美_英航空发动机部分特种地面试验简介

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2008年第1No.1,2008(总第101期)DAZHONGKEJI(CumulativelyNo.101

美、英航空发动机部分特种地面试验简介
宋双杰,张玉莲
(西安航空职业技术学院,陕西西安710089

【摘要】实践证明,没有大量的试验工作要想研制出先进的航空发动机几乎是不可能的。如果说设计发动机时某些参数可以通过计算获取,那么发动机进入外来物、进口结冰及压气机叶片折断对发动机所造成的破坏程度则必须以试验来验证,文章主要介绍了英国和美国在发动机研制中所进行的一些特种试验项目和试验方法,这些方法对航空学院的学生学好《发动机试验》课具有一定的参考意义。
【关键词】航空发动机;特种试验;设备【中图分类号】V23

【文献标识码】A【文章编号】1008-1151(200801-0112-03
入的空气是未经冷却的空气,也不符合发动机实际使用的低
温起动的情况。
美国普拉特·惠特尼公司和通用电气公司采用了与罗·公司完全不同的冷起动试验方式。这就是把带短舱的发动机(短舱与发动机实际使用的短舱相同安装在飞行试验台上飞往能进行低温起动试验的高寒地区(如阿拉斯加),停放在机场,等待发动机温度降低至试验所要求的温度,然后起动发动机,考核发动机的低温起动性能。
这种试验方法的优点是可以利用飞行试验台试飞过程中的间歇完成试验而不需对飞行试验台进行专门的改造,也不用建设专门的冷起动试验台,从而节约了试验经费。另外,这种方法更接近发动机实际使用中的冷起动情况,试验结果更可靠。
从以上情况来看,试验方法的选择与一个国家的具体情况有关。罗·罗公司建立冷起动试车台是因为英国地域狭小,国内很难有高寒区,要以飞行试验台的方式进行试验就得进跨国飞行,这是极不合算的,而美国的阿拉斯加地域辽阔,常年都有高寒区,用飞行试验台做此类试验合适得多。
(一)发动机冷起动试验
通常在低温条件下,发动机起动可靠性差。这是因为在低温下发动机阻力矩和燃料粘性都增加的缘故。燃料粘性增加导致其分布和蒸发变差,使得点火困难。另外,采用蓄电池为起动电源的起动机,由于低温使得电池内阻增加,引起起动机的输入电压降低而功率减小,导致发动机起动缓慢、起动时间增长甚至起动失败。
进行发动机冷起动试验的目的在于对发动机冷悬挂边界进行研究,以确定起动供油装置的最佳调节,提高发动机在低温环境条件下的起动成功率。为了完成发动机冷起动试验,英国罗.罗公司专门设计制造了一个发动机冷起动试车台。车台内部结构与一般试车台完全相同,不同的是这个车台用一个钢结构的房屋包覆起来,房屋分两部分:一部分固定在地面;另一部分可沿预埋在地面的导轨沿发动机轴线方向移动。房屋的墙壁屋顶均装有保温材料。
试验前,先把发动机安装在发动机试车台架上并连接好各种必要的管、线,然后沿导轨移动房屋的活动部分与房屋的固定部分贴合并以连接件固定。这样,发动机就被包覆在一个密闭的房间内而与外界大气隔绝。为了使发动机的温度降低至型号规范规定的冷起动温度,通过管路向屋内不断地充液态氮,液态氮气化时使屋内温度逐步下降,气化的氮由房屋专设的排气管排出屋外,同时通过预先安装的测温装置测量发动机选定点(如轴承处的温度。当选定点的温度降至所要求的温度时,迅速移开房屋的活动部分,打开发动机排气口堵盖,并立即起动发动机,检查发动机的低温起动可靠性,并根据试验情况来确定是否对发动机起动系统进行更改设计或改进。
这种试验方法具有试验场地固定、设备费用低、试验人员免受风霜之苦等优点,但也有其缺点。我们知道,发动机在飞机上的位置对发动机的起动性能有较大的影响,飞机进气道中的压力损失减少了发动机的空气流量,这将导致压气机工作裕度的降低,也直接影响发动机机的起动性能,但这种试验是把发动机安装在车台上,安装的是气动损失较小的喇叭型双曲线进气道,因而不能真实地模拟发动机安装在飞机上的情况,给试验带来一定的误差。另外试验时发动机吸
(二)发动机X射线试验
航空发动机是一种很复杂的热机,其零部件是在极其复杂的(高温、高压、高速旋转及高振动)条件下工作的。另外,设计者为了保证发动机的最小质量,往往在设计零部件时不得不限定最小的强度和刚度储备量,而这种储备量是否足够则要在发动机的所有工作条件下通过试验验证,特别是在载荷作用下,发动机内部间隙的变化、压气机和涡轮叶片变形及滑油管路中的流动情况等都是难以用计算方法获得的。只有弄清了以上情况,才可以设计出质量更轻且强度和刚度满足发动机各种工作条件的零部件。
我们知道,为了保证涡轮和压气机有较高的效率,就必须保持较小的叶尖间隙。要保证良好的叶尖间隙,除要求发动机基本几何尺寸稳定外,稳态和瞬态的热协调性也是至关重要的。要弄清以上情况,就必须寻找出一种有效的试验手段和方法。
罗·罗公司首创了用高能X射线穿透发动机不透明机匣来研究在工作或不工作情况下发动机内部间隙的变化,零、
【收稿日期】2007-11-23
【作者简介】宋双杰(1961-),男,西安航空职业技术学院航空工程系工程师/讲师,主要研究方向航空机电设备维修。-112-

部件变形量、各热部件间的热协调性及各润滑点滑油流动情况的先进试验设备。
X射线透视设备主要用于室内试车台上。被试发动机安装于试车台架上,高能X射线发射机安装在发动机侧面位于控制室的一侧,在发动机运转或不运转的情况下,高能X射线机发出的X射线均能穿透发动机机匣并拍下发动机内部情况的底片。技术人员根据底片分析发动机间隙变化、叶片变形量、各部件间的热协调性及各润滑点滑油流动情况的数据,根据这些数据,设计人员即可设计出更合理的发动机零部件来。这种设备的测量准确度是极高,对小发动机来说,几何尺寸测量精度可达76.2μm;对大发动机来说,可达508μm。这种设备70年代和80年代曾在西方各发动机公司的发动机研制发展中起过重要的作用,至今罗.罗公司仍在继续使用。但分析工作是一项极其复杂的技术工作,其工作量相当大,且必须要由具有相当丰富经验的专家来承担。高能X射线极具穿透能力,要求很严密的防护设施,试验时厂房周围不许有行人,稍有不慎即会造成人身伤亡事故。所以,普拉特·特尼公司和通用电气公司已改用更安全、更有效的主动间隙控制技术代替这种设备来完成以上工作。
(三)包容试验
燃气涡轮发动机的使用经验证明,具有足够安全系数的发动机零、部件在使用过程中也可能发生意外,如发动机进入外来物就可能造成压气机或涡轮叶片断裂,断裂的叶片很可能击穿发动机机匣飞出而引起飞机或其它发动机的二次破坏。在民航飞机上,如果有一台发动机发生故障或停车,其它发动机产生的推力或拉力是能够保证飞机安全飞行到目的地的,但—台发动机断裂的叶片击穿机匣飞出造成二次破坏就可能威胁飞机的安全飞行。所以,对燃气涡轮发动机,特别是对民用燃气涡轮发动机来说,在研制和定型时都要求进行压气机和涡轮叶片断裂后果的验证,即发动机包容试验。其目的是验证叶片断裂时机匣的包容能力。
一级压气机叶片和高温高速旋转的涡轮叶片是最有可能断裂的元件。试验一般都是在地面试车台上进行的。具体的做法一般有两种,一种是预先在叶片根部切口,切口尺寸是根据叶片在起飞状态时叶片的离心力来计算的。但这种计算值是很不准确的,因为除离心力外,叶片还承受着热负荷和气动载荷,这是很难计算的。因此,为了避免在未进入起飞状态叶片就折断的情况发生,第一次切口尺寸应小些。切口叶片安装在发动机上并在起飞状态下工作,如果叶片不折断,则取下叶片加大切口,重复以上工作,直至叶片折断为止。试验结束后检查机匣的包容性并对其拍照。
另一种方法是在发动机叶片根部预先安装微型爆破装置,在发动机进入试验状态后以遥控方法引爆爆破装置从根部炸断叶片。
试验都是在有防护装置的地面试车台上进行的,防护装置由多层相间隔的钢板组成,根据叶片飞出后对各层钢板的损伤情况,即可大概估算出应该加强发动机机匣的程度。
发动机吞冰试验一般有两种形式:一种是吞冰雹试验,模拟发动机在飞行中突然遇到降雹的情况;另一种是吞冰块试验,模拟进气道积聚了大量的冰层而突然脱落被发动机吸入的情况。最近波音777飞机所采用的Trant800、GE90PW4084发动机还进行了冰雹风暴试验,模拟冰雹在暴风挟持下连续不断撞入发动机进口的情况。这些试验都是在地面露天试车台上进行的。试验前把发动机装在试车台上,在发动机进口前方安装吞冰试验用的设备,在发动机按预定状态工作的情况下,把冰雹或冰块抛入发动机来考核冰雹、冰块对发动机工作的影响程度。试验时主要测量发动机的功率损失及其恢复时间并观察发动机破坏的程度。
吞冰雹试验用的设备是一种特殊的多管气枪,气枪的每个枪管中安装一个型号规范要求尺寸的冰雹,枪管的个数是由一次试验射入发动机的冰雹个数决定的。冰雹的比重为0.8~0.9,其一次吞入的数量是按发动机进气面积来计算的,小于
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645cm进气面积为一个直径2.54cm的冰雹,大于645cm时,
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967.5cm为一个2.54cm和一个5.08cm的冰雹。冰雹撞入发动机的速度是型号规范给定的,可以调整气枪的压力来保证要求的速度。这种气枪可以齐放,也可以按程序控制发射。吞冰块试验是模拟发动机防冰系统滞后2min打开时,在进气整流罩和发动机正面最大冰积聚脱落的情况。试验不要求冰块的吞入速度,冰块被自然吸入,其设备也很简单。这种试验所使用的冰块尺寸较大,所以试验具有更大的危险性。尽管许多型号的发动机都进行了这种试验,但由于无法保证冰块进入发动机时的完整性(即冰块进入发动机与叶片接触之前已经破碎而丧失了原来的意义。
冰雹风暴试验是模拟飞机在飞行中可能遇到暴风挟持大量冰雹撞入发动机的情况。冰雹尺寸为1.27cm(直径,试验持续时间为30s。这种试验只在波音777飞机所使用的三种型号的发动机上进行过并且都顺利地通过了试验。
(五)吞鸟试验
近年来随着国际民航事业的迅速发展、飞机飞行的频繁程度、飞行速度的不断提高、发动机迎风面积的不断增加及新航线的开辟,使飞机与鸟相撞的事故与日俱增。根据大量飞行事故统计分析,每万次飞行中就有6~8次鸟撞击飞机的事故发生,而这种事故的37%是鸟撞入发动机造成的。据美国空军统计,单美国空军每年因鸟撞造成的经济损失就达千万美元之多,因鸟撞造成的一等事故也时有发生。
鸟撞入飞行中的发动机危害极大,发动机吞入中等鸟类时会导致压气机损坏及发动机停车,吞入一群小鸟会引起推力下降,吞入1.8kg以上的大鸟可能使发动机结构完整性遭到严重破坏。
试验一般都是在整台发动机上进行。试验时发动机安装在周围有防护设施的地面露天试车台上,在发动机正前方安装投鸟设备,发动机进入试验状态后,由投鸟设备把要求质量的鸟按预定的速度投进发动机进气口。试验用的鸟的质量、速度、数量及撞击部位是由型号规范给定的。试验用的鸟应是试验前刚捕杀的新鲜鸟,因为僵硬的鸟在试验时可能会对发动机产生附加破坏而造成发动机更严重的破坏。试验一般分小鸟、中鸟和大鸟三种。中、小鸟试验是模拟遭遇群鸟群时发动机的生存能力。中鸟质量一般为680g,吞入的数量决定于发动机进气面积,每1940cm2一只,一次试验最多吞入8只。小鸟质量一般85g,320cm2一只,一次试验最多16只。大乌质量为1800g,一次试验最多一只。
(四)吞冰试验
吞冰试验是航空发动机军用规范和民航适航性要求规定的试验项目之一。目的是评定发动机在模拟降雹的气象条件下发动机的使用性能和抗冰雹冲击的能力,验证发动机在可能降雹环境下。冰雹碰撞对发动机的影响及后果。这种试验都是在整台发动机上进行的。

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投鸟设备多采用单管或多管空气炮,其工作原理都是压缩空气膨胀做功使鸟获得速度的。设备由压缩空气罐、炮管、导向密封套和控制机构组成。在压缩空气罐充入一定压力的压缩空气时,操纵控制机构打开,压缩空气由气罐泄入炮管,推动鸟沿炮管一路加速前进,在炮管出口处达到最高速度撞入发动机。在压缩空气罐容积、炮管内径和长度及鸟的质量一定的情况下,鸟的飞行速度与压缩空气罐内压缩空气的压力是一个单值函数关系,即:
速度=fp
f:为常数,是由气罐容积、炮管内径和长度、鸟的质量、摩擦阻力及漏气损失等因素决定的;
p:是气罐内压缩空气的压力.由于摩擦阻力和漏气损失很难用计算方法计算,所以必须通过大量的实验来确定常数f。
导向密封套的作用一是减少漏气损失,二是保证装入炮管的所有的鸟在外形上的一致,也从而保证鸟在炮管内运动时摩擦阻力相同,以达到鸟飞行速度稳定的目的。导向密封套由质地极轻的硬泡沫塑料压制而成,试验时,在炮管前方设置一个尼龙网把导向密封套拦截下来以免其进入发动机。
控制机构由两个钢结构的圆环之间夹一层尼龙薄膜构成。尼龙薄膜上装有微型雷管,试验时,只要给雷管通电,雷管爆炸时把尼龙薄膜撕成碎片,压缩空气即泄入炮管。鸟速一般采用激光测速仪或高速摄影机来测量。为了保持生态平衡,避免捕杀大量的鸟类,试验可以用模拟鸟进行.模拟鸟多用一种特殊的塑料橡胶材料制作,使用这种鸟须征得空军或民航当局的认可,大鸟可用鸡来代替。试验过程中主要测量发动机的功率及振动值变化。试验后要分解发动机,检查零部件的破坏情况,并依据试验决定是否对发动机零部件进行更改设计。
实际上,要完全排除发动机吞入鸟类是不可能的,人们能做的工作只是减少鸟撞击发动机的概率及把鸟撞击发动机的危害减到最低程度。根据这种情况,英、美在发动机设计制造中采取了以下四个方面的措施:设计制造防止鸟撞入发动机进口的专用装置,即发动机防鸟撞装置;研制减少鸟撞概率的新型进气道;采用乌撞后确保发动机恢复正常工作状态的措施;研制在结构上足以抵抗鸟破坏的发动机零部件。
贴在机匣上的应变片的变形量来测量的。
设备—般由布置在发动机正前方的多个喷嘴、导管、电动阀门、流量计、水泵及水箱组成。水箱的贮水量要满足一次试验用水,水滴的大小是由喷嘴的结构及水泵的供水压力来保证的,喷水量是由电动阀门开度及水泵的供水压力调节的,电动阀用来调节供水压力。规范规定,供水的三分之二应在发动机进口下部三分之一的扇形面内,所以喷嘴也是按这一原则排列的。
还有一种发动机吞水试验方法,即在机场跑道上设置一条水槽,槽内注入大量的水,飞机以起飞速度在水槽内滑行,起落架前轮在滑行中把水槽中的水由发动机进气流带入发动机进口,以模拟飞机在起飞、着陆时跑道上因降雨而积存了大量的雨水的情况。这种方法真实地模拟了降雨时飞机起飞、着陆吞入雨水的情况,但不能模拟飞行中发动机吞入雨水的情况。
(七)防冰试验
飞机在宽广的大气温度、飞行高度和速度范围内飞行,特别是在存在过冷水滴、冰晶及雪花的大气层中飞行时,发动机的零部件、特别是进气部件前缘很可能发生结冰现象。
结冰对发动机的正常工作是极其有害的,发动机进气系统结冰会改变气流通道的形状,减少发动机进气面积,甚至使气流分离,引起压气机不稳定工作,在发动机和飞机振动的作用下,结冰层可能会脱落进入压气机而损伤发动机零部件造成机械事故;压气机转子叶片结冰会改变叶型而使叶片偏离设计状态工作,导致气流分离而使压气机失速。为了防止以上情况发生,燃气涡轮发动机都设计有防冰系统。
英、美一般采用以下几种方法进行发动机防冰系统试验:一种是把发动机安装在飞行试验台上飞往具有使发动机结冰的气象条件空域进行防冰试验,或在被试发动机前面安装喷水雾化装置并在预定气温的大气中模拟能使发动机结冰的过冷云雾以考核防冰系统的防冰能力;第二种方法是用一架飞机改装成喷雾机,喷雾机能够喷出使飞行中的发动机进口结冰的云团,被试发动机安装在试验机上并尾随在喷雾机之后进行防冰试验,试验也要选择适当的大气条件进行;第三种是在自然结冰条件下进行防冰试验(新机防冰系统合格审定前要求进行这种试验,此时发动机装在原型机上并在规定的结冰状态下验证防冰系统的性能,由于很难遇到完全符合规范规定的设计状态云层,一般只能在近似的气象条件下进行,然后根据结果推算出防冰系统的工作能力(这种试验要寻找结冰条件、要选择地理范围和季节、要观察气象云图以确定风速、风向、云层及大气温度,是一项周期较长且很复杂的技术工作;第四种就是在海平面试车台上进行防冰系统的符合性试验,试验时发动机安装在试车台上,在发动机前方安装喷水雾化设备,喷水雾化设备喷出的雾的平均水滴直径应不大于20μm,发动机进口空气含水量应不小于0.3g/m3验时的大气温度应在一9℃~1℃之间,试验时主要监视发动机排气温度来判断防冰系统的工作能力。喷水雾化设备的喷咀一般都安装在侧风装置的排气口与发动机进口之间的支架上,喷嘴喷出的雾由侧风装置排出的风送往发动机进口。

(六)吞水试验
吞水试验是模拟飞行中发动机吸入雨水后,发动机工作情况变化的试验。规范一般要求发动机吞入大量雨水后其功率不应明显降低,排气温度不应明显增加,发动机不应进入不稳定工作状态,更不应出现有危险的机械损伤。
雨水进入正在工作的发动机可能引起许多不良的影响。雨水进入压气机后在离心力的作用下甩向压气机机匣壁面,可能会使正在较高温度下工作的机匣因突然冷却而收缩,导致高速旋转的压气机叶片与机匣间间隙减少而发生摩擦,损伤机匣及转子叶片:雨水进入滑油系统可能会导致轴承故障;雨水随着气流进入气压调节器系统可能造成调节元件锈蚀或结冰,使调节元件丧失调节功能;另外,雨水也可能使某些热端元件骤然受冷翘曲而发生永久变形。
试验条件一般为水的质量至少应为发动机空气流量的4%,水应成滴状,发动机工作状态—般为起飞、降落、慢车等,每种状态吞水3min,水由发动机自然吸入。试验是在发动机整机上进行的。试验时发动机安装在地面试车台上,在发动机进口前安装喷水设备,在发动机进入工作状态后打开喷水设备向发动机进口喷水,试验过程中要测量发动机功率、排气温度、转速及压气机机匣收缩量。机匣收缩量是由预先-114-
【参考文献】
[1]赴英、美考察的情况汇报.中国航空工业总公司飞机局.[2]Э.Л.索洛欣.航空空气喷气发动机试验[M].国防工业出版
社,1982.7.

本文来源:https://www.2haoxitong.net/k/doc/6b158ce1524de518964b7dd6.html

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