部與進(jìn)氣裝置系統(tǒng)安裝平臺通過螺栓相連，上部與動架通過推力測量裝置、限位裝置連接，定架與進(jìn)氣裝置系統(tǒng)安裝平臺相連。

動架：動架是用來傳遞推力的主要部件，用推力測量裝置、限位裝置與其下部的定架相連接，其中排氣系統(tǒng)所受垂向力最大。對排氣系統(tǒng)測力平臺動架施加80kN（排氣裝置重50kN，進(jìn)氣支架重25kN，俯仰力5kN）的垂向力。通過有限元仿真分析，最大應(yīng)力41.6MPa，安全系數(shù)8.29（大于1.5），最大變形0.153mm，如圖4所示。

由圖4可看出，動架垂向最大應(yīng)力41.6MPa，遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力345MPa，滿足剛性的設(shè)計要求。進(jìn)排氣裝置測力平臺其余方向推力均小于垂向推力，仿真結(jié)果在此不再一一列出。

圖4 排氣系統(tǒng)動架垂向受力的應(yīng)力云圖

推力測量裝置：推力測量裝置由撓性件和推力秤組成的，用于測量試驗件推力的組合結(jié)構(gòu)。動架與定架間安裝推力測量裝置，采用“2航-2側(cè)-3垂”的七點測力布局，該方式在現(xiàn)有“2航-1側(cè)-3垂”的測量方式基礎(chǔ)上增加了一個偏航力測量，使校準(zhǔn)和測量結(jié)果更準(zhǔn)確，測量裝置采用成熟可靠的雙撓性件結(jié)構(gòu)。為保證推力校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性與便利性，在每個測力組件位置附近布置校準(zhǔn)接口與校準(zhǔn)裝置。

限位裝置：限位裝置安裝于定架和動架之間，在測量組件失效時，可以保證動定架不脫離和安裝平臺整體結(jié)構(gòu)的完整性。限位裝置共6組，具有螺旋升降功能，在軸向拉壓雙向和徑向上均可保護(hù)柔性測力組件。

推力校準(zhǔn)裝置：加載（校準(zhǔn)）裝置是用于對推力測量系統(tǒng)施加標(biāo)準(zhǔn)力，對臺架的測力系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)標(biāo)定的一套組合裝置。加載（校準(zhǔn)）裝置共5組，由電機(jī)、減速機(jī)、機(jī)械加載裝置、標(biāo)準(zhǔn)傳感器等組成。

靜重平衡裝置：在測力系統(tǒng)中，為精確測量微小的推力變化，增加了對稱布置的4套靜重平衡裝置（如圖2所示）。平衡裝置為可移動式結(jié)構(gòu)，測力時支腿下部與地面基礎(chǔ)通過螺栓固定。上部裝有定滑輪，柔性鋼絲繩置于滑輪凹槽中，一端與動架上的傳感器相連，另一端與靜重平衡裝置可改變鋼絲繩伸縮量的調(diào)整機(jī)構(gòu)連接。平衡力通過拉力傳感器測定，保證4個靜重平衡裝置的平衡力對稱。該靜重平衡裝置可以平衡進(jìn)排氣裝置、進(jìn)排氣裝置支架、動架等的靜重，提高3組垂向推力測力組件的測量靈敏度。垂向測力組件靜態(tài)歸零后，根據(jù)測量前后的差值實現(xiàn)對垂向力（尤其是400N以下的小力值）的準(zhǔn)確測量。

2.3 進(jìn)排氣裝置測力平臺校準(zhǔn)方案

目前矢量力測量平臺常用的校準(zhǔn)方案有兩種，分別是原位加載校準(zhǔn)方式和中心加載校準(zhǔn)方式。其中原位加載方式是在發(fā)動機(jī)測力組件的同一中心線施加標(biāo)準(zhǔn)力。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)較為簡單，但其僅對測力組件進(jìn)行了標(biāo)定，未考慮測量系統(tǒng)整體剛度、互擾等因素的影響，推力測量誤差較大。中心加載方式模擬進(jìn)排氣系統(tǒng)工作時產(chǎn)生的推力，進(jìn)而對測力系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定和校核。其優(yōu)點是能真實模擬進(jìn)排氣系統(tǒng)工作狀態(tài)，推力測量數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確。該測量平臺是用中心加載的校準(zhǔn)方式對其進(jìn)行校準(zhǔn)標(biāo)定的。

3 矢量力測量不確定度分析

由于有測力組件互擾、動架和柔性件安裝、動架剛度等因素影響，因此測力平臺會存在測量不確定度。其中，航向的測量不確定度要求是≯±0.5%，垂向、側(cè)向的測量不確定度要求是≯±2%。

測力組件平動、轉(zhuǎn)動造成的不確定度計算公式如公式（4）～公式（5）所示。

式中：i、j=x、y、z；Lj為j向測力組件長度。

△Fj=（2LijKi）-1KjLjFi2（轉(zhuǎn)動） （5）

式中：i、j=x、y、z；Lj為j向測力組件長度；Lij為j向測力組件長度i、j傳感器在垂直i向的距離。

動架、柔性件平移、偏斜安裝造成的不確定度計算如公式（6）～公式（7）所示。

式中：dxPi為動架、柔性件航向可移動偏差；dyPi為動架、柔性件側(cè)向可移動偏差。

式中：dxPi為動架、柔性件航向可偏斜偏差；dyPi為動架、柔性件側(cè)向可偏斜偏差[6]。

制造和安裝時需要控制安裝精度，一般δH≤0.15mm、dθ≤0.1o，工作時，動架、定架變形產(chǎn)生的偏斜角小于dθ約1個數(shù)量級。經(jīng)計算，進(jìn)氣裝置測力平臺航向、側(cè)向、垂向推力靜態(tài)標(biāo)定不確定度分別為0.339%、0.491%、0.310%，排氣裝置測力平臺航向、側(cè)向、垂向推力靜態(tài)標(biāo)定不確定度分別為0.339%、0.525%、0.324%，均滿足推力測量不確定度的設(shè)計要求。

4 結(jié)語

該文系統(tǒng)闡述了異形進(jìn)排氣裝置矢量力平臺的測量原理和設(shè)計方案，并對平臺的推力測量不確定度進(jìn)行了系統(tǒng)的計算和評估。該平臺具有操作性好、可靠性高、安裝拆卸等優(yōu)點。目前，國內(nèi)某型號航空發(fā)動機(jī)已經(jīng)借助該平臺進(jìn)行了進(jìn)發(fā)排聯(lián)合試驗，試驗效果良好。后續(xù)隨著技術(shù)成熟度的提高，將進(jìn)一步提高平臺推力測量的準(zhǔn)確度，滿足更多型號飛機(jī)、發(fā)動機(jī)的匹配試驗需求。