航空發(fā)動機試驗

航空發(fā)動機試驗檢驗發(fā)動機性能、可靠性和耐久性實驗01試驗產(chǎn)品試驗內(nèi)容試驗設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀目錄030204基本信息航空發(fā)動機試驗是指利用專門的試驗和測試設(shè)備檢驗發(fā)動機的性能、可靠性和耐久性的實驗。全臺發(fā)動機的試驗又稱發(fā)動機試車。航空發(fā)動機的試車過程一般包括：冷運轉(zhuǎn)→慢車→起飛狀態(tài)→最大連續(xù)功率狀態(tài)→慢車→停車→冷卻。根據(jù)試車目的不同，一次試車時間在20分鐘到8小時不等。航空發(fā)動機的工作條件非?？量蹋幱诟邷?、高壓和高速轉(zhuǎn)動的工作狀態(tài)，為了提升航空發(fā)動機的性能、可靠性以及壽命等，要充分掌握航空發(fā)動機在不同工況下的溫度、壓力、腐蝕、間隙以及應(yīng)力等情況。設(shè)計計算方法發(fā)展很快，但仍不可能把發(fā)動機實際工作中可能遇到的所有復(fù)雜情況都考慮進去，因此離開試驗要研制出工作可靠、技術(shù)先進的航空發(fā)動機是不可能的。大量試驗積累的經(jīng)驗與數(shù)據(jù)是改進設(shè)計和計算方法的重要基礎(chǔ)。試驗技術(shù)同設(shè)計計算分析、制造技術(shù)一起成為研制航空發(fā)動機的三大技術(shù)支柱。試驗產(chǎn)品試驗產(chǎn)品航空發(fā)動機是一個復(fù)雜的動力裝置，主要由進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪、加力燃燒室、尾噴管、附件傳動裝置與附屬系統(tǒng)等組成。其內(nèi)部的氣動、熱力和結(jié)構(gòu)特性非常復(fù)雜，因此對其工況尚不能從計算上給予詳盡準確地描述，必須依靠試驗來獲得相關(guān)數(shù)值。在進行發(fā)動機裝配前，需要確認每個部件的性能均滿足設(shè)計指標，同時，需要在試車臺上進行試驗測試（如壓氣機的增壓比、空氣流量、喘振點，燃燒室的燃燒效率、出口溫度分布等），獲得整機的推力、單位耗油量等性能數(shù)據(jù)，用于評價其是否滿足設(shè)計使用要求。發(fā)動機研制中要進行大量的材料、零部件、整機試驗測試才能確認其性能、可適用性、環(huán)境條件、完整性、戰(zhàn)斗生存力等是否滿足發(fā)動機使用要求。據(jù)統(tǒng)計，一型航空發(fā)動機研制工作一般需要進行10萬小時的部件試驗，4萬小時的材料試驗，1萬小時的整機試車。試驗測試技術(shù)是發(fā)展先進航空發(fā)動機的關(guān)鍵技術(shù)之一，試驗測試結(jié)果既是驗證和修改發(fā)動機設(shè)計的重要依據(jù)，也是評價發(fā)動機部件和整機性能的重要判定條件。

試驗設(shè)備地面試驗設(shè)備高空試驗設(shè)備飛行試驗設(shè)備測試系統(tǒng)試驗設(shè)備地面試驗設(shè)備供航空發(fā)動機在地面條件下進行試驗。地面試驗設(shè)備主要由以下幾部分組成：①試車間：又稱試車臺，主要由安裝發(fā)動機的測力臺架和進、排氣系統(tǒng)組成。

噴氣發(fā)動機的測力臺架應(yīng)能精確測出推力；活塞式航空發(fā)動機、渦輪螺旋槳發(fā)動機和渦輪軸發(fā)動機的測力臺架則應(yīng)能精確測量扭矩。②操縱間：又稱控制室。發(fā)動機試驗時有100分貝以上的強烈噪聲，還有一定的危險性，因此需要有單獨的、能夠隔音并有一定防護措施的控制室，供試驗人員控制和監(jiān)視發(fā)動機的工作。

③測試設(shè)備間：其中布置各種測試設(shè)備。④試車臺系統(tǒng)：包括控制系統(tǒng)、燃油控制系統(tǒng)、水電供應(yīng)系統(tǒng)等。航空發(fā)動機試車臺

高空試驗設(shè)備高空模擬試驗設(shè)備的最大特點是有一個可以控制進氣條件和環(huán)境壓力、溫度等參數(shù)的高空艙。被試驗的發(fā)動機置于高空艙內(nèi)，控制進氣條件和艙內(nèi)壓力、溫度，即可在地面模擬發(fā)動機在不同飛行高度和飛行速度下工作的環(huán)境，測取發(fā)動機性能并考核發(fā)動機及其系統(tǒng)的工作可靠性。為了模擬不同進氣攻角等條件還有自由射流高空模擬設(shè)備和試驗推進系統(tǒng)的推進風(fēng)洞,比直接連接式高空模擬試驗設(shè)備更加龐大復(fù)雜。

飛行試驗設(shè)備飛行試驗設(shè)備又稱飛行試驗臺。高空模擬試驗設(shè)備不可能真實模擬所有飛行條件，因此還必須將發(fā)動機裝在飛機上進行飛行試驗。在試驗用的飛機上安裝完整的測試系統(tǒng)和記錄系統(tǒng)，有時也可以用遙測系統(tǒng)將數(shù)據(jù)發(fā)回地面。供試驗用的飛機多由大型轟炸機或運輸機改裝而成，它的優(yōu)點是可以安裝較多的測試設(shè)備，其缺點是所試飛行包線有限,試驗周期長,相對試驗費用高。由于高空模擬試驗設(shè)備和測試技術(shù)日臻完善,有取代飛行試驗臺的趨勢。尤其是超音速戰(zhàn)斗機的發(fā)動機多裝在原型機上試飛。

測試系統(tǒng)測試系統(tǒng)由傳感器、信號變換器、顯示或自動記錄設(shè)備等組成。它們之間可以用導(dǎo)線連接，有時需要采用遙測系統(tǒng)。發(fā)動機測試系統(tǒng)除有精確度要求外，還必須具有遠距離傳輸測取信息并與計算機聯(lián)機操作的能力。裝在飛機上的測試裝置，要求體積小并有承受大的過載和在各種環(huán)境條件下工作的能力。發(fā)動機試驗中被測物理量種類繁多，有壓力、溫度、氣流速度、燃油和空氣流量、轉(zhuǎn)速、推力或扭矩、應(yīng)變和振動等。這些物理量分為穩(wěn)態(tài)的（大小基本不隨時間變化）和動態(tài)的（大小隨時間變化）兩類。后一類參數(shù)如高頻脈動的壓力、振動、應(yīng)變等，需要用高頻率響應(yīng)的傳感器測量，用示波器顯示或磁帶機記錄，并用動態(tài)信號處理儀進行數(shù)據(jù)處理和分析。在發(fā)動機內(nèi)不宜安裝大量的傳感器，因此需要利用非接觸式測量方法（如激光、光學(xué)和X射線）測量正在轉(zhuǎn)動的零件與靜止件間的間隙等。發(fā)動機試驗，特別是調(diào)試試驗，輸出的信息量很大，可達1000條通道。這樣大的信息量必須利用電子計算機按預(yù)先編制的程序進行自動化的數(shù)據(jù)采集和處理。試驗內(nèi)容試驗內(nèi)容發(fā)動機研制按照試驗項目設(shè)置，航空發(fā)動機通用規(guī)范中大部分研制試驗均可劃歸為可靠性試驗，均可用于發(fā)動機型號研制的可靠性綜合評估。其內(nèi)容主要包括結(jié)構(gòu)完整性、性能穩(wěn)定性和控制系統(tǒng)中的軟件可靠性設(shè)計等。結(jié)構(gòu)完整性保障推進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計足以滿足強度、振動、耐久性、損傷容限、包容性等要求；性能穩(wěn)定性意味著持續(xù)且可靠地起動，平穩(wěn)而又靈敏地加、減速，在給定功率狀態(tài)下保持穩(wěn)定的推力以及無失速、熄火和燃燒不穩(wěn)定等。當然，作為設(shè)計分析的基礎(chǔ)，在研制中還要材料性能試驗，充分保證基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的可靠性。

零部件和系統(tǒng)試驗按照發(fā)動機有關(guān)標準、規(guī)范及指南中涉及的試驗要求，發(fā)動機的零部件、系統(tǒng)試驗主要劃分為3類。（1）部件性能與穩(wěn)定性驗證試驗。該類試驗指對核心機、風(fēng)扇、壓氣機和渦輪等部/組件及控制系統(tǒng)等開展的試驗，包括調(diào)節(jié)能力試驗、加力燃燒室穩(wěn)定性試驗，控制系統(tǒng)的半物理模擬試驗等，為確定部件和系統(tǒng)穩(wěn)定性提供了依據(jù)。

（2）在正常使用環(huán)境條件下的可靠性、耐久性試驗。發(fā)展現(xiàn)狀中國發(fā)展發(fā)展需求國外發(fā)展發(fā)展現(xiàn)狀中國發(fā)展經(jīng)過60余年的發(fā)展，中國航空發(fā)動機試驗測試技術(shù)取得了較大進步。在高溫測試方面，已研制出使用溫度達1800℃的高溫?zé)犭娕迹⒊晒Φ赜糜谌紵页隹跍囟葓鰷y試；示溫漆測溫最高可達1250℃，可用于復(fù)雜構(gòu)件表面溫度場測量；已掌握1000℃高溫應(yīng)變計測量技術(shù)，正在開展1100℃高溫應(yīng)變技術(shù)研究。在氣動參數(shù)測量方面，能夠設(shè)計制造各種氣動探針，壓力探針測試可以滿足Ma=0.1～1.4的測試，并已成功用于發(fā)動機試驗中。

在動態(tài)壓力測試方面，已研制和開發(fā)出多套動態(tài)采集設(shè)備（采樣率最高200kS/s，可實現(xiàn)100kHz以內(nèi)信號測試分析）及信號分析軟件，能夠開展大發(fā)激波測試、非定常流、畸變旋渦尺度、整機氣動極限參數(shù)、失速喘振監(jiān)測、消喘等工作；能夠設(shè)計制造通用引電器及特殊結(jié)構(gòu)引電器和遙測系統(tǒng)；葉尖間隙測量（測量范圍0.3～3.0mm、傳感器端面耐溫高達1400℃）、燃氣分析、非接觸葉尖振動測量技術(shù)、軸向力測量等已成功應(yīng)用于發(fā)動機部件及整機試驗測試；能夠進行大規(guī)模試驗數(shù)據(jù)采集分析，試驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（TDM）已建成并投入使用。

國外發(fā)展西方發(fā)達國家對發(fā)動機試驗測試工作非常重視，美國成立了推進儀表工作組PIWG（PropulsionInstrumentationWorkingGroup），歐洲成立了EVI-GTI（EuropeanVirtualInstituteforGasTurbineInstrumentation），致力于研究發(fā)動機關(guān)鍵試驗測試技術(shù)和測量儀器。歐洲投資了HEATTOP（AccurateHighTemperatureEngineAero-ThermalMeasurementsforGas-TurbineLifeOptimization,PerformanceandConditionMonitoring）計劃；美國持續(xù)實施綜合高性能渦輪發(fā)動機技術(shù)(IHPTET)、多用途經(jīng)濟可承受先進燃氣渦輪發(fā)動機（VAATE）、先進燃氣輪機系統(tǒng)（ATS,ADVANCEDTURBINESYSTEM）等項目。這些項目推動了先進發(fā)動機試驗測試技術(shù)的發(fā)展。

多年來，國外知名的發(fā)動機制造公司、研究機構(gòu)以及專業(yè)發(fā)動機測試設(shè)備制造公司在測試技術(shù)研究方面加大投入，掌握了大量先進的測試技術(shù)，并持續(xù)推進測試技術(shù)預(yù)先研究。例如，德國MTU公司掌握1400K高溫應(yīng)變測試技術(shù)，其自主開發(fā)的BSSM系統(tǒng)配備多個電容測頭，可同時實現(xiàn)葉尖間隙、葉片振動、葉片解扭角的測量以及對葉片裂紋進行監(jiān)測；NASAGlenn研究中心在薄膜熱電偶、熱流計、應(yīng)變計方面開展了大量研究；Vibro-Meter公司推出了可測量高壓渦輪的微波葉尖間隙測量設(shè)備；HEATTOP計劃中已實現(xiàn)了在1550℃下動態(tài)壓力測量以及響應(yīng)時間為0.2s時測量壁面溫度的快速響應(yīng)熱電偶等技術(shù)；英國ROTADATA公司的ROTAMAP系統(tǒng)，利用紅外測溫技術(shù)實現(xiàn)了對測量渦輪葉片表面溫度場的測量。目前中國很多高端發(fā)動機測試設(shè)備仍然依靠進口，在航空發(fā)動機先進測試技術(shù)研究和先進測試設(shè)備研究方面與國外尚有較大差距。

此外，一些先進發(fā)動機國家建立了完善的發(fā)動機試驗測試技術(shù)體系和標準體系。發(fā)展需求未來發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展要求發(fā)動機具有更高的渦輪進口溫度、效率和可靠性，以及更低的排放和噪聲，這些都對發(fā)動機試驗測試技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。新一代智能發(fā)動機將采用更多的主動控制技術(shù)和健康管理技術(shù)，這對傳感技術(shù)提出了更高要求。

未來航空發(fā)動機試驗測試技術(shù)發(fā)展的需求主要包括：高性能測試儀器、小