渦扇發動機吞雹適航符合性驗證試驗方法

張 清,崔 博，霍 楓

(中國航發沈陽發動機研究所 航機總體設計二部，沈陽 110015)

飛機在使用過程中可能遭遇冰雹等極端的自然現象，對發動機構成極大的傷害。對于渦扇發動機來說，在遭遇冰雹撞擊后可能會造成風扇葉片、進氣整流罩等發動機進口處的結構損傷，進入到核心機的冰或水會引起壓氣機喘振，還會引起發動機燃燒室不穩定燃燒和燃燒效率降低，導致發動機推力損失[1-3]。

吞雹能力驗證是航空渦扇發動機軍用規范和民航適航性要求規定的試驗項目之一,目的是評定發動機在降雹環境下的使用性能和抗冰雹沖擊的能力,驗證冰雹沖擊對發動機的影響及后果[4]。通過地面吞雹試驗，驗證規定冰雹數量、規格、速度、撞擊位置和發動機工作狀態下，冰雹對發動機結構損傷和推力損失度的影響。

國外三大發動機公司在80年代就具備了吞雹試驗能力，開展了相關的發動機整機吞雹試驗技術研究[5]。賀偉[1]開展了民用大涵道比發動機吞冰試驗研究，對吞雹試驗的設備和試驗方法進行了初步的闡述；韓飛聽等[6]開展了航空飛行器冰雹撞擊實驗技術研究，對冰雹撞擊的試驗設備及系統進行了研究，為整機試驗方法的確定提供了研究基礎；曾海軍[7]對航空發動機進氣結冰適航要求和符合性方法進行了研究，為吞雹能力驗證方法提供借鑒；鄒寶軍等[8-9]對某型渦軸發動機吞冰試驗方法進行了研究，按照軍用標準和型號規范開展吞冰片和冰雹試驗的設備和試驗方法驗證。目前，尚未見到針對我國渦扇發動機按照適航規定CCAR 33.78要求進行吞雹驗證試驗的具體方法[10]。

本文根據CCAR 33.78條款中對吞雹試驗的要求，結合國外民航發動機吞雹試驗情況，研究了某大涵道比渦扇發動機吞雹適航符合性驗證試驗方法，填補了國內試驗相關研究空白。CCAR 33.78條款包括吞雨和吞雹兩部分內容要求，本文以其中的吞大冰雹試驗要求為例進行適航符合性驗證試驗方法研究。

1 試驗參數分析

臺架吞冰雹試驗參數的選取主要包括冰雹物理參數、冰雹投射參數和試驗狀態參數。

1.1 冰雹物理參數

冰雹物理參數包括冰雹的規格、數量、密度和硬度，在CCAR 33.78條款中有明確要求[11]。

冰雹的規格包括直徑25 mm和50 mm兩種；冰雹的數量按照進氣道面積計算獲得，面積大于0.064 m2的發動機，每0.096 8 m2面積或其余數為1顆直徑25 mm和1顆直徑50 mm的冰雹；冰雹的密度為0.80～0.90 g/cm3；為了模擬真實環境下的硬度情況，要求冰雹由冰片模壓制成球形，并在-40 ℃的冰箱內保存24 h。

1.2 冰雹投射參數

冰雹投射參數包括冰雹撞擊位置和速度，在CCAR 33.78條款中有定性要求，根據發動機的實際參數分析確定。

1.2.1 冰雹撞擊位置

CCAR 33.78條款中，冰雹投射位置要求一半數量的冰雹應隨機投向整機進氣道前方的區域，而另一半則應投向進氣道正前方的關鍵區域。

其中，關鍵區域的選取以對進口的風扇葉片損傷和進入核心機后的氣動穩定裕度損失的綜合影響為目標，通過數值仿真分析方法獲得具體結果。對于某大涵道比發動機，通過分析可以初步得到如下結論：

(1)冰雹撞擊葉片凸肩位置時，會撞擊到凸肩迎風位置，造成凸肩出現塑性應變，影響其減振作用；

(2)冰雹撞擊葉片葉尖位置時損傷最大，前緣出現較大塑性應變；

(3)冰雹撞擊葉根和葉中位置時不會引起結構損傷，但能夠進入核心機。

1.2.2 冰雹撞擊速度

CCAR 33.78條款中，冰雹投射速度要求模擬飛機在最大高度達4 500 m的顛簸氣流中飛行的典型飛行條件下，發動機以最大真實空速吸入冰雹的速度來確定。

冰雹投射速度的確定還要根據發動機配裝的具體飛機使用情況確定，對于一般的大涵道比發動機，冰雹的投射速度在500～700 km/h。

1.3 試驗狀態參數

發動機吞雹時，需要模擬飛機在4 500 m高度的典型飛行條件下，發動機的最大連續功率狀態。對于一般的大涵道比發動機，試驗在發動機最大連續狀態對應的風扇轉速下進行。發動機吸雹后需繼續在原狀態運轉5 min，檢查發動機推力恢復時間與推力恢復程度以及性能參數與控制參數的變化情況，試驗狀態如圖1所示。

1.4 國外民航發動機吞雹試驗參數

CFMI公司的CFM56-7B發動機和GE公司的GE90-115B發動機吞雹試驗參數見表1、圖2、圖3所示，可為某大涵道比發動機提供借鑒。

圖1 吞雹試驗狀態

表1 冰雹參數示意

圖2 CFM56-7B發動機吞雹試驗示意圖

圖3 3GE90-115B發動機吞雹試驗示意圖

2 試驗設備要求

吞雹試驗一般都是在露天地面試車臺上進行，基本組成通常包括試車臺架、各個工藝系統、各工藝件、控制間、數據采集間及各種輔助工藝裝置，冰雹制作裝置、投射裝置和發動機周圍的安全防護措施。

2.1 試驗臺和投雹裝置

GE公司為GE90發動機最新制造的結構完整性試車臺如圖4所示，可以進行吞水、吞雹、吞鳥、包容、超溫超轉等各種破壞性試驗，能夠承受發動機吸鳥、雹、水和葉片飛失后的附加沖擊載荷能力。

冰雹投射裝置即空氣發射炮位于發動機的進口，由4門直徑相同的炮管組成，通過固定在地面上的架子定位，并在炮架周邊布置了照明裝置和測速裝置，雹炮能夠提供出口冰雹速度200 m/s。

圖4 GE發動機吞雹試驗露天臺

試驗中，要求冰雹投射裝置能夠提供發動機飛行中可能遇到的冰雹氣象條件，主要由冰雹發射系統、速度測量系統、高速攝像系統、雹炮控制系統、強光照明系統等部分組成。試驗中，通過控制高壓氣炮發射冰雹，并按照試驗需求將冰雹安裝到彈殼中，控制壓縮的高壓空氣驅動彈殼發射。一般情況下，冰雹空氣發射炮與鳥體發射炮為同一套設備，也可用于吞鳥試驗。

圖5為試車臺架示意圖，雹炮裝置與發動機相對位置如圖6所示。為了適應各類民用發動機的試驗需求，一般吞雹試驗臺架主要指標要求如下[12]：

(1)發動機最大推力:≤450 kN；

(2)最大發射速度：200 m/s；

(3)最大冰雹數量：72個/次(半徑25～50 mm)；

(4)冰雹發射裝置：投大鳥(1.85～3.65 kg)大炮1門，投中鳥(0.35～1.15 kg)中炮8門，投小鳥(85 g)小炮16門；

(5)速度測量精度：氣炮前端設置三點激光測速裝置，精度為1%。

在確定冰雹發射裝置的出口與發動機進口的距離時，應保證空氣炮對發動機工作穩定性影響最小，具體距離的確定要根據發動機的實際情況確定。對于一般的大涵道比發動機，距離是3.5～5 m。

圖5 試車臺架示意圖

圖6 投雹裝置與發動機相對位置圖

2.2 測試系統

為了準確評估冰雹撞擊后對航空發動機結構和氣動穩定性的影響，試驗要具備功能完整、準確度高的測試系統。

(1)通過常規參數測量系統評估冰雹對發動機性能的影響，需重點關注冰雹撞擊前后高低壓轉子轉速、排氣溫度、振動脈動等參數；

(2)通過固定在風扇機匣、軸承座和安裝系統上的應變片和振動傳感器，測量應力和振動情況，得到冰雹撞擊引起的轉子振動和應力水平；

(3)為了保證發動機進口的冰雹滿足試驗指標要求，需要進行冰雹速度、位置測量，并對冰雹和風扇葉片的顏色進行標識。

2.3 輔助裝置

為了真實模擬飛行中發動機的試驗需求，一般吞雹試驗臺架還要配備如下裝置：

(1)使用飛機進氣道或等效替代品，等效進氣道的重量、重心，模擬發動機安裝在飛機狀態下的進口安裝結構和安裝系統的受力；

(2)安裝飛機交流發電機和飛機液壓泵或二者等效替代品，等效飛機附件重量和靜懸掛力矩，模擬安裝在飛機狀態的發動機安裝系統受力；

(3)使用高速攝像機及配套燈光，覆蓋發動機進口與噴口等關鍵部位，清晰記錄冰雹撞擊全過程、葉片變形和發動機工作狀態等，攝影機布局如圖7所示；

(4)設置防護裝置，用于安全防護與高能碎片的收集，保證試驗設備、人員的安全。

圖7 攝影裝置與發動機相對位置圖

3 試驗過程分析

3.1 冰雹制備

吞雹試驗前，應制備足夠的冰雹，以滿足試驗需求。冰雹的制備通常在一定的環境溫度下，用水和模具制備。

冰雹模具材料包括橡膠、鋁合金等，制作冰雹所使用的水的種類、冰凍溫度、冰凍時間等均對冰雹的質量、密度、硬度有影響。制作冰雹時可在冰雹內部加入醫用棉絮等材料，用來增加冰雹韌性；提高蘇打水含量可降低冰雹的密度;為保證冰雹吸入過程能夠被清晰記錄，可對冰雹進行染色處理。制作的冰雹應在-10～-20 ℃條件下冷凍48 h并進行密度測量。

3.2 校準試驗

為保證吞雹試驗中雹炮所發射的冰雹能夠以指定的速度撞擊到發動機的預定位置，需要在試驗前進行冰雹發射校準試驗，調試冰雹的發射速度和位置。冰雹發射校準試驗需使用與試驗需求狀態一致的冰雹，但無須運轉發動機。

冰雹發射速度調試主要通過調整雹炮高壓空氣氣動壓力，實現不同的氣動壓力對應不同的發射速度。通過改變氣動壓力，進行多次冰雹發射，標定出氣動壓力與冰雹發射速度之間的關系曲線，得到炮筒發射冰雹的速度特性曲線V雹=f(P炮)，并標定出每個炮筒發射速度曲線[13]。

冰雹撞擊位置調試主要通過炮筒位置調整與校靶實現，其原理如圖8所示。校靶時可根據試車臺架實際情況確定靶板安裝位置，如靶板無法安裝到風扇實際截面位置，可安裝到炮筒出口截面與風扇截面之間的任意截面，確保靶板截面與風扇截面平行，確定靶板安裝位置后，在靶板上標記出冰雹撞擊位置，所使用的每個炮筒均需要校靶。

圖8 校靶原理圖

3.3 試驗過程

為了有效地評估遭遇冰雹條件下的發動機結構損傷和性能衰減情況，試驗前應完成但不限于如下工作，以保證試驗順利開展。

(1)檢查并保證試驗用發動機技術狀態滿足要求；

(2)發動機、臺架、冰雹發射裝置、測試系統等功能和性能完好，滿足試驗要求；

(3)試驗當日天氣應保證冰雹在試驗準備過程中不融化，一般溫度不高于10 ℃；

(4)試驗安全防護措施完備；

(5)錄取自然條件下發動機基線性能參數、風扇機匣應力、風扇轉子振動參數及發動機其他參數；

(6)錄取氣炮空炮發射下發動機基線性能參數、整機振動參數及發動機其他參數；

具備試驗條件后，完成如下試驗內容：

(1)按照試驗大綱進行試驗，在預定狀態投射冰雹，錄取發動機吞雹前后的基線性能參數、風扇機匣應力、風扇轉子振動參數及發動機其他參數；

(2)根據第(6)步確定的空炮對發動機性能參數影響范圍，確定吞雹后的性能指標和結構損傷是否滿足規定的要求并提出更改措施。

4 試驗結果分析

4.1 發動機工作參數計算

發動機工作參數的波動是其不能穩定工作的典型特征，能夠直接反映其是否工作正常。通常需要監控的發動機工作參數有高壓轉子轉速、低壓轉子轉速、排氣溫度等。通過計算對比吞雹前后參數的標準差,得出發動機工作參數的波動情況。

當發動機達到給定功率狀態后，錄取吞雹前后一定時間(選取20 s)的發動機工作參數，假定試驗點樣本數為N，其統計方法如下：

(1)將N個數據樣本點排列成數據序列；

(1)

(2)

其中，參數標準差S的大小直接反映了數據參數的離散程度，在給定發動機狀態下(發動機油門桿角度不變)，工作參數的標準差S越大，表明該參數的波動量越大，說明發動機的工作穩定性越差[14]。

4.2 持續功率損失分析

渦扇發動機吞雹后仍應具備飛行續航能力，沒有不可接受的功率損失，推力應能夠恢復到最大連續功率狀態推力的90%，即單次吞雹后允許的性能退化低于10%[15]。

發動機功率損失通過計算對比給定運轉狀態下吞雹前后的推力變化來反映。通常考慮到推力恢復的情況，以錄取吞雹前后一段時間內(前后各不低于10 s)的推力進行計算分析。

4.3 結構損傷分析

發動機吞雹后應保持結構完整性，不得有危及發動機使用安全的結構損傷。

試驗后，需將發動機分解，以檢查冰雹對發動機結構損傷程度，并形成檢查結果報告。對于風扇/增壓級、壓氣機流道件需重點檢查，特別是對于風扇葉片，應重點記錄其損失結構形貌特點和尺寸。對風扇、高壓壓氣機盤的關鍵尺寸進行測量，對風扇、增壓級葉片、外涵靜子葉片、高壓第一、二級轉子葉片進行熒光檢查，對帽罩、分流環、風扇后支板進行目視檢查。

5 結論

本文介紹了開展大涵道比渦扇發動機吞雹試驗的重要意義和必要性，重點研究了按照CCAR33.78條款開展露天試車臺吞雹試驗的冰雹參數、試驗設備和測試系統要求，給出了試驗前準備和試驗過程要點，提出了正式試驗過程，給出了試驗結果分析方法和重點，為指導某大涵道比發動機臺架吞雹試驗提供了方法和建議。