民用航空發動機150 h持久試驗技術

常 誠

（中國航發上海商用航空發動機制造有限責任公司，上海 201306）

0 引言

150h持久試驗試車是適航條款要求的特殊的演示試驗，是一個重要的標志性里程碑，是世界各國發動機研制過程中不可避免的一個環節，GE、PW以及RR三大原始設備制造商（Original Equipment Manufacturer，OEM）都十分重視該環節，并且都十分謹慎地對待持久試驗過程中出現的任何技術問題和故障。

1 持久試驗考核內容

近年來，國內民用航空發動機研制快速發展，必須要通過適航認證，而在適航認證過程中，發動機必須要經150 h持久試驗試車。持久試驗的適航條款規定了任一型號發動機都需要采用進行演示試驗的方法完成滿足該發動機的所有試驗需求，因此，發動機試驗要達到或超過技術要求的紅線風扇/高壓轉速、紅線排氣溫度以及額定100%的發動機推力，完成持久試驗中的三重紅線（起飛和最大連續）部分，以說明其工作的耐久性和可靠性，并且在每次選定臺份的發動機進行臺架持久試驗前、后，都需要對發動機的性能進行校準，且結果需要滿足適航要求。

2 持久試驗條款對照分析

2.1 國標與軍標的對比

GJB241《航空渦輪噴氣和渦輪風扇發動機通用規范》和CCAR33《航空發動機適航規定》兩類文件的規定差異很大，這是由于軍/民用發動機在實際使用中有無應急推力的一種直接反映，在很大程度上，發動機的推力結構決定了定型試驗的實質。《航空渦輪噴氣和渦輪風扇發動機通用規范》規定了能使發動機圓滿地執行軍事任務的工作要求，對軍用發動機來說，還需要根據通用規范制定符合要求的發動機型號規范，通用規范是制定型號規范的依據，型號規范是發動機研制過程中的依據，在研制過程中會有一定的取舍，因此，其本身具有一定程度的靈活性。《航空發動機適航規定》中的150 h持久試車包括影響發動機安全性和耐久性的很多因素，是對發動機長時間持續工作安全性和可靠性提出的最低要求，不能準確地反映飛行任務載荷給發動機帶來的損傷，是通用的最低標準。

20世紀70年代后期，各航空強國的發動機加速任務試車技術普遍有所發展，試車的關鍵是模擬使用壽命，試驗方法是要鑒別出由推力狀態變化和在高溫下的工作時間所造成的結構上的破壞事故。為充分模擬飛機的多種典型任務，往往至少制定2種加速任務試車譜，具備加速弄清發動機結構完整性的優缺點，具有可以縮短整機試驗與型號研制時間的特點。

2.2 持久試驗經歷工作循環

將型號研制早期的150 h持久試驗試車作為循環試驗使用，能夠盡早地發現在軸的轉速、溫度等更多使用條件下服務的設計能力，也能確保發動機在一定的時間范圍內在所有轉速的操作范圍內工作，發現一些不希望出現的情況。另外，在研制的后期，循環試驗還能作為型號試驗的實際運行試驗與其他試驗一同進行。

2.3 持久試驗工作環節

在選定進行持久試驗的發動機后，確定發動機調整附件的調整位置，將功能特性限定在規定的范圍內，并且在完成持久試車后仍與持久試車開始之前相一致。發動機上臺完成持久試驗前，首先要校準試車，然后進行持久試驗，完成等效持久試驗試車譜，最后下臺前的完成校準試車，并對比前后兩次校準試車的推力和耗油率，滿足型號研制過程中提交的型號數據額定限制值中的數據要求，至此發動機完成持久試驗的臺架試車部分，返回裝配車間進行分解檢查，所有被檢查的零部件都沒有超出申請的發動機維修手冊規定的維修限制范圍，并未發現零件損壞、過度的磨損、變形和強度減弱等現象，該臺份發動機才完成持久試驗試車，其工作流程環節如圖1所示。

圖1 發動機的工作流程環節示意圖

2.4 常見的風險及應對

根據國內試驗的工作經驗結合國外三大OEM的持久試驗工作情況，可以看出，在持久試驗過程中，三重紅線問題是一個十分煩瑣的問題，既涉及到發動機自身的特性，也包括臺架設備特點，并且由于發動機及設備自身能力的問題，在不能一次性完成的情況下，可以采用分步實施、逐步求證的方法，累計執行。另外關于在持久試驗的過程中由于附件故障及泄漏、振動、磨損、燒蝕、裂紋以及臺架適應性改造設備持久工作的問題，都將會成為持久試驗的工作隱患，對持久試車過程中可能存在的風險進行識別，并建立明確的應急處置預案，合理安排持久試驗與其他整機試驗的順序，提前驗證規避一些不必要的風險，是必不可少的。

3 關鍵技術

3.1 持久試驗

適航條款要求發動機的主承制商通過演示實驗表明發動機整體滿足當局關注的內容，并且滿意的完成演示試驗才能被批準，獲得型號適航取證的資格，這是發動機研制過程中一個標志性的里程碑，確保發動機能夠維持飛機適航取證和商業運行。適航的條款規定滿足持久試驗考核標準，驗證發動機初始工作能力、發動機的額定值和使用限制，建立了相關標準，保證發動機具有最低水平的操縱特性和耐久性。

3.2 關鍵技術分解

民用航空發動機依據自身特點，包括導流葉片、噴口等幾何通道、控制規律和發動機參數限制，結合整機地面室內常規試驗試車臺架的可使用條件，作為輸入，以技術流程展開的系統工程思想對 150 h持久試驗進行技術層級分解，如圖2所示，臺架設備經過適應性改造為持久試驗試車提供支撐的基礎上須完成三紅線、推力修正、試車譜制定三項關鍵技術。

圖2 關鍵技術點架構圖

3.2.1 三紅線技術

從150 h持久試驗要求看，發動機要同時在紅線風扇/高壓轉速、紅線排氣溫度、額定的發動機推力狀態的三重紅線狀態下工作。臺架試驗中根據發動機硬件及控制規律的特點，結合發動機數據限制數值中關于參數限定的要求，對發動機所需要達到的特定的三紅線工作狀態進行轉子旋轉機理分析。雙轉子渦輪風扇發動機通常由進氣道、風扇壓氣機、燃燒室、渦輪和噴管組成，其結構如圖3所示。

圖3 民用航空發動機結構示意圖

空氣作為工作介質，經由進氣道，進入風扇增壓機以及高壓壓氣機，流至燃燒室，與燃燒室噴入的燃料混合燃燒，產生的化學能量通過渦輪轉子，做功帶動壓氣機持續旋轉，帶動風扇產生主要推力，剩余的能量經噴口排出體外。其轉子模塊功率簡化方程如公式（1）所示。

式中：J為轉子轉動慣量；n為工作轉速；PT為渦輪功率；PC為壓氣機功率；為發動機轉速的微分。

按照民用航空發動機的基本工作原理結合設計的控制規律，通過改變轉子設定轉速，提升供油，提高渦輪前溫度，加快高壓轉子轉速，做功能力增強，低壓轉子轉速隨之增加，渦扇發動機推力主要有外涵道產生，一般占總推力的85%及以上，隨著低壓轉速的增加，推力大幅度的上升。

實際工作過程中發動機的調節結構，不僅只有轉子和供油，還可以結合壓氣機進口流量導向器、噴口直徑大小等發動機自身調節結構以及發動機進氣流道調節裝置等試車臺設備，共同解決發動機三紅線狀態的問題，使相互之間的參數更加匹配。

三紅線調整手段較多，各調整手段之間的耦合影響復雜，為此，建立三紅線改造工作的基本原則：改裝不可避免，但有前提，針對試驗件的改裝只允許較小的偏離，還需通過分析表明經改裝的試驗發動機仍然能代表型號設計的耐久性和操作性。考慮調節手段的連續可調功能，不要過分依賴某一種調節手段而超出改裝可接受范圍，保證三紅線狀態處于達到或略高于紅線值的水平，經定性分析及定量計算，可以設計不同壓降的進氣道，適度調整進氣導流葉片角度，適度改變排氣出口流通面積，改變狀態進氣空氣流量，匹配整體發動機的參數。

3.2.2 持久試車推力修正技術

持久試驗過程中，對應于發動機自身結構發生相應的改變，試車臺架設備也會隨之不同，所以持久試驗試車在構型上與一般常規試驗試車的氣動流場不同，例如為三紅線的實現而特制發動機進氣道、進氣格柵、可能的進口導流葉片、發動機可調換的尾噴口以及發動機持久試驗額外測試所需的管線等，都能夠影響發動機在室內試車臺進行持久試驗的氣動流場，進而影響發動機的推力，為此需要對持久試驗試車構型的發動機及其試車臺設備導致的推力差異進行氣動流場的修正工作，以保證獲得的發動機推力能夠正確地反應發動機的實際工作情況。即根據發動機和臺架改造實際情況確定的持久試驗試車過程中的推力修正技術和實施方法。在這一環節通常采用流場測量的方法進行室內試車臺的發動機推力修正工作，發動機室內試車臺主要包括進氣塔、導流葉片、試車間、引射筒、排氣塔，在試車間內布置速度和壓力測點，對發動機在試車間工作過程中的流場進行測量[1]，其工作布局如圖4所示。

圖4 試車間內測點布置示意圖

3.2.2.1 發動機流場測量

發動機遠前方未受擾動的氣流作為0截面，在整機室內試車臺選擇距離進氣口5～8倍進氣道直徑即可，并在此處布置流場參數測量耙子，5×5＝25點，每點測量氣流流速及氣流壓力。

對應的1～9截面，分別在發動機中心標高位置布置6個測點，左右對稱，1截面位于發動機的唇口后截面，距進氣流量管唇口后1.5 m～2 m；9截面位于發動機尾噴口截面，與發動機尾噴口平齊，每點測量氣流流速及氣流壓力。

發動機產生推力如式（2）所示。

式中：m9、v9、P9和A9為9截面質量流量、速度、壓力和面積；m0、v0、P0、A0為0截面質量流量、速度、壓力和面積；為進氣段0-1截面的壓力的積分；為排氣段1-9截面的壓力的積分。

3.2.2.2 試車臺架流場測量

航空渦扇發動機推力通過整機試車獲得。試車時，發動機推力通過掛架和動架傳遞至推力傳感器，由推力傳感器測量發動機的推力，在發動機試車臺架上的主要的迎風面布置不少于6個測點，為避免氣流對測點的影響，傳感器受感部伸出迎風面應不小于150 mm。 臺架迎風阻力如公式（3）所示。

式中：ρ為空氣密度；Cdi為風阻系數；Ai為迎風面積；vi為迎風流速；n為測點數。

測量試車間內相關的流場參數并將流場測量的結果用于累積，最終獲取該試驗臺架條件下的室內室外間的各穩定狀態下的推力修正系數（修正值），從而發動機在整機地面室內試車臺的推力如式（4）所示。

3.2.3 持久試驗等效試車譜制定技術

持久試驗等效試車譜制定技術是150h持久試驗的核心技術內容，前面的所有技術研究都是為試車譜安排服務的，發動機的結構控制規律，臺架的結構和功能，共同決定等效試驗試車譜的制定以及如何進行臺架的持久試驗試車程序的安排。

3.2.3.1 等效試車譜技術分析

150 h持久試車是發動機可靠性和適航性的一種鑒定性試車，不是模擬使用任務的壽命試車，發動機工裝狀態的安排與實際航線使用情況相差很遠，不能用來確定發動機在翼時期的使用壽命，而是在廠內試車臺上，根據較為苛刻的條件來考核發動機的基本工作狀況，建立最低的工作標準，這一點與加速任務試車及其相似，各個主要的OEM為使發動機在地面試車臺上能夠提早發現發動機在外場使用時可能出現的功能結構上的故障和缺陷，使發動機在地面試車臺上按照預先制定好的能充分反映外場使用情況的程序進行加速任務試車，這樣的試驗試車相對150 h持久試驗試車而言，具有提早發現零部件承載能力和循環疲勞限制以及弄清發動機結構完整性等優點，并且能縮短型號研制試驗時間。而150 h持久試驗試車對加速任務試車同樣具備自身的試驗特點，本身試驗時間較短，并且工作狀態已經處于民機的三紅線位置，十分苛刻。因此在滿足關鍵參數要求的基礎上，不改變原試車程序的苛刻程度，盡可能減少臺架改裝／校準的次數，目標參數要容易調整，改裝難度低，構型偏離小，就自然成了持久試驗等效試車譜制定的基本原則。通常按照1∶1的壽命分配原則，在滿足適航條款要求下，編制試驗試車程序的試車譜，解決試驗試車程序、時間分配以及過程中的加載、引氣、起飛、最大連續之間的變換等相關技術問題，便于實際工作實施。

3.3.3.2 試驗程序的執行策略

如果嚴格按照適航條例推薦的試車譜開展試驗，每次試車循環過程中都必須進行多次試驗件和／或試驗設備改裝，多次改裝或更換會增加試驗件或試驗設備損壞的風險，也會增加持久試驗的起動次數，最終會浪費大量的人力／物力資源，增加時間成本。考慮到實際工作中單次不能過長的試車時間且試驗過程中不可能一番風順的特點，滿足條件下又不要過度考核的具體因素，在等效試車譜制定實施過程中，執行示意圖5所示的持久試驗試車譜工作策略，首先進入極限三紅線工作狀態，然后進行其余略低工作狀態的試驗安排，最后調整持久試驗過程中的發動機工作狀態，排除故障以及補充試驗試車等，記錄完成持久試車的狀態。

圖5 持久試車譜執行策略示意圖

4 結論

按照持久試驗試車的條款規定達到所需的工作狀態，并累計完成對應狀態時間及工作次數，建立并達到型號工作中所需的苛刻條件下的使用限定值，即可認定已經完成持久試驗試車，表明了該發動機在其工作壽命期間內，具備最低安全水平的操縱性和耐久性。然而150h持久試車并不是發動機的工作壽命試車，不能完全模擬預期使用全生命周期的工作場景及載荷，為此可以進行以下操作：1）借鑒《航空渦輪噴氣和渦輪風扇發動機通用規范》的工作模式，展開全壽命1∶1的壽命試車，這樣能夠更好地了解型號研制過程在試車壽命期內的故障。2） 借鑒AMT，進行加速任務的壽命試車，也能盡可能地反應壽命期內發動機在翼飛行實際工作情況。