基本介紹
- 中文名：航空發動機試驗
- 外文名：aircraft engine test
- 類別：測試實驗
- 作用：測試發動機的性能、可靠性
背景介紹,試驗設備,地面試驗設備,高空試驗設備,飛行試驗設備,測試系統,試驗內容,發展現狀,中國發展狀況,國外發展狀況,發展需求,
背景介紹
航空發動機是一個複雜的動力裝置，主要由進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪、加力燃燒室、尾噴管、附屬檔案傳動裝置與附屬系統等組成。其內部的氣動、熱力和結構特性非常複雜，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數值。在進行發動機裝配前，需要確認每個部件的性能均滿足設計指標，同時，需要在試車台上進行試驗測試（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據，用於評價其是否滿足設計使用要求。發動機研製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、環境條件、完整性、戰鬥生存力等是否滿足發動機使用要求。據統計，一型航空發動機研製工作一般需要進行10 萬h 的部件試驗，4 萬h 的材料試驗，1 萬h 的整機試車。試驗測試技術是發展先進航空發動機的關鍵技術之一，試驗測試結果既是驗證和修改發動機設計的重要依據，也是評價發動機部件和整機性能的重要判定條件。
試驗設備
分為地面試驗設備、高空模擬試驗設備和飛行試驗設備。
地面試驗設備
供航空發動機在地麵條件下進行試驗。
地面試驗設備主要由以下幾部分組成：
① 試車間：又稱試車台，主要由安裝發動機的測力台架和進、排氣系統組成。噴氣發動機的測力台架應能精確測出推力；活塞式航空發動機、渦輪螺旋槳發動機和渦輪軸發動機的測力台架則應能精確測量扭矩。
② 操縱間：又稱控制室。發動機試驗時有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、能夠隔音並有一定防護措施的控制室，供試驗人員控制和監視發動機的工作。
③ 測試設備間：其中布置各種測試設備。
④ 試車台系統：包括控制系統、燃油控制系統、水電供應系統等。
高空試驗設備
高空模擬試驗設備的最大特點是有一個可以控制進氣條件和環境壓力、溫度等參數的高空艙。被試驗的發動機置於高空艙內，控制進氣條件和艙內壓力、溫度，即可在地面模擬發動機在不同飛行高度和飛行速度下工作的環境，測取發動機性能並考核發動機及其系統的工作可靠性。為了模擬不同進氣攻角等條件還有自由射流高空模擬設備和試驗推進系統的推進風洞, 比直接連線式高空模擬試驗設備更加龐大複雜。
飛行試驗設備
測試系統
測試系統由感測器、信號變換器、顯示或自動記錄設備等組成。它們之間可以用導線連線，有時需要採用遙測系統。發動機測試系統除有精確度要求外，還必須具有遠距離傳輸測取信息並與計算機在線上操作的能力。裝在飛機上的測試裝置，要求體積小並有承受大的過載和在各種環境條件下工作的能力。發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、轉速、推力或扭矩、應變和振動等。這些物理量分為穩態的（大小基本不隨時間變化）和動態的（大小隨時間變化）兩類。後一類參數如高頻脈動的壓力、振動、應變等，需要用高頻率回響的感測器測量，用示波器顯示或磁帶機記錄，並用動態信號處理儀進行數據處理和分析。在發動機內不宜安裝大量的感測器，因此需要利用非接觸式測量方法（如雷射、光學和 X射線）測量正在轉動的零件與靜止件間的間隙等。發動機試驗，特別是調試試驗，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先編制的程式進行自動化的數據採集和處理。
試驗內容
發動機研製
按照試驗項目設定，航空發動機通用規範中大部分研製試驗均可劃歸為可靠性試驗，均可用於發動機型號研製的可靠性綜合評估。其內容主要包括結構完整性、性能穩定性和控制系統中的軟體可靠性設計等。結構完整性保障推進系統結構設計足以滿足強度、振動、耐久性、損傷容限、包容性等要求；性能穩定性意味著持續且可靠地起動，平穩而又靈敏地加、減速，在給定功率狀態下保持穩定的推力以及無失速、熄火和燃燒不穩定等。當然，作為設計分析的基礎，在研製中還要關注材料性能試驗，充分保證基礎數據的可靠性。
零部件和系統試驗
按照發動機有關標準、規範及指南中涉及的試驗要求，發動機的零部件、系統試驗主要劃分為3 類。
（1）部件性能與穩定性驗證試驗。該類試驗指對核心機、風扇、壓氣機和渦輪等部/ 組件及控制系統等開展的試驗，包括調節能力試驗、加力燃燒室穩定性試驗，控制系統的半物理模擬試驗等，為確定部件和系統穩定性提供了依據。
（2）在正常使用環境條件下的可靠性、耐久性試驗。該類試驗是為驗證零部件在正常工作環境條件下進行的可靠性、耐久性試驗，如葉片高循環疲勞試驗、盤軸等關鍵件的低循環疲勞試驗、關鍵件的損傷容限試驗，成附屬檔案的環境和可靠性試驗等。在進行該類試驗過程中極限載荷環境的確定對驗證部件和系統的可靠性意義重大。
（3）在惡劣載荷條件下的部件安全能力試驗。該類試驗包括包容性、盤破裂、扭矩極限、承壓容器的壓力試驗等。如盤的破裂試驗一般要檢查出裂紋或破壞為止；進行滑油系統開展滑油中斷和耗損試驗以驗證在滑油耗損後能繼續在規定時間段內安全工作的能力。
整機試車和飛行試驗
全尺寸發動機試驗的目的是驗證各設計系統是否滿足發動機運行要求，以及補充驗證在部件試驗中模擬實際環境不夠充分或無法開展的項目；飛行試驗則是補充在地面和高空台無法驗證的試驗內容。整機試車、試飛項目主要包括3 類。
（1）整機性能和穩定性試驗。該類試驗包括參數測量、控制規律調整試車、轉子動力學試車、熱和壓力測量以及振動應力測量等，由此提供整機性能數據，驗證發動機的性能分析模型的正確性。驗證進氣道、壓氣機、燃燒室和渦輪的溫度極限、燃燒室和加力燃燒室的熄火極限、飛機機動包線內的畸變極限等。開展地面和高空模擬試驗，以說明並檢驗推進系統的瞬態回響特性，以及地面和高空試驗驗證起動能力等。
（2）載荷試車。該類試驗包括加速任務試驗/ 加速模擬任務耐久性試驗，以及動應力測量等，驗證發動機能夠在計畫的檢查間隔和設計使用壽命期內安全、經濟且可靠地工作。各類極限載荷環境對驗證整機可靠性具有重要意義。
（3）在惡劣載荷環境條件下的整機試車。該類試驗包括葉片飛出、包容性、超溫、吞煙等，驗證惡劣載荷對發動機的影響，即在惡劣載荷作用後的規定時間內保證飛機安全的能力。
成附屬檔案的可靠性試驗
成附屬檔案的可靠性極限/ 強化試驗實際上就是在產品研製初期，根據故障模式及失效機理分析結果，通過針對性施加強化的工作載荷，激發並暴露產品功能和結構的薄弱環節，進行故障定位、失效分析，找出失效原因，提出設計、工藝改進措施，以提高產品可靠性的方法。
整機可靠性試驗
除重要的主機零部件、成附屬檔案和系統部分專項試驗外，其他部件要在整機這個真實的環境平台上進行摸底和驗證，整機可靠性試驗是驗證發動機主機、系統承載能力和穩定性的重要環節，其方案確定對發動機可靠性的考核有著至關重要的作用。在規劃整機可靠性試驗時，需要從故障模式的角度開展試驗條件和載荷設計。發動機機械零部件和系統的故障模式包括裂紋、斷裂、磨損等，電子產品則經常發生漂移、短路、斷路等故障模式，其原因主要包括振動、溫度、環境因素（如“三防”需要）和燃油品質等。整機可靠性試車載荷譜編制中需要充分考慮振動、溫度和各類額定值。
發展現狀
中國發展狀況
經過60餘年的發展，中國航空發動機試驗測試技術取得了較大進步。
在高溫測試方面，已研製出使用溫度達1800℃的高溫熱電偶，並成功地用於燃燒室出口溫度場測試；示溫漆測溫最高可達1250℃，可用於複雜構件表面溫度場測量；已掌握1000 ℃高溫應變計測量技術，正在開展1100℃高溫應變技術研究。在氣動參數測量方面，能夠設計製造各種氣動探針，壓力探針測試可以滿足Ma=0.1～1.4的測試，並已成功用於發動機試驗中。
在動態壓力測試方面，已研製和開發出多套動態採集設備（採樣率最高200kS/s，可實現100kHz以內信號測試分析）及信號分析軟體，能夠開展大發激波測試、非定常流、畸變旋渦尺度、整機氣動極限參數、失速喘振監測、消喘等工作；能夠設計製造通用引電器及特殊結構引電器和遙測系統；葉尖間隙測量（測量範圍0.3 ～3.0 mm、感測器端面耐溫高達1400℃）、燃氣分析、非接觸葉尖振動測量技術、軸向力測量等已成功套用於發動機部件及整機試驗測試；能夠進行大規模試驗數據採集分析，試驗數據管理系統（TDM）已建成並投入使用。
國外發展狀況
西方已開發國家對發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（Propulsion Instrumentation Working Group），歐洲成立了EVI-GTI（EuropeanVirtual Institute for Gas Turbine Instrumentation），致力於研究發動機關鍵試驗測試技術和測量儀器。歐洲投資了HEATTOP（Accurate High TemperatureEngine Aero-Thermal Measurements for Gas-TurbineLife Optimization, Performance and ConditionMonitoring）計畫；美國持續實施綜合高性能渦輪發動機技術(IHPTET)、多用途經濟可承受先進燃氣渦輪發動機（VAATE）、先進燃氣輪機系統（ATS, ADVANCEDTURBINE SYSTEM）等項目。這些項目推動了先進發動機試驗測試技術的發展。
多年來，國外知名的發動機製造公司、研究機構以及專業發動機測試設備製造公司在測試技術研究方面加大投入，掌握了大量先進的測試技術，並持續推進測試技術預先研究。例如，德國MTU公司掌握1400K高溫應變測試技術，其自主開發的BSSM系統配備多個電容測頭，可同時實現葉尖間隙、葉片振動、葉片解扭角的測量以及對葉片裂紋進行監測；NASA Glenn研究中心在薄膜熱電偶、熱流計、應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備；HEATTOP計畫中已實現了在1550℃下動態壓力測量以及回響時間為0.2s時測量壁面溫度的快速回響熱電偶等技術；英國ROTADATA公司的ROTAMAP系統，利用紅外測溫技術實現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動機測試設備仍然依靠進口，在航空發動機先進測試技術研究和先進測試設備研究方面與國外尚有較大差距。
此外，一些先進發動機國家建立了完善的發動機試驗測試技術體系和標準體系。國外在20世紀70年代就編制了《AEDC-TR-73-5 Handbook, uncertaintyin gas turbine measurements》（《燃氣渦輪發動機測量不確定度指南》），至今仍然被航空發動機行業廣為引用；NASA 編制的《NASA-HDBK-8739.19-2 Measuringand Test Equipment Specifications》（《測量和試驗設備規》）、《NASA-HDBK-8739.19-3 MeasurementUncertainty Analysis Principles and Methods》（《測量不確定度分析原理與方法》）等文獻，對測量數據不確定度評定以及測量可靠性分析技術方面進行了詳細描述；ASME 出版的PTC 系列標準內容詳實、可操作性強，對發動機測試工作具有很高的參考價值，例如《ASME PTC 19.1 Test Uncertainty》（《試驗不確定度》）、《ASME PTC 19.2 Pressure Measurement》（《壓力測量》）、《ASME PTC 19.5 Flow Measurement》（《流量測量》）等；SAE也有大量與航空發動機試驗測試關聯度很高的技術標準和技術報告， 例如《SAE-AIR-4951 Test Cell Thrust Measurement》（《試車間推力測量》）、《SAE AIR 4979 Estimation Of MeasurementUncertainty In Engine Tests Based On NATOAGARD Uniform Engine Test Program》（《NATO AGARD UETP 計畫測量不確定度評估》）、《SAE AMS2750 PYROMETRY》（《高溫測量》）等。相對而言，中國在試驗測試方面的標準規範在專業覆蓋面、標準規範的細緻程度和可操作性、標準體系的關聯性及完備性等方面仍有較大差距。
發展需求
未來發動機技術的發展要求發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，這些都對發動機試驗測試技術提出了新的挑戰。新一代智慧型發動機將採用更多的主動控制技術和健康管理技術，這對感測技術提出了更高要求。
未來航空發動機試驗測試技術發展的需求主要包括：高性能測試儀器、小型感測器設計、長壽命高可靠感測器設計、嵌入式感測、高溫燃氣溫度測量及校準、高溫構件表面溫度測量及校準、塗層狀態監測、高溫氣體流量測量校準、燃油流量動態測量校準、葉尖間隙測量與校準、整機和部件應力和振動測量、遙測、噪聲測量校準分析、排放測試、滑油品質線上監測、氣路監測診斷、氣動穩定性及動態壓力測量、空氣系統測量、流場精細測量等試驗測試技術研究工作、專用測試設備校準技術及試驗測試結果的準確度提高技術等。
