航空發(fā)動機核心機試驗驗證方法研究

李富亮LI Fu-liang；徐佳匯XU Jia-hui；閆素銀YAN Su-yin

（中國航發(fā)上海商用航空發(fā)動機制造有限責任公司，上海201306）

0 引言

核心機由航空發(fā)動機中的高壓壓氣機、燃燒室和高壓渦輪組成，在成熟的核心機基礎上匹配不同的風扇、低壓渦輪等低壓部件以及控制、燃油、滑油等相關系統(tǒng)，可以派生發(fā)展出覆蓋一定推力級別的發(fā)動機，利用核心機技術進行系列化派生發(fā)展極大地降低了航空發(fā)動機的研制風險，并加快了高性能發(fā)動機的研制進度[1]。近幾十年以來，在核心機先行設計和試驗的基礎上派生發(fā)展整機已成為國內(nèi)外航空發(fā)動機型號研制的一個突出特點。例如，GE 公司在軍用渦扇發(fā)動機F101 核心機的基礎上研制了世界上最成功的CFM56 系列民用航空發(fā)動機，又在E3 高效節(jié)能發(fā)動機研究計劃的核心機基礎上發(fā)展了GE90 系列民用航空發(fā)動機；在我國大型飛機重大專項工程中，軍用大涵道比渦扇發(fā)動機在已設計定型的太行發(fā)動機核心機基礎上進行研制，民用大涵道比渦扇發(fā)動機研制也采取了從部件、系統(tǒng)、核心機再到驗證機的技術途徑[2]。

核心機研究的基本方法包含數(shù)值分析和試驗驗證研究[3]，數(shù)值分析方法主要是建立核心機數(shù)學模型，在考慮冷卻和傳熱效應基礎上模擬核心機性能，因核心機工作時存在復雜的能量和質(zhì)量相互交換，該方法建立的數(shù)學模型不能完全模擬實際工作情況，必須對核心機進行試驗研究，在模擬核心機真實工作環(huán)境的試驗結果基礎上修正核心機的數(shù)學模型；核心機試驗時，將高壓壓氣機、燃燒室和高壓渦輪作為一個系統(tǒng)進行評價，還可以提前對高壓部件的性能匹配問題進行研究，減少新機研制過程中出現(xiàn)的各種技術問題；因此，在型號發(fā)動機研制前期，開展核心機試驗驗證研究具有十分重要的意義。

本文針對核心機試驗驗證過程中涉及的試驗方法、測試技術和試驗流程進行介紹，結合國內(nèi)外發(fā)展情況提出未來發(fā)展建議。

1 試驗方法

核心機試驗時，通過研究總壓比、總溫比、循環(huán)功和循環(huán)功耗油率等參數(shù)與轉(zhuǎn)子換算轉(zhuǎn)速和進口空氣流量的關系，驗證核心機總體性能和機械運轉(zhuǎn)情況。為了對核心機進行試驗研究，需要在核心機三大部件的基礎上匹配進氣機匣、前承力機匣、后承力機匣、尾噴管等部件以及控制系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)等工作系統(tǒng)，形成一臺可以獨立試驗的核心機試驗件，相當于一臺單轉(zhuǎn)子渦輪噴氣發(fā)動機。按照試驗條件劃分，核心機試驗一般可分為大氣進氣試驗、加溫加壓進氣試驗和高空模擬試驗。

核心機大氣進氣試驗的目的是進行起動和低轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)、加工和裝配質(zhì)量考核、低轉(zhuǎn)速部件及系統(tǒng)匹配考核和部分性能考核。在地面臺進行大氣進氣試驗時，核心機進口為環(huán)境大氣，主要試驗科目為起動、磨合運轉(zhuǎn)、穩(wěn)態(tài)性能試驗等常規(guī)試驗，以及喘振邊界測量、高頻振蕩燃燒邊界測量、VSV 角度控制優(yōu)化等專項試驗[4]。

核心機加溫加壓進氣試驗需要在專用的核心機試車臺或者直接連接式高空臺上進行，為了模擬核心機在整機上的進氣條件，試車臺需配置專門的加溫加壓進氣系統(tǒng)，以對核心機進口氣流溫度和壓力進行調(diào)節(jié)。試驗科目主要包括：起動，在全程轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進行三大部件和系統(tǒng)匹配考核，氣動性能考核，強度可靠性、結構完整性考核，燃油控制系統(tǒng)、主動間隙控制系統(tǒng)等專項試驗，動應力、軸向力、葉尖間隙、排氣污染物等特殊測量試驗[4]。

核心機進行加溫加壓進氣試驗的一般流程如下：

①啟動壓縮機組，進行進氣管道預熱、預充壓并摻混調(diào)節(jié)至目標溫度；

②在大氣進氣條件下執(zhí)行核心機起動；

③進行大氣進氣切換至加溫供氣；

④進氣系統(tǒng)按照進口溫度和壓力變化圖譜進行調(diào)節(jié)，進行加溫加壓進氣試驗；

⑤完成加溫加壓進氣試驗后，進行進氣降溫和降壓；

⑥進氣溫度和壓力降至目標值后，進行加溫進氣切換至大氣進氣；

⑦核心機進行大氣進氣條件下運轉(zhuǎn)和停車。

核心機加溫加壓進氣試驗過程中，為保證試驗結果有效和核心機安全，加溫加壓進氣系統(tǒng)需要根據(jù)試驗工況點的需求，按照預先設置的控制算法控制系統(tǒng)管道中的各種調(diào)節(jié)閥門，以滿足進氣溫度和壓力的控制精度要求，當調(diào)節(jié)閥門等設備出現(xiàn)影響安全的故障時，系統(tǒng)還需按預設的故障處理策略進行相應的應急處置。

核心機在高空臺進行高空模擬試驗時，在模擬進口氣流溫度和壓力的同時，還要保證核心機外部處于真實環(huán)境壓力或者尾噴口處于臨界狀態(tài)；試驗時，高空臺進排氣調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)將氣源站提供的高溫氣、中溫氣和冷卻氣，通過摻混、節(jié)流以及放氣的方式調(diào)節(jié)，滿足不同試驗工況的進氣需求，同時進排氣調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)中的抽氣機組將進入試驗艙和核心機的氣流抽離，調(diào)節(jié)高空艙內(nèi)的環(huán)境壓力以建立高空條件。核心機高空模擬試驗主要完成：風車特性試驗、起動特性試驗、節(jié)流特性試驗、典型點性能考核試驗和專項研究試驗等[5]。

2 測試技術

核心機試驗驗證過程中，依靠各種可靠的測試技術，獲取大量真實可信的試驗數(shù)據(jù)，以對核心機的氣動性能、強度可靠性、結構完整性進行驗證和考核。試驗過程中需布置大量測試設備和儀器，測量參數(shù)包括流道各截面的壓力、溫度等氣動性能參數(shù)，零部件壁面溫度、振動應力等結構強度參數(shù)，動態(tài)壓力、葉尖間隙、軸向力等安全監(jiān)測參數(shù)，單次核心機試驗所有參數(shù)測點總計可達1000 個[6]。

隨著核心機技術的持續(xù)發(fā)展，試驗測量參數(shù)也隨之增多，對測量速度、精度、范圍和環(huán)境的要求也不斷提高，因測試空間、測試位置和測試感應手段的限制，常規(guī)測試技術存在對測量參數(shù)的擾動和對核心機結構破壞等問題，迫切需要引入新材料、新工藝和新方法。下面簡要介紹幾種試驗過程中常見的非接觸式、特種測試技術。

2.1 葉片振動測量

核心機試驗時葉片振動測量主要分為接觸式葉片動應力測量和非接觸式葉尖振幅測量。

進行葉片動應力測量的目的是為了研究葉片振動特性，獲得葉片的振型、固有頻率和共振轉(zhuǎn)速等特征參數(shù)。典型葉片動應力測試系統(tǒng)由應變片、引線、信號傳輸裝置（滑環(huán)引電器或遙測裝置）、連接線路和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。

葉尖振幅測量是一種新型的非接觸式葉片振動測量方法，基于葉尖定時原理，通過計算葉片經(jīng)過傳感器的理論到達時間和實際到達時間的差值，將該時間差值進行分析獲得葉片振動幅值。

2.2 葉尖間隙測量

葉尖間隙是指壓氣機和渦輪轉(zhuǎn)子葉片葉尖到機匣的距離，當葉尖間隙過小時，葉片會與機匣發(fā)生碰磨；當葉尖間隙過大時，又會降低壓氣機和渦輪效率，增加耗油率。對葉尖間隙進行實時測量與監(jiān)控，可以提前示警，防止葉片與機匣發(fā)生摩擦，保證核心機試驗安全。葉尖間隙測量方法主要有電容法、火花放電法、渦電流法和超聲波法等。

2.3 示溫漆測量

示溫漆是一種對溫度敏感的涂料，當涂敷在核心機高溫零部件表面時會隨表面溫度的變化而改變顏色，實現(xiàn)零部件表面溫度的測量。示溫漆的溫度判讀是進行示溫漆測量的技術難點，當前主要采用精度較低的人工判讀法，近年來國內(nèi)外開展了大量的基于圖像處理的溫度自動識別方法研究，形成了基于顏色溫度特性曲線、等溫線溫度識別和變色點區(qū)域分割等三種主要自動識別方法。

2.4 污染物排放測量

試驗時，借用尾噴管上的溫度壓力測試接口安裝燃氣取樣耙，收集尾噴管出口的排氣排出物，將排氣排出物通過輸運管路傳輸至燃氣分析儀，進行不同樣氣成分的濃度分析，獲得HC、NOX、CO2、CO、O2、H2O 等污染物含量。

3 試驗流程

按照系統(tǒng)工程的方法，整個核心機試驗驗證過程可以劃分為試驗策劃、試驗準備、試驗實施和試驗分析四個階段[6]。

試驗策劃階段，主要開展試驗輸入文件分析、試驗設備能力評估、試驗設備改造方案制定、測試方案設計、試驗大綱編制等工作，完成試驗大綱評審。試驗準備階段，按照試驗大綱的要求從人、機、料、法、環(huán)、測六個方面開展準備工作，進行核心機試驗件接收檢查、上臺安裝和機械運轉(zhuǎn)，完成試驗放行評審。試驗實施階段，開展當日試驗方案策劃及工藝卡片編制、試驗前檢查與試驗放行、試驗實施、試驗后檢查、試驗結果分析，直至試驗科目全部完成或試驗終止。試驗分析階段，開展試驗件拆卸下臺、試驗資料整理存檔、試驗數(shù)據(jù)分析及報告編制，完成試驗結果的評定，以試驗報告評審通過為該階段和整個試驗任務結束的標志。

由于核心機試驗涉及專業(yè)眾多，應組織所有涉及的專業(yè)組建試驗協(xié)同團隊，對從試驗件設計、制造、裝配直至試驗、測試的全流程進行溝通協(xié)作，確保試驗任務高效完成。

4 結束語

①為了開展核心機大氣進氣、加溫加壓進氣和高空模擬試驗，完成各種不同的試驗科目，需要提前建設相應的地面試車臺、核心機試車臺和高空模擬試車臺，氣源站也應具備相應的供氣能力。

②隨著核心機試驗過程中測量參數(shù)的增多，常規(guī)測試技術已不滿足試驗需求，應引入新材料、新工藝和新方法，有效地提升在高溫、高壓和高轉(zhuǎn)速情況下核心機試驗參數(shù)獲取能力。

③核心機試驗過程應按照系統(tǒng)工程的方法，組建試驗協(xié)同團隊，以詳細策劃、精心準備、精細實施、全面總結，確保試驗高質(zhì)量完成。