渦扇發(fā)動機(jī)氣動穩(wěn)定性適航驗證方法研究

齊曉雪 丁寧 康凱

摘要：根據(jù)航空發(fā)動機(jī)適航條款中對發(fā)動機(jī)氣動穩(wěn)定性的要求，深入分析了國外大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)適航符合性方法，對國內(nèi)現(xiàn)有的設(shè)計和驗證方法進(jìn)行了評估，梳理出大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)適航所需的流程和方法，為后續(xù)發(fā)動機(jī)研發(fā)和適航審定驗證奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：適航；喘振與失速；氣動穩(wěn)定性；畸變試驗

引言

適航性是航空器在預(yù)定的運(yùn)行環(huán)境和使用限制條件下，能滿足最低安全標(biāo)準(zhǔn)并能順利飛行所必需具備的品質(zhì)[1]，是民用發(fā)動機(jī)投入航線使用的最低要求。

氣動穩(wěn)定性是發(fā)動機(jī)重要的特性之一，危害性的喘振和失速可能導(dǎo)致發(fā)動機(jī)失去動力，甚至機(jī)毀人亡 [2]。因此，是適航審定的一項重要內(nèi)容，在美國民用航空規(guī)章第33部“航空發(fā)動機(jī)”第65條款“喘振與失速特性”（FAR33.65）規(guī)定了相關(guān)的要求。

本文分析了喘振與失速條款的意義和內(nèi)涵，為后續(xù)渦扇發(fā)動機(jī)開展喘振與失速適航性驗證奠定了基礎(chǔ)。

1 符合性驗證方法通用要求

發(fā)動機(jī)喘振與失速合格審定試驗開始之前，發(fā)動機(jī)制造廠應(yīng)向FAA提交一份概括符合條例方法的方案[1]。應(yīng)說明發(fā)動機(jī)形態(tài)、工作要求、部件和發(fā)動機(jī)試驗設(shè)備、試驗程序和分析結(jié)果，表明發(fā)動機(jī)起動能力和瞬態(tài)響應(yīng)。

對于如何滿足適航條款的要求，不同發(fā)動機(jī)公司有各自的工程經(jīng)驗，所以符合性方法不盡相同。常用的符合性驗證方法可根據(jù)實施的符合性工作的形式分為四大類：工程評審、試驗、檢查、設(shè)備鑒定，并形成了適航部門認(rèn)可的十種符合性驗證方法。

2 喘振與失速試驗驗證要求

針對喘振與失速的要求，開展的試驗驗證主要包括以下的內(nèi)容：

（1）部件試驗

證明部件達(dá)到總體要求的壓縮部件穩(wěn)定裕度試驗。

（2）整機(jī)臺架試驗

過渡態(tài)試驗（含遭遇加減速）；飛機(jī)引氣和功率提取極限試驗；進(jìn)氣畸變試驗；側(cè)風(fēng)試驗；外物吞入試驗。

（3）飛行試驗/高空試驗

a）飛行試驗和高空試驗要充分包含全飛行包線的極限。

b）如果不能通過常規(guī)試驗產(chǎn)生喘振，考慮專項試驗產(chǎn)生喘振來證明發(fā)動機(jī)本身的恢復(fù)以及不會產(chǎn)生不可接受的機(jī)械損壞。

c）通過試驗和分析所確定的在發(fā)動機(jī)整個包線上的工作特性，需用數(shù)學(xué)模型或其他方法進(jìn)行定量分析。

d）在試驗條件不能進(jìn)行某些期望條件下的試驗時，應(yīng)通過分析來評價預(yù)估飛行環(huán)境下的發(fā)動機(jī)工作特性。

3 國外適航符合性驗證情況

為了驗證發(fā)動機(jī)的喘振和失速特性，在適航符合性驗證時一般需要開展整機(jī)進(jìn)口畸變試驗、高空臺試驗及側(cè)風(fēng)試驗等能夠證明發(fā)動機(jī)氣動穩(wěn)定裕度[2-4]。對于系列發(fā)展的發(fā)動機(jī)，可以通過程序進(jìn)行驗證，但必須要說明該程序的計算精度能夠表征發(fā)動機(jī)的實際情況。圖1為GE公司從1960年開始典型型號的發(fā)動機(jī)適航取證的情況。

針對33.65條款，各家公司開展了相關(guān)分析和試驗驗證。PW4000發(fā)動機(jī)開展了空中和地面不同馬赫數(shù)條件下的進(jìn)氣畸變試驗，分析高度、馬赫數(shù)、環(huán)境溫度等對各個壓縮部件的影響程度 [5][6]。

CF6-80E1發(fā)動機(jī)對壓縮部件分別開展了試驗驗證，同時根據(jù)飛機(jī)的飛行包線中的典型和極限狀態(tài)畸變，進(jìn)行了整機(jī)畸變試驗；另外還開展了穩(wěn)定性試飛驗證。配裝ARJ21飛機(jī)的CF34-10發(fā)動機(jī)[7]，也開展了首次在自然風(fēng)條件下由FAA和中國適航當(dāng)局目擊的大涵道比民用發(fā)動機(jī)地面?zhèn)蕊L(fēng)試驗。

4 國內(nèi)民用發(fā)動機(jī)適航符合性驗證情況

中國民用航空規(guī)章《航空發(fā)動機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》（CCAR-33）自1988年2月9日發(fā)布施行以來，雖然已用于國產(chǎn)運(yùn)七、運(yùn)八、直九和直十一等航空器所裝WJ5E、WJ5AI、WJ6、WJ9、WZ8D和WZ8A等型發(fā)動機(jī)的型號合格審定。主要是在渦槳和渦軸發(fā)動機(jī)方面。

與國外相比，我國的軍、民用渦扇發(fā)動機(jī)研制起步晚，適航符合性驗證能力也剛剛建立，亟待完善，還沒有達(dá)到一個航空發(fā)動機(jī)強(qiáng)國的水平，缺少一套系統(tǒng)、全面的管理體系和驗證方法。因此，需要根據(jù)國內(nèi)航空發(fā)動機(jī)研發(fā)與適航管理的情況，開展適航管理和驗證方法研究，形成一系列符合國內(nèi)航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)業(yè)相適應(yīng)的審定方法，逐步構(gòu)建完整的軍、民用發(fā)動機(jī)適航管理體系和驗證方法。

5 結(jié)論

通過收集和分析國內(nèi)外渦扇發(fā)動機(jī)適航審定驗證試驗，總結(jié)出渦扇發(fā)動機(jī)喘振與失速適航審定應(yīng)開展的試驗，為后續(xù)發(fā)動機(jī)開展適航驗證提供依據(jù)。

國外通過幾十年的研究，已經(jīng)建立了完善的適航管理、審核、符合性驗證的系統(tǒng)，具有完善的穩(wěn)定性設(shè)計評估和驗證方法。國內(nèi)應(yīng)盡快開展相關(guān)研究，為后續(xù)渦扇發(fā)動機(jī)適航取證奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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[2]Jilian GUO，Kangming BAI，Lintong JIA. Research on Airworthiness Management System about Military Aircraft Development[J]. Procedia Engineering，2011，17：375-381.

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[5]劉大響，葉培梁，胡駿，等.航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)穩(wěn)定性設(shè)計與評定技術(shù)[M]. 北京：航空工業(yè)出版社，2004：186-278.

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[7]朱彥偉，曹高峰等，側(cè)風(fēng)對某發(fā)動機(jī)工作參數(shù)穩(wěn)定性影響的監(jiān)控及分析，航空發(fā)動機(jī)，第39卷第2期，2013，4。

作者簡介：齊曉雪（1982），女，高級工程師，本科，從事航空發(fā)動機(jī)總體性能設(shè)計工作。

（作者單位：中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所）