基于等效假設的發動機持久試驗符合性方法

2021-09-10 07:22:44鄭君胡崇波洪楠卞少春

內燃機與配件 2021年10期

鄭君胡崇波洪楠卞少春

摘要：本文針對航空活塞發動機持續適航試驗的符合性驗證方法開展研究，首先建立了發動機爆壓表征機械載荷、排溫表征溫度載荷兩個等效假設，以爆壓和排溫相當的原則，探索了海平面高度下模擬發動機在不同高度條件的持久試驗適航符合性驗證方法。經連續900小時螺旋槳臺架持續試驗驗證，表明建立的持久試驗適航符合性方法安全可行，可用于渦輪增壓式航空活塞發動機的適航持久性試驗。

Abstract： In this paper， two equivalent hypotheses of engine are adopted to study the method for verifying the consistency of the piston engine. Based on the principle that the explosion pressure and the exhaust temperature are equivalent， the method of verifying the airworthiness of the engine in the endurance test at different altitude is explored. The results of the 900-hour test show that the method of the endurance test for airworthiness is safe and feasible; it can be used in the endurance test of turbocharged piston aero engine.

關鍵詞：等效假設;航空活塞發動機;持久試驗;符合性方法

Key words： equivalent hypothesis;aviation piston engine;endurance test;coincidence method

中圖分類號：U467? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）10-0011-02

0? 引言

航空活塞發動機是小型飛行器使用的動力裝置。載人飛行器的航空發動機須通過民航CCAR-33部規章的適航認證。國內適航活塞發動機研制和應用嚴重落后于西方先進國家[1]。最早于2006年，中國航發南方工業有限公司開發HS6K和HS9成為目前國內僅有的兩款適航航空活塞發動機。隨后，清華大學、南京航空航天大學、北京理工大學、蕪湖鉆石航空發動機有限公司等單位也開展了通航活塞發動機的研制工作。馮光爍等通過數據和分析總結了重油航空活塞發動機的技術路線[2]，李冰林、高巖飛、耿釗、高宏力等開展了重油活塞發動機點燃方式的研究工作[3～6]，蔡娟等人開展了重油航空活塞發動機的總體性能方面的研究[7]，盧東亮、鄭君等人對通航活塞發動機技術現狀和發展趨勢進行了研究[8～9]。總體而言，近年來在航空活塞發動機研發領域已有較好發展勢頭，但在活塞發動機適航技術和適航符合性方法方面的研究較為少見。截至目前，國內還沒有按現行的適航規章取證的航空活塞發動機。國內的適航規章主要來源于歐美，因缺少實際取證經驗，對規章的理解尚不夠透徹，對適航規章的行之有效的符合性方法研究也在逐步摸索和深入。

適航持久試驗是適航取證中驗證航空發動機是否能夠滿足長期可靠使用的重要試驗之一。CCAR-33部第33.49條規章對渦輪增壓式活塞發動機做出在規定高度壓力下進行持久試驗的明確規定，但具體實施過程中，將規章要求直接用于試驗存在較大實際困難。本文基于某型渦輪增壓式航空活塞發動機開展持久試驗符合性方法研究，力求在規章解讀基礎上制定便于實施的試驗方案并實施驗證，為后續取證發動機開展適航持久試驗奠定基礎。

1? 符合性方法的假設及建立

規章對渦輪增壓式航空活塞發動機規定了總時數為150小時的持久試驗：累計30小時起飛工況、85小時臨界高度下最大連續功率及35小時2440m高度下的其他功率試驗，表1是持久試驗中不同工作功率點及對應的高度值。在持久試驗載荷譜中，100%功率狀態和非100%功率狀態間需進行每半小時的狀態切換。

持久試驗的載荷譜需在臨界高度下的最大連續功率和2440m高度下的其他功率條件間切換，不同高度的頻繁轉換致使高空試驗臺無法連續進行。此外試驗持續時間長，試驗資源使用價格昂貴，往往給試驗承擔單位造成較大壓力，需探索一種符合規章要求又易于實現的試驗方法，滿足國內適航驗證試驗的需求。

1.1 符合性方法等效假設

持久試驗考核在機械載荷和熱載荷的工作條件下，發動機和渦輪增壓器的持久工作壽命。規章指出：如發動機和增壓器承受的機械載荷和工作溫度不低于在實際高空條件下運轉時的機械載荷和工作溫度，高空試驗可通過模擬進行。對于活塞發動機，機械載荷與發動機氣缸內的工作爆發壓力直接相關，熱載荷也與發動機排氣溫度直接關聯。基于此擬定了兩個等效假設條件，即：

①發動機氣缸內工作爆壓表征發動機各主要承力件所承受的機械載荷;不同工況點下的最大工作爆壓等效于最大機械載荷;

②發動機排氣溫度表征發動機工作的實際溫度載荷狀況;不同工況點下最大排溫等效于發動機出現最大溫度載荷。

由上述假設，將規章所述發動機機械載荷和工作溫度載荷等效于發動機氣缸內的工作爆壓和排氣溫度。

1.2 符合性方法建立

基于上述假設，通過變更發動機標定參數達成在海平面高度實現不同高度下的持久試驗符合性方法，主要包括以下環節。（圖1）

①試驗發動機需設計定型，生產工藝固化，以確保試驗發動機的一致性;

②標準樣機經海平面校準，確認試驗發動機各項性能達到設計要求;

③標準樣機進行高原試驗，按預期的性能指標標定發動機，形成發動機構型內的標定數據（標定數據1），記錄不同高度點的工作爆壓及排氣溫度;

④標準樣機在海平面試驗，按高原試驗記錄的各高度點的工作爆壓和排氣溫度再次標定發動機，形成標定數據2;

⑤按標定數據2支持發動機進行持久試驗。

2? 符合性方法試驗及試驗結果

為驗證上述方法，本文采用某渦輪增壓式航空活塞發動機為試驗樣機。圖2為該標準樣機最大連續功率與高度關系曲線。如圖2，該發動機性能在臨界高度以下最大連續功率均為100kW，在臨界高度以上功率降低。

本文按2.2節試驗環節開展了試驗和對比，記錄了不同高度下和不同狀態下發動機數據見表2。標定數據1的高原試驗和標定數據2的海平面試驗的發動機實現了工況點的爆壓和排溫相等。因工作環境差異，標定數據2試驗的發動機實際功率存在一定程度的變化。表2是兩組標定數據下，發動機工作的主要參數指標對比。由表2可見，按相同的爆壓和排溫條件標定的發動機，等效條件下的發動機功率有5%左右的提升。

本文按規章的載荷譜，以標定數據2支持標準發動機進行了連續6個150小時，總計900小時的持久試驗考核，發動機工作正常，表明本文提出的基于等效假設的活塞發動機持久試驗符合性方法安全可行，可用于渦輪增壓式航空活塞發動機的適航持久性試驗。

3? 結論

本文從兩個等效假設出發，建立了基于等效假設的活塞發動機持久試驗符合性方法，得出結論如下：

①建立了兩個等效假設，即：發動機爆壓表征了發動機機械載荷，排氣溫度表征了發動機工作的實際溫度載荷狀況;

②基于等效假設，以爆壓和排溫水平相當的原則，建立了海平面試驗模擬了考核發動機在不同高度，不同功率變動下的持久試驗適航符合性方法;

③基于該符合性方法，在不同的工況點海平面模擬高空試驗中發動機功率提升約5%左右;

④經標準發動機6輪次150小時持續試驗驗證，本文建立的活塞發動機持久試驗適航符合性方法安全可行，可以用于渦輪增壓式航空活塞發動機的適航持久性試驗。

參考文獻：

[1]General Aviation Manufacturers Association， 2018 ANNUAL REPORT. 2018.

[2]馮光爍，周明.重油航空活塞發動機技術路線分析[J].清華大學學報（自然科學版），2016，56（10）：1114-1121.

[3]李冰林，魏民祥.活塞式發動機燃燒煤油研究現狀與技術分析[J].小型內燃機與摩托車，2012（06）.

[4]高巖飛.點燃式煤油發動機燃油霧化技術研究[D].南京航空航天大學，2010.