某型渦槳發動機吞鳥試驗初步研究及驗證

摘""要：在航空發動機吞鳥試驗相關標準規范要求的基礎上，設計了渦槳發動機槳臺吞鳥試驗方案，并對某型渦槳發動機開展了2輪槳臺吞鳥試驗。試驗結果表明：吞入規定數量的小鳥后，發動機均能夠在規定時間內恢復至吞鳥前功率狀態，燃油消耗量和排氣溫度增加不超過3%，該型渦槳發動機具備按國軍標吞小鳥的能力。所設計的典型渦槳發動機槳臺吞鳥試驗方案合理可行，可為渦槳發動機吞鳥試驗提供參考。

關鍵詞：渦槳發動機""吞鳥試驗""槳臺""試驗驗證

中圖分類號：V235.12

Preliminary"Study"and"Verification"of"Bird"Ingestion"for"Turboprop"Engine

YAO"Tian1""ZHANG"Fengqi2""LI"Yan1""TIAN"Chengjian1""ZHANG"Shoucheng1""WU"Guan1

1."AECC"Hunan"Aviation"Powerplant"Research"Institute，"Zhuzhou，"Hu’nan"Province，"412002"China;"2."Nanjing"University"of"Aeronautics"and"Astronautics，"Nanjing，"Jiangsu"Province，"210016"China

Abstract："Based"on"the"requirements"of"national"military"standards"and"specifications"for"aeroengine"bird"ingestion"tests，a"bird"ingestion"test"scheme"of"turboprop"engine"werenbsp;designed"on"a"turboprop"engine"test"bench，and"two"bird"ingestion"tests"were"conducted"on"a"turboprop"engine."The"test"results"indicate"that"the"engine"recovered"to"the"power"state"before"bird"ingestion"within"the"specified"time."Fuel"consumption"and"exhaust"temperature"variations"were""within"3%.The"turboprop"engine"has"the"capability"to"ingest"birds"according"to"the"requirements"of"national"military"standards."The"designed"bird"ingestion"test"scheme"and"test"procedure"of"typical"turboprop"engine"on"a"turboprop"engine"test"bench"are"reasonable"and"feasible."The"findings"can"serve"as"a"reference"for"turboprop"engine"bird"ingestion"tests.

Key"Words："Turboprop"engine;"Bird"ingestion"test;"Turboprop"engine"test"bench;"Research"verification

鳥撞事故是對航空威脅較大的事故之一[1]。鳥類被吸入航空發動機后，不但可能造成葉片變形、斷裂等嚴重的機械損傷，還可能使發動機性能惡化，推力降低，甚至停車，危及飛行安全。對于發動機研制來講，要檢驗發動機的抗鳥撞能力，最直接有效的手段就是開展整機吞鳥試驗。國外20世紀70年代便開始了航空發動機吞鳥試驗研究[2]。國內魏海濤等人[3]從試車臺、拋鳥設備、測速裝置、試驗用嵌鳥彈殼等方面提出了吞鳥試驗設備選擇及研制方法。晏祥斌等人[4]、張清等人[5]和王慶平等人[6]分別針對渦扇和渦軸發動機吞鳥試驗進行了研究。目前，國內開展的航空發動機吞鳥試驗較少，特別是對于渦槳發動機，缺少臺架吞鳥試驗驗證的相關經驗。本文基于國軍標對發動機吞鳥試驗的要求，提出渦槳發動機吞鳥試驗方案，并通過地面臺架試驗進行了驗證。

1""國軍標對渦槳發動機吞小鳥試驗的要求

《航空渦輪螺槳和渦輪軸發動機通用規范》（GJB"242A—2018）[7]中對于渦軸渦槳發動機吞小鳥的數量要求“每300"cm2或大于此面積50％的面積上有一只50～100"g的鳥”。

GJB"242A—2018中吞鳥試驗的判斷準則為“沒有出現引起發動機故障的主要結構件損壞的跡象，則認為滿意地完成了試驗”。對于渦軸發動機，應在吞入100"g鳥后5"s內恢復到不低于吞鳥前功率的95%，而且不超出發動機任何控制限制。GJB242A—2018中未對渦槳發動機吞鳥過程中的性能衰減做出規定，可參考渦軸發動機的要求。

2""吞鳥試驗方案

2.1""試驗對象

試驗用發動機為進氣道帶旁通次流的渦槳發動機，旁通次流具有異物分離作用。其配裝的螺旋槳為六槳葉螺旋槳。

2.2""試車臺

渦槳發動機地面試車臺分為水力測功器試車臺和螺旋槳試車臺。

水力測功器試車臺簡稱軸臺，其用測功器代替螺旋槳作為吸功裝置[8]。然而，渦槳發動機一般為功率前輸出，測功器需與發動機輸出軸連接，使得氣體炮與高速攝像機的擺放位置受限，也直接妨礙了鳥投射物進入發動機進口的投射軌跡，無法模擬真實情況下槳流對吞鳥試驗中鳥體運動軌跡的影響。

發動機和螺旋槳系統配合工作的試車臺稱為螺旋槳試車臺，簡稱槳臺，其工作模式與安裝在飛機上時狀態一致。槳臺能夠模擬槳流對吞鳥試驗中鳥體運動軌跡的影響。

為了更接近發動機裝在飛機上工作環境，選擇在槳臺開展吞鳥試驗。

2.3""鳥體穿過螺旋槳的可能性分析

吞鳥試驗主要對發動機的抗鳥撞能力進行考核，為了模擬最嚴苛的情況，鳥體需要完整進入發動機，因此，需要對鳥體完整穿過螺旋槳的可能性進行分析。

鳥體長度為L，鳥進入螺旋槳平面時的速度為U，槳葉在槳盤和發動機縱剖面方向的投影寬度為H，螺旋槳轉速為N。

對于六槳葉螺旋槳，單片槳葉掃過的時間為：

t1=10/N""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""（1）

鳥體從進入完全穿過槳葉平面的時間為：

t2=（H+L）/U""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""（2）

當t2lt;t1，則鳥體能夠完整穿過螺旋槳平面。

由上述分析可知，鳥體越小，射入速度越高，螺旋槳轉速越慢，鳥體完全穿過螺旋槳平面的可能性也越高。

2.4""試驗設備布局與安裝

吞鳥試驗設備布局如圖1所示，主要包括投鳥設備和高速攝影裝置。

2.4.1"氣體炮和控制系統

吞鳥試驗專用投鳥設備為氣體炮，按規定向發動機進口投射試驗用鳥。根據計算得到的需要吞入鳥的數量來安排氣體炮的數量。氣體炮與發動機進口中心處一般處于同一高度。氣體炮炮口應與螺旋槳平面保持一定距離，避免槳螺對氣體炮及其支架的穩定性產生影響。氣體炮的擺放角度，應考慮鳥的射出速度、氣體炮出口與發動機進氣道入口之間的距離，以及在重力的影響下鳥的運行軌跡。

為了模擬最嚴苛的情況，需要鳥體完整穿過旋轉的螺旋槳葉片，空氣炮的控制系統需要有間相位控制發射能力。空氣炮發射前，根據測量的鳥體發射時間與螺旋槳的轉速周期之間的關系，計算鳥體穿過螺旋槳時需要設定的延遲時間，精確控制氣體炮的發射時機，使得鳥體正好完整穿過螺旋槳平面。

2.4.2""高速攝影裝置

利用高速攝影設備記錄鳥的完整性、運行軌跡和撞擊部位，以及試驗件變形和碎裂過程，并對鳥的速度進行測量。同時布置至少2臺高速攝影設備進行攝像，1臺正對發動機進氣道，拍攝鳥進入發動機、撞擊發動機壁面的情況；1臺布置于側面，拍攝鳥的運行軌跡，并進行速度測量。

2.5""試驗前準備工作

2.5.1"試車臺和發動機的校準

在吞鳥試驗前，發動機應按照規定程序進行校準，錄取發動機吞鳥前的性能。為了提高鳥的落點精度、鳥的速度控制精度，以及鳥體穿過螺旋槳的概率，試驗前需要對試車臺試驗設備進行精確調試和校準，包括鳥速標定、螺旋槳轉動狀態下的相位測試與標定、螺旋槳轉動狀態下的鳥體落點測試。

2.5.2""鳥彈的制作

根據發動機進氣道面積，計算出吞入國軍標要求數量的小鳥，并在試驗前進行鳥彈的制作。按國軍標要求，應使用死亡時間在半小時以內的自然鳥。

2.5.3""試驗程序

按照國軍標相關要求，結合發動機的特點制定的吞鳥試驗程序，圖譜如圖2所示。

3""試驗結果

3.1""吞鳥情況

某渦槳發動機在槳臺開展了兩輪吞鳥試驗，吞鳥過程中，未出現喘振、熄火、振動超限等異常情況，各機匣測點振動值皆較為穩定，未發生明顯變化。兩輪吞鳥試驗5只鳥飛行軌跡情況分別見表1和表2。

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第一輪吞鳥試驗中，發動機起動前，將包裹了鳥體的彈丸裝填進了氣體炮，發動機起動后，螺旋槳氣流帶動氣體炮及支架振動，使得水平放置的1號、2號和3號鳥彈偏離了設定的位置，鳥體和彈丸的提前分離，導致鳥體射出速度與要求的速度偏差較大，并且2號和3號鳥體在射出后破碎成多相流狀態，被槳流吹走。略微向上傾斜的4號到5號鳥彈則不受影響。

在第二輪吞鳥試驗，加強了鳥體和彈丸之間的固定，鳥在進入發動機前破碎的情況明顯改善，鳥體射出的速度精度也明顯提高，5只鳥的射出速度偏差不超過要求速度的5%。5只鳥體僅1只撞到了螺旋槳，其他4只均完全穿過螺旋槳平面。鳥體穿過螺旋槳平面的畫面如圖3所示。5只鳥體均進入了發動機進氣道，其中3只鳥被旁通次流分離，說明旁通次流具有較好的分離效率。

3.2""吞鳥過程性能變化情況

兩輪吞鳥試驗，吞鳥過程中發動機主要性能參數變化如圖4和圖5所示。吞鳥前后發動機主要性能參數變化如表3所示。由圖和表可知，兩輪吞鳥試驗性能參數變化類似。吞鳥瞬間，發動機功率下降，隨后在5s內緩慢上升至吞鳥前水平；高壓轉速、低壓轉速在吞鳥瞬間皆下降，隨后緩慢上升；燃油消耗量、燃燒室進口壓力和排氣溫度均小幅上升；最后各項性能參數均能恢復至平穩。吞鳥試驗后，相比吞鳥前，高低壓轉速上升在1%以內，排氣溫度上升在3%以內，燃油消耗量上升不超過2%。

鳥體進入發動機主流道，導致壓氣機流通面積減小，效率下降，壓氣機壓比減小，發動機功率和高、低壓轉速均降低。本型號發動機該狀態按等功率控制，控制器控制發動增加燃油供油，功率恢復至吞鳥前水平，高、低壓轉速上升，燃油消耗量和排氣溫度上升。

3.3""孔探檢查結果

2次吞鳥試驗后均進行了孔探檢查，檢查發現低壓壓氣機前兩級靜子壁面黏附了鳥的羽毛，其他未見明顯異常。

4""結論

本文基于國軍標對發動機吞鳥試驗的要求，提出渦槳發動機槳臺吞鳥試驗方案，并通過地面臺架試驗進行了兩輪吞鳥試驗驗證。試驗結果表明：吞鳥后，發動機功率在5"s內恢復至吞鳥前水平，吞鳥試驗后沒有出現引起發動機故障的主要結構件損壞，該型發動機具備按國軍標吞小鳥的能力。本文研究成果可為渦槳發動機吞鳥試驗提供參考。

參考文獻

[1]""張清，沈錫鋼，牛坤，等.航空發動機吞鳥要求的發展[J].航空發動機，2023，49（4）：54-67.

[2]""王長喜，李明亮，劉選民.美、英航空發動機部分特種地面試驗簡介[J].航空發動機，1998（3）：54-61.

[3]""魏海濤，劉濤，薛文鵬.航空發動機吞鳥試驗要求與驗證[J].航空發動機，2021，47（S1）：69-75.

[4]""晏祥斌，張瓊，許多.軍用渦扇發動機吞鳥適航符合性驗證研究[J].燃氣渦輪試驗與研究，2017，30（4）：51-55.

[5]""張清，沈錫鋼，牛坤.渦扇發動機吞鳥適航完整性評定方法及驗證[J].航空發動機，2024，50（5）：97-104.

[6]""王慶平，王飛，趙海鳳.渦軸發動機吞鳥試驗方法及試驗驗證[J].航空發動機，2022，48（2）：1-6.

[7]""國防科學技術工業委員會.航空渦輪螺漿和渦輪軸發動機通用規范：GJB242A—2018[S].北京：國防科學技術工業委員會，2018：58-59.

[8]""張永飛，魏秀利，鄒植偉，等.渦槳發動機軸臺試驗方法[J].航空發動機，2021，47（6）：57-62.