航空發(fā)動(dòng)機(jī)推力測(cè)量臺(tái)架動(dòng)架支撐方式研究

王潤(rùn)明，羅毅

(中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610500)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)推力測(cè)量臺(tái)架動(dòng)架支撐方式研究

王潤(rùn)明，羅毅

(中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610500)

為提高發(fā)動(dòng)機(jī)推力測(cè)量精度，從推力測(cè)量臺(tái)架設(shè)計(jì)和推力測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)角度出發(fā)，首先介紹了影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)推力測(cè)量精度的主要因素及推力測(cè)量臺(tái)架；然后分析了不同動(dòng)架支撐方式對(duì)臺(tái)架剛度系數(shù)的影響，及發(fā)動(dòng)機(jī)推力、動(dòng)架支撐方式和臺(tái)架剛度系數(shù)三者之間的內(nèi)在聯(lián)系，闡明了不同校準(zhǔn)方式對(duì)動(dòng)架支撐方式的決定性影響；最后總結(jié)了推力測(cè)量臺(tái)架設(shè)計(jì)應(yīng)遵守的優(yōu)選原則。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)；試車臺(tái)；推力測(cè)量臺(tái)架；動(dòng)架支撐方式；剛度系數(shù)

1 引言

推力是渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)最為重要的技術(shù)指標(biāo)。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)不同工作狀態(tài)或飛行狀態(tài)下的推力進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)設(shè)計(jì)、發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)與測(cè)試的重要內(nèi)容。為此，航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)及測(cè)試專家，對(duì)減小或消除影響推力測(cè)量誤差的各種因素進(jìn)行了大量研究[1～5]。

影響發(fā)動(dòng)機(jī)推力測(cè)量準(zhǔn)確性的因素很多，但主要有：試驗(yàn)艙或試驗(yàn)間的氣動(dòng)特性，臺(tái)架迎風(fēng)面積，臺(tái)架類型、結(jié)構(gòu)形式和臺(tái)架剛度系數(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)工藝和測(cè)量管線阻力，臺(tái)架校準(zhǔn)精度，推力測(cè)量系統(tǒng)本身的精度等。其中，試車臺(tái)臺(tái)架類型、具體結(jié)構(gòu)形式和臺(tái)架剛度系數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力測(cè)量的準(zhǔn)確性有著至關(guān)重要的影響。本文對(duì)推力測(cè)量臺(tái)架動(dòng)架的支撐方式進(jìn)行了深入研究。

2 推力測(cè)量臺(tái)架

渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)推力測(cè)量臺(tái)架是布置在試驗(yàn)艙或試驗(yàn)間中，用于固定發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)推力、空氣流量等參數(shù)測(cè)量的重要設(shè)備。推力測(cè)量臺(tái)架主要由動(dòng)架、定架、彈簧片、推力測(cè)量與校準(zhǔn)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)安裝架等組成(圖1)。

圖1 臺(tái)架校準(zhǔn)狀態(tài)Fig.1 Test bench calibration

在發(fā)動(dòng)機(jī)推力測(cè)量臺(tái)架設(shè)計(jì)方面，國(guó)內(nèi)沒(méi)有專著，有關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)和標(biāo)準(zhǔn)也不夠系統(tǒng)、全面。為便于理解，特作以下定義：

動(dòng)架支撐方式是指動(dòng)架通過(guò)彈簧片在定架上的安裝(支撐)形式。

臺(tái)架剛度系數(shù)指在發(fā)動(dòng)機(jī)軸線方向動(dòng)架發(fā)生單位位移時(shí)，全部彈簧片對(duì)動(dòng)架施加的阻力，N/mm。其不包含測(cè)量管線阻力，包含彈簧片和測(cè)量管線阻力在內(nèi)的臺(tái)架總剛度系數(shù)稱作臺(tái)架阻力系數(shù)[6]。

彈簧片剛度系數(shù)指在發(fā)動(dòng)機(jī)軸線方向動(dòng)架發(fā)生單位位移時(shí)單塊彈簧片對(duì)動(dòng)架施加的阻力，N/mm?？傮w而言，彈簧片剛度有縱向、橫向和側(cè)向之分，縱向和側(cè)向剛度主要在臺(tái)架強(qiáng)度計(jì)算時(shí)使用，橫向剛度主要在試車臺(tái)設(shè)計(jì)和靜態(tài)校準(zhǔn)時(shí)使用。本文彈簧片剛度系數(shù)指彈簧片橫向剛度系數(shù)。

在只測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)軸向推力的單分力測(cè)量試車臺(tái)上，都使用了板式彈簧片(圖2)。其總剛度與彈簧片的幾何尺寸和縱向作用力N密切相關(guān)。

圖2 彈簧片簡(jiǎn)圖Fig.2 Sketch of leaf spring

由彈簧片特性可知，彈簧片固有剛度k1為彈簧片幾何尺寸的函數(shù)，與材料彈性模量E成線性關(guān)系：

作用力附加剛度k2與N成線性關(guān)系，并與N的作用方向和彈簧片幾何尺寸相關(guān)：

彈簧片總剛度k為彈簧片固有剛度和作用力附加剛度之和：

式(1)～式(3)中：h代表彈簧片的幾何尺寸和幾何形狀(微觀不平度和不平行度等)。式(3)中，彈簧片受壓時(shí)N取正值，彈簧片受拉時(shí)N取負(fù)值。

在臺(tái)架設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分利用彈簧片的上述特性進(jìn)行平衡設(shè)計(jì)，在保證彈簧片具有足夠的縱向和側(cè)向剛度的前提下，力求橫向剛度系數(shù)最小。

3 動(dòng)架支撐方式對(duì)臺(tái)架剛度系數(shù)的影響

航空發(fā)動(dòng)機(jī)推力測(cè)量臺(tái)架有懸掛式臺(tái)架和支撐式臺(tái)架兩種[7]。露天臺(tái)中普遍使用懸掛式臺(tái)架，高空模擬試驗(yàn)艙中普遍使用支撐式臺(tái)架。動(dòng)架支撐方式是影響發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架推力測(cè)量精度的主要因素。

根據(jù)靜態(tài)(發(fā)動(dòng)機(jī)停車狀態(tài))時(shí)前后彈簧片受力的不同，可將動(dòng)架的支撐方式分為全掛式(四塊彈簧片均受拉力)、全支式(四塊彈簧片均受壓力)、前掛后支式(前面兩塊彈簧片受拉力，后面兩塊彈簧片受壓力)和前支后掛式(前面兩塊彈簧片受壓力，后面兩塊彈簧片受拉力)四種類型，如圖3所示。

圖3 動(dòng)架支撐方式Fig.3 Diverse supporting methods for movable stand

3.1 從靜態(tài)看動(dòng)架支撐方式的選取

假設(shè)彈簧片材料、幾何尺寸、前后彈簧片間距等其它條件不變。由前文可知：靜態(tài)時(shí)全支式臺(tái)架剛度系數(shù)最小，全掛式臺(tái)架剛度系數(shù)最大。因此，僅從靜態(tài)角度講，臺(tái)架設(shè)計(jì)應(yīng)首選全支式。

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)推力對(duì)動(dòng)架支撐方式的影響

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于工作狀態(tài)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)推力的作用結(jié)果，相當(dāng)于對(duì)臺(tái)架施加了一個(gè)翻轉(zhuǎn)力矩。該力矩在前彈簧片中轉(zhuǎn)化為附加壓力，在后彈簧片中轉(zhuǎn)化為附加拉力。因此，推力的作用將減小前面兩塊彈簧片的剛度系數(shù)，增加后兩塊彈簧片剛度系數(shù)。若前、后彈簧片的材料和幾何形狀完全一致(至目前為止，在實(shí)際應(yīng)用中，除存在微觀的幾何差別外，完全符合)，發(fā)動(dòng)機(jī)推力對(duì)臺(tái)架剛度系數(shù)的影響與動(dòng)架的支撐方式密切相關(guān)。

當(dāng)動(dòng)架支撐方式為全支式或全掛式時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)推力的有無(wú)及大小，并不改變臺(tái)架剛度系數(shù)。因?yàn)榉D(zhuǎn)力矩加在前彈簧片的壓力和加在后彈簧片的拉力大小相等、方向相反，四塊彈簧片的幾何形狀確定后，k1和作用力附加剛度項(xiàng)f2(h)均相等。所以忽略彈簧片剛度系數(shù)個(gè)體差異后，臺(tái)架剛度系數(shù)為：

式中：ΔN為翻轉(zhuǎn)力矩加在彈簧片的力，Nq、Nh分別為靜態(tài)時(shí)單塊前彈簧片和單塊后彈簧片受到的縱向作用力。這些力包括發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)架、發(fā)動(dòng)機(jī)安裝架和空氣流量管等重力作用的總和。顯然，臺(tái)架剛度系數(shù)與ΔN無(wú)關(guān)。

同理，當(dāng)動(dòng)架支撐方式為前支后掛式時(shí)，臺(tái)架剛度系數(shù)為：

當(dāng)動(dòng)架支撐方式為前掛后支式時(shí)，臺(tái)架剛度系數(shù)為：

因此，若只考慮發(fā)動(dòng)機(jī)推力的影響，為減小臺(tái)架剛度系數(shù)，動(dòng)架支撐方式應(yīng)首選前支后掛式。

3.3 從靜態(tài)校準(zhǔn)看動(dòng)架支撐方式的選取

圖1示出了在支撐式臺(tái)架上采用平行校準(zhǔn)方式的一種臺(tái)架布置方案。該方案中，動(dòng)架通過(guò)彈簧片與定架相連，航空發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝架固定在動(dòng)架上。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的推力F通過(guò)測(cè)力傳感器進(jìn)行測(cè)量。

當(dāng)臺(tái)架受發(fā)動(dòng)機(jī)推力作用后，動(dòng)架及發(fā)動(dòng)機(jī)在推力作用方向上有一位移(位移大小取決于測(cè)力傳感器和系統(tǒng)的剛性，一般在0.5 mm內(nèi))，從而導(dǎo)致彈簧片和工藝測(cè)量管線在該方向上對(duì)動(dòng)架施加反作用力。為消除或減小該作用力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力測(cè)量的影響，目前采取的措施主要有兩種，一是盡量減小彈簧片和工藝測(cè)量管線的阻力，二是在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)前用一標(biāo)準(zhǔn)力(圖1中校準(zhǔn)傳感器的讀數(shù))對(duì)推力測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)推力測(cè)量精度。發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)，加載裝置要與校準(zhǔn)傳感器脫開(kāi)。

靜態(tài)校準(zhǔn)方式主要有平行校準(zhǔn)和中心校準(zhǔn)兩種。平行校準(zhǔn)是指用于靜態(tài)校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)力與發(fā)動(dòng)機(jī)推力位于同一鉛垂面內(nèi)，且兩個(gè)力的作用線相互平行但有一定距離，推力測(cè)量傳感器的軸線往往與標(biāo)準(zhǔn)力同軸，見(jiàn)圖1。中心校準(zhǔn)是指靜態(tài)校準(zhǔn)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)力與發(fā)動(dòng)機(jī)軸線(推力)位于同一直線上。

從前文分析可知，當(dāng)動(dòng)架支撐方式為全支式或全掛式時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)力或發(fā)動(dòng)機(jī)推力的作用并不改變臺(tái)架剛度系數(shù)，即全支式或全掛式臺(tái)架適合任何一種靜態(tài)校準(zhǔn)方式。

當(dāng)動(dòng)架支撐方式為前支后掛式或前掛后支式時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)力或發(fā)動(dòng)機(jī)推力的作用，對(duì)臺(tái)架剛度系數(shù)影響顯著。若采用平行校準(zhǔn)，即使標(biāo)準(zhǔn)力與發(fā)動(dòng)機(jī)推力相等，由于標(biāo)準(zhǔn)力的作用位置與發(fā)動(dòng)機(jī)推力的作用位置存在差異，校準(zhǔn)時(shí)的臺(tái)架剛度系數(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的臺(tái)架剛度系數(shù)完全不同，因此校準(zhǔn)無(wú)意義。若采用中心校準(zhǔn)，由于標(biāo)準(zhǔn)力的作用位置與發(fā)動(dòng)機(jī)推力的作用位置完全相同，校準(zhǔn)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)力可完全模擬發(fā)動(dòng)機(jī)推力，因此適合各種動(dòng)架支撐方式。但從精細(xì)化設(shè)計(jì)角度考慮，當(dāng)采用中心校準(zhǔn)方式時(shí)，動(dòng)架支撐方式應(yīng)優(yōu)先選擇前支后掛式。

4 結(jié)論

(1)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)推力測(cè)量臺(tái)架中，聯(lián)接動(dòng)架與定架的彈簧片剛度系數(shù)，與彈簧片的幾何尺寸及縱向作用力密切相關(guān)。

(2)動(dòng)架支撐方式對(duì)臺(tái)架剛度系數(shù)有著本質(zhì)影響，為提高發(fā)動(dòng)機(jī)推力測(cè)量精度，臺(tái)架設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮。

(3)發(fā)動(dòng)機(jī)推力對(duì)全支式或全掛式臺(tái)架的剛度系數(shù)無(wú)影響，但對(duì)前支后掛式或前掛后支式臺(tái)架的剛度系數(shù)影響巨大。

(4)靜態(tài)校準(zhǔn)方式對(duì)動(dòng)架支撐方式的選擇具有決定性作用。采用平行校準(zhǔn)時(shí)，動(dòng)架支撐方式必須選擇全掛式或全支式；采用中心校準(zhǔn)時(shí)，動(dòng)架支撐方式不受限制。

(5)從精細(xì)化設(shè)計(jì)角度考慮，采用平行校準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇全支式；采用中心校準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇前支后掛式。

(6)無(wú)論采用何種動(dòng)架支撐方式或如何設(shè)計(jì)臺(tái)架，臺(tái)架剛度系數(shù)的大小都是檢驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)好壞的重要指標(biāo)，航空發(fā)達(dá)國(guó)家在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中都明確規(guī)定了最高限制。

[1]楊志軍，陳建民.高空臺(tái)推力測(cè)量的標(biāo)定及發(fā)動(dòng)機(jī)飛行推力的確定[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，1995，8(2)：26— 30.

[2]朱青，徐建陽(yáng).CS-01高空臺(tái)推力測(cè)量和校準(zhǔn)裝置研制[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2002，15(3)：38—42.

[3]楊生發(fā)，樊丁，李元業(yè).發(fā)動(dòng)機(jī)推力測(cè)量新型校準(zhǔn)裝置研制[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，15(3)：338—342.

[4]焦獻(xiàn)瑞.航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)架推力測(cè)量誤差[J].航空技測(cè)技術(shù)，1995，15(2)：20—22.

[5]黃知濤，胡正峰，郭偉民.W2P1微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車臺(tái)推力測(cè)量系統(tǒng)[J].測(cè)控技術(shù)，1999，18(9)：40—41.

[6]HB6882-1993，渦噴渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)架推力測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)[S].

[7]陳益林.航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車工藝[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

Supporting Methods for Movable Stand of Aero-Engine Thrust Measurement Test Bench

WANG Run-ming，LUO Yi
(China Gas Turbine Establishment，Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Aero-Engine Altitude Simulation，Chengdu 610500，China)

To improve the thrust measurement accuracy,based on the design and calibration of thrust mea?surement test bench,major factors that affect the thrust measurement accuracy for aero engine and thrust measurement rig were introduced firstly,then the impact of different movable stand support on rig rigidity coefficient was analyzed,and the relationship between engine thrust,support of movable stand and rigidity coefficient of test bench was discussed.In addition,the influence of test bench rigidity coefficient by vari?ous supporting method were clarified.In the end,an optimal design principle for thrust measurement test bench was summarized based on these analyses.

aero-engine；test rig；thrust measurement test bench；supporting method for movable stand；rigidity coefficient

V211.73

A

1672-2620(2013)01-0009-03

2012-08-07；

2013-01-18

王潤(rùn)明(1962-)，男，四川蓬安人，研究員，碩士，主要從事試驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)。