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航空发动机试验测试技术

航空发动机是当代最精密的机械产品之一,由于航空发动机涉及气动、热工、结构与强度、控制、测试、计算机、制造技术和材料等多种学科,一台发动机内有十几个部件和系统以及数以万计的零件,其应力、温度、转速、压力、振动、间隙等工作条件远比飞机其它分系统复杂和苛刻,而且对性能、重量、适用性、可靠性、耐久性和环境特性又有很高的要求,因此发动机的研制过程是一个设计、制造、试验、修改设计的多次迭代性过程。在有良好技术储备的基础上,研制一种新的发动机尚要做一万小时的整机试验和十万小时的部件及系统试验,需要庞大而精密的试验设备。试验测试技术是发展先进航空发动机的关键技术之一,试验测试结果既是验证和修改发动机设计的重要依据,也是评价发动机部件和整机性能的重要判定条件。因此“航空发动机是试出来的”已成为行业共识。 从航空发动机各组成部分的试验来分类,可分为部件试验和全台发动机的整机试验,一般也将全台发动机的试验称为试车。部件试验主要有:进气道试验、压气机试验、平面叶栅试验、燃烧室试验、涡轮试验、加力燃烧室试验、尾喷管试验、附件试验以及零、组件的强度、振动试验等。整机试验有:整机地面试验、高空模拟试验、环境试验和飞行试验等。下面详细介绍几种试验。

1进气道试验

研究飞行器进气道性能的风洞试验。一般先进行小缩比尺寸模型的风洞试验,主要是验证和修改初步设计的进气道静特性。然后还需在较大的风洞上进行l/6或l/5的缩尺模型试验,以便验证进气道全部设计要求。进气道与发动机是共同工作的,在不同状态下都要求进气道与发动机的流量匹配和流场匹配,相容性要好。实现相容目前主要依靠进气道与发动机联合试验。

2,压气机试验

对压气机性能进行的试验。压气机性能试验主要是在不同的转速下,测取压气机特性参数(空气流量、增压比、效率和喘振点等),以便验证设计、计算是否正确、合理,找出不足之处,便于修改、完善设计。压气机试验可分为:

(1)压气机模型试验:用满足几何相似的缩小或放大的压气机模型件,在压气机试验台上按任务要求进行的试验。

(2)全尺寸压气机试验:用全尺寸的压气机试验件在压气机试验台上测取压气机特性,确定稳定工作边界,研究流动损失及检查压气机调节系统可靠性等所进行的试验。 (3)在发动机上进行的全尺寸压气机试验:在发动机上试验压气机,主要包括部件间的匹配和进行一些特种试验,如侧风试验、叶片应力测量试验和压气机防喘系统试验等。

3,燃烧室试验

在专门的燃烧室试验设备上,模拟发动机燃烧室的进口气流条件(压力、温度、流量)所进行的各种试验。主要试验内容有:燃烧效率、流体阻力、稳定工作范围、加速性、出口温度分布、火焰筒壁温与寿命、喷嘴积炭、排气污染、点火范围等。

由于燃烧室中发生的物理化学过程十分复杂,目前还没有一套精确的设计计算方法。因此,燃烧室的研制和发展主要靠大量试验来完成。根据试验目的,在不同试验器上,采用不同的模拟准则,进行多次反复试验并进行修改调整,以满足设计要求,因此燃烧室试验对新机研制或改进改型是必不可少的关键性试验。

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按试验件形状可分为单管试验(用于单管燃烧室)、扇形试验(用于联管燃烧室和环形燃烧室)、环形试验(用于环形燃烧室)。

另外,与燃烧室试验有关的试验还有: (1)冷吹风试验

研究气流流经试验件时的气动特性和流动状态的试验。 (2)水力模拟试验

根据流体运动相似原理,以水流代替气流,研究试验件内部各种流动特性的试验。 (3)燃油喷嘴试验 这是鉴定喷嘴特性的试验。 (4)燃气分析

对燃烧室燃烧后的气体的化学成分进行定性、定量分析。 (5)壁温试验

模拟燃烧室的火焰筒壁面冷却结构,对不同试验状态下的壁面温度和换热情况进行测量和分析。

(6)点火试验

研究燃烧室点火和传焰性能的一种试验。 4 涡轮试验

几乎都采用全尺寸试验。涡轮试验一般不模拟涡轮进口压力、温度,试验时,涡轮进口的温度和压力较实际使用条件低的多。因而,通常都只能进行气动模拟试验,及进行涡轮气动性能的验证和试验研究。

与涡轮试验有关的试验还有:高温涡轮试验、涡轮冷却效果试验。 5 加力燃烧室试验

研究加力燃烧室燃烧效率、流体损失、点火、稳定燃烧范围是否满足设计要求以及结构强度、操纵系统与调解器联合工作等性能的试验。按设备条件可分为全尺寸加力燃烧室地面试验,模拟高空试验台和飞行台的加力试验。全尺寸加力燃烧室地面试验一般选用成熟合适的发动机做主机,以改型或新设计的全尺寸的加力燃烧室做试验件,进行地面台架或模拟状态试验。目的是确定加力燃烧室的性能及结构强度,为整机试验创造条件,缩短整机研制周期,在性能调整试验基本合格后在与原型机联试。加力燃烧室高空性能(如高空推力、耗油率、飞行包线内点火和稳定燃烧室)的试验,应在高空模拟试车台和飞行台上进行。

6 尾喷管的试验

用全尺寸或缩尺模型尾喷管在试验设备上模拟各种工作状态,测取性能数据,考核是否达到设计要求的试验。

按试验内容分为:

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(1)结构试验:主要考验机械构件、调节元件、操纵机构的工作可行性。除用部件模拟试验外,主要是在整机上对全尺寸尾喷管做地面、模拟高空试验及飞行试验。

(2)性能试验:分内流试验和外流干扰试验。该实验可做缩尺模型和全尺寸部件模拟试验或整机试验。缩尺模型试验不能完全模拟真实流动和几何形状,只适于做方案对比和机理探讨。

7 整机试验

整机地面试验一般在专用的发动机地面试车台上进行,包括露天试车台和室内试车台两类。其中露天试车台又包括高架试车台和平面试车台。发动机地面室内试车台由试车间、操纵间、测力台架和试车台系统等组成。

试车间包括进气系统、排气系统和固定发动机的台架。对于喷气发动机、涡轮风扇发动机,台架应包括测力系统;对于涡轮轴和涡轮螺旋桨发动机则应包括测扭(测功)系统。试车间内要求气流速度不大于10米/秒,以免影响推力的测量精度;进排气部分力求做到表面光滑,气流流过时流动损失尽量少。

8 高空模拟试验

高空模拟试验是指在地面试验设备上,模拟飞行状态(飞行高度、飞行马赫数)和飞行姿态(攻角、侧滑角)以及环境条件对航空发动机进行稳态和瞬态的性能试验。简而言之,就是在地面人工“制造”高空飞行条件,使安装在地面上的发动机如同工作在高空一样,从而验证和考核发动机的高空飞行特性。

随着飞机飞行高度、速度的不断提高,发动机在整个飞行包线(发动机正常工作的速度和高度界限)范围内的进气温度、压力和空气流量等参数有很大变化。这些变化对发动机内部各部件的特性及其工作稳定性,对低温低压下的点火及燃烧,对发动机的推力、耗油率和自动调节均有重大影响。发动机在高空的性能与地面性能大不相同。影响发动机结构强度的最恶劣的气动、热力负荷点已不在地面静止状态条件下而是在中、低空告诉条件下,如中空的马赫数为1.2-1.5.在这种情况下,发展一台新的现代高性能航空发动机,除了要进行大量的零部件试验和地面台试验之外,还必须利用高空台进行整个飞行包线范围内各种模拟飞行状态下的部件和全台发动机试验。高空模拟试验台,就是地面上能够模拟发动机于空中飞行时的高度、速度条件的试车台,它是研制先进航空发动机必不可少的最有效的试验手段之一。

高空模拟试验的优越性有: (1)可以模拟发动的全部飞行范围

(2)可以模拟恶劣的环境条件

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(3)可以使发动机试验在更加安全的条件下进行:不用飞行员冒险试机,可以防止机毁人亡的悲剧。

(4)可以提高试验水平:测量参数可以更好的控制

(5)缩短发动机研制周期:(两周的高空模拟试验相当于300次飞行试验,而高空模拟实验仅为飞行试验的1/30~1/6)

9 环境试验

环境试验的实质是指发动机适应各种自然环境能力的考核,按通用规范,环境试验所包含的项目可以分为三类:

(1)考验外界环境对发动机工作可靠性的影响,包括:高低温起动与加速试验、环境结冰试验,腐蚀敏感性试验,吞鸟试验,外物损伤试验,吞冰试验,吾砂试验,吞大气中液态水试验等八项试验。

(2)检查发动机对环境的污染是否超过允许值,包括噪声测量和排气污染。

(3)是考核实战条件下的工作能力,包括吞如武器排烟和防核能力。在制订环境试验条件时要依据对自然环境的普查、事故累计分析、实战环境记载以及环境保护要求。 未来发动机技术的发展要求发动机具有更高的涡轮进口温度、效率和可靠性,以及更低的排放和噪声,这些都对发动机试验测试技术提出了新的挑战。随着航空发动机研制水平的深入,需要开展的试验种类和数量越来越多;需要测量的参数类型越来越多,测量范围越来越宽,测量准确度要求越来越高。现有试验测试仪器的能力与不断增长的航空发动机试验测试需求之间的矛盾日益明显,国家应有计划地开展航空发动机研制部件和整机试验所需的测试仪器的研究与开发工作,包括特种测量仪器、传感器、测试系统等,以便及时满足航空发动机研制需要。另外,研究新的试验测试方法,提升试验测试技术同样重要。

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