03.03 航空发动机在正式使用之前是如何进行测试的?

陈瑭


航空发动机作为工业皇冠上的明珠,其测试试验更是贯穿了从设计制造到安装使用的整个过程,不仅项目繁多、耗资不菲,而且有些测试项目看起来还相当暴力,那么今天我们就来看看航发服役前都是怎么进行测试的:

航空发动机测试试验分类

航空发动机试验的分类标准多种多样,有根据研究目的分类,有根据研究阶段的分类,有根据研究对象的分类等。根据测试目的分为:科学研究试验(研究发动机及其部件和附件的一般特性)、研制试验(制中的航空发动机需要经过长时间的试车,以便调整性能,考验可靠性和耐久性,并最终鉴定它是否符合型号规范)、批生产发动机试车(在地面试车台上进行两种试车:工厂试车和检验试车)。同时,也还可以研究设备和研究对象为标准,将航空发动机试验分为五大类:a、零部件试验;b、整机地面试验;c、整机高空模拟试验;d、环境与吞咽试验;e、飞行试验。

航空发动机的各种极端试验

航空发动机可以吸入空气,但除此之外,要经受其他东西的考验,比如飞鸟和坏的天气下的雨水、结冰、冰雹等,为了确保安全性,要能耐受各种极端条件下的测试。此外还要测试恶劣工况下,发动机发生故障后产生的极端后果,如叶片甩出试验等。

所有军用和民用航空发动机都要经过吞水试验,以检验发动机运转情况下,在遭遇大雨或起飞时地面积水进入发动机后,发动机的工作效果。如上面两幅动图所示,美国通用GEnx发动机在进行全推力运转条件下,每分钟喷入800加仑(3640升)水而不熄火的吞水试验。

上图为模拟吞入冰雹试验,要求发动机在正常运转条件下,耐受高尔夫球大小的冰雹碰撞试验。同理还要进行撞鸟测试,自2009年后,航空发动机生产商都会安排利用“小鸡炮”射击运转中的航空发动机以验证发动机的耐鸟撞性能。

至于最暴力的测试则非“叶片甩出”试验莫属,在高达3000转每分钟的转速下,一片叶片被甩出来,叶片如同榴霰弹一横扫其它部分,看看影响。 为了进行这种试验,工程师们在叶片底部进行了一次小爆炸,让叶片飞离。这种试验不仅暴力,而且及其昂贵,不说造一台航发多少钱了,要知道LEAP 1-B发动机,采用碳纤维复合材料风扇叶片,钛合金低压压气机叶片,每个叶片的价格就高达数十万元。所以研制航空发动机不仅仅考验一个国家的工业实力、设计水平,也是赤裸裸的“烧钱游戏”,一般国家真是无力承担。

好的航空发动机不是设计和制造出来的,而是试验出来的

据统计,一种新型发动机的研制,往往需要完成上万小时的整机试验和十万小时左右的零部件试验,以美国通用公司的GE90航空发动机为例,该机仅零部件就有15,000-20,000个,大量测试所耗费的时间和成本是难以想象的,所以技术积累和资本在发动机领域相当重要,而相比于设计和制造技术而言,试验技术对于高性能航空发动机的研制来说更加举足轻重。

在发动机测试领域,试车台是进行发动机性能测试的主要硬件设备,一般说来,航空发动机试车台主要分为三种,即地面试车台、高空试车台和飞行试车台。

1、地面试车台用于在地面条件下进行发动机试验,主要用于调整发动机性能,验证可靠性和耐久性等,并最终鉴定发动机是否符合型号规范。

2、高空试车台是在地面建造一个与飞行状态相当的环境(气流的压力、温度和方向),把发动机装在里面进行试车,以模拟飞行状态(飞行高度、飞行马赫数)和飞行姿态(飞机迎角、侧滑角)对发动机性能的影响。

高空试车台的设计建造花费也是相当不菲,例如美国在80年代投资6.5亿美元,耗费10年苦工建成了当时世界上最大的航空发动机高空试车台(AST).苏联也曾在80年代末计划建造特大型高空试验台,但是终因苏联解体无果而终,日本、印度等国也都相继耗资10亿美元开始建造自己的高空试车台。

3、飞行试车台用以完全模拟实际的飞行条件,一般由大型运输机或轰炸机改装而成。利用大型飞机的多发动机特性,将其中一台或两台发动机换装为需要测试的发动机,然后飞行到高空进行飞行试验,已测试发动机的实际性能。

看上图,这是美国GE公司的B747-121飞行测试平台(飞行试车台),其图中右边内侧发动机明显与其他三台发动机外形尺寸不同,这台发动机就是正在进行飞行测试。一般一架大型飞机改装为飞行测试平台,不仅要对内部舱室的设备进行换装,还要机翼安装测试发动机位置安装特殊设备、改装数据系统等。美国这架飞行试车台,不仅测试过GE90、GEnx、CFM56等发动机,还为法国斯奈克玛、日本石川岛播磨、意大利菲亚特等公司测试过发动机,累计测试过11种发动机39种型号。

总体来说,航空发动机测试从头到尾是一项繁琐的大工程,对于技术、人员、设备、资金都有诸多要求,航发研制之路有多难,可见一斑。


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