陈光/文
BR710是宝马-罗·罗公司为远程公务机研制的高涵道比涡扇发动机,是该公司研制的BR700系列发动机中第一个型别。该发动机分别于1996年8月和9月取得用于“湾流”V公务机的JAA与FAA适航证,以该发动机为动力的“湾流”V于1996年12月投入使用。
从公司成立(1990年7月)到第一个型别投入使用,历时仅6.5年,发展速度是快的,发展途径是成功的。这些归功于:公司成功地研制了一台既先进又有发展潜力的核心机;广泛采用了罗·罗公司研制发动机的经验和技术;研制中完成大量试验等。
BR7l0的研制工作经历了几个阶段,其核心机研制于1991年初启动,于1993年8月开始台架试车,1995年11月BR7l0开始装在“湾流”V上试飞。
发展一种新的飞机和它的发动机,从研制开始就应将研制工作紧密与适航要求结合起来,以使研制的产品不仅满足研制国而且也必须满足产品使用者所在国的适航性规定要求。据此,BR7l0从研制开始,公司就制定了“型号取证研究计划”,它是基于欧洲JAA的JAR-E、美国FAA的FAR33部和加拿大运输部 TCA的规章(类似 FAR33部)等适航规章的要求而制定的。
在这个计划中,包括4项内容,即零组件发展计划、核心机发展计划、发动机发展计划和飞行试验计划,以使发动机能全面符合适航规章要求。在这些计划中,大多数内容是通过试验来完成的,也有的是通过计算、分析或与类似发动机和部件取证所做的工作进行对比与分析而达到的。
在完成此计划过程中,共进行过133项组件和发动机取证试验,其中有些重要试验在试验前其试验计划必须得到FAA、JAA的审批,有些试验还需有JAA小组在场监督下进行,属于这种重要项目的有:在整台发动机上进行的150h持久试车、吞入中等鸟与雨水及冰雹的试验、低温条件下的启动试车与风扇叶片脱开即包容试验;在高空试车台上进行结冰条件下的试车;在部件试验台上进行的试验项目有吞入大鸟(1.8kg)的试验,第二级高压涡轮工作叶片脱开试验,FADEC电击与高强度辐射条件下的试验以及电子式发动机调节器在超温与外壳着火条件下的试验等。
在完成上述所有工作后,编写了175份JARE专题报告并得到适航当局的批准,最终使BR7l0获得JAA的型号适航审定合格证。
在发动机取证过程中,宝马 罗·罗公司还与飞机研制厂商保持密切联系,并配合飞机取证进行必要的工作。飞机取证是根据JAR 25部和FAR25部的规定进行的,为此,发动机进行了一些必要的地面与空中试验以及数据分析工作。
这项计划包括各个零组件和发动机单元体,涉及气动、机械与热力等各方面的实验室与试验台的试验,这些试验是发展并验证零组件或发动机单元体设计所必需的,具体有:零组件的效率、强度与振动,重要零组件的完整性,抗外来物损伤,叶片与轴的疲劳,倾斜与机动载荷的影响,防火能力,系统的完整性等。
并非所有试验均能获得成功,试验失败,表明原设计还存在某些缺陷,这要求改进原设计,如原设计的风扇叶片在包容性试验中,风扇的包容环出现环状破裂,通过修改原设计,即在包容环外加了钢制的加强环带。在随后的整台发动机风扇叶片脱开试验中获得成功,说明所做设计改动是合适的。
核心机发展计划于1991年启动,用两台核心机进行试验,主要零组件上均装有测试感头,以测定其气动、热力与机械特性,以及各工作叶片、轮盘与静子叶片在稳态与过渡态条件下的应力与温度。除进行了大量的性能与操纵性试车外,还完成了超过3000次的“最小 最大 最小”循环的耐久性试验。所有试验验证了该核心机能符合全部BR700系列发动机的要求。
在BR710投入使用后,此计划仍在进行中,以进一步提高发动机性能、耐久性和可靠性。公司还将对可能采用的新技术,如整体叶盘、复合材料的可调静叶与低排污的分区燃烧室等进行大量试验。
此计划始于1994年9月第一台发动机试车,共用了8台装有测试感头的发动机,每台发动机均进行了6次以上的分解和重装,以考核该发动机硬件在海平面和高空试车台试车后的完整性。截至1997年2月,累计试车时间已超过4000h和11300循环,包括4次150h持久试验、2000循环初次维修检查试验、吞雨水与冰雹的试验、中鸟(每只重0.68kg)撞击试验以及风扇叶片脱开试验等。
吞雨水试验
验证发动机在最大起飞和着陆慢车状态下吞入雨水的符合性,最关键的飞行状态是飞机着陆穿过6000m高度时,此时,水气比最高。吞水试验是在地面试车台上进行的,在进气口前方安装多喷嘴的喷水装置。在最大起飞状态下吞雨水3 min,吞水量为27619L/h(升/小时),相当于发动机吸气量的4.5%,吞水后发动机减速到地面慢车状态,发动机推力损失仅为3.8%。在着陆慢车状态下,吞水3min,吞水量为75848L/h(升/小时),随后,将发动机加速到部分推力状态,发动机在试验中未出现喘振,加速时间符合要求。试验后的检查表明,磁性屑末检测器干净,滑油中水的含量稍增加,发动机性能稍有恶化。
图1、吞冰雹试验的试车台全景
吞冰雹试验
验证在着陆慢车状态下吞入冰雹的符合性。最关键的飞行状态是在慢车状态下穿过4570m高度着陆时,此时,冰水含量和水汽比最高。模拟的条件为:冰块吞入速度为130m/s。冰雹流入核心机的量为1.58kg/s,冰块用以20个大气压的压缩空气作动力的压缩空气炮发射。发动机在慢车状态下吞冰雹30s,随后在6s内加速到部分推力,保持吞冰量在10s内不变,最后停止吞冰块并减速到慢车状态。在加速和减速中,未发现发动机喘振或熄火现象。
试验后的检查表明,风扇叶片、前进气锥、风扇出口导流叶片与高压压气机进口导流叶片等状况良好,用孔探仪检查高压压气机前后端,未发现冰块撞击或打伤的迹象,发动机性能也无明显的恶化。滑油中水含量在试验后没有增加。图1示出了 BR710正准备进行吞冰雹试验的试车台全景。
中等鸟撞击试验
用4只每只重0.68kg的中等鸟,在1s内以304km/h的速度射向发动机。试验是在海平面和发动机最大起飞状态下进行的,吞鸟后发动机推力损失6%(要求不低于25%),随后的20min内完成JAR(E)规章中规定的试车程序,并满足加速和减速时间要求。试验后,风扇转子无金属掉落,发动机其他零部件只有小的损伤。
风扇叶片脱开试验
也称包容试验。这是一项耗费大和具有一定危险的试验,以考核当发动机在最大状态下工作时,一片风扇叶片由叶根截面处断裂,其断片是否会被风扇机匣包容,而不会击穿机匣打坏飞机的某些结构,同时还要考验风扇叶片脱开后造成的转子极大不平衡,会不会对发动机的结构特别对安装节造成严重的损伤。
试验时,按发动机装在飞机上的安装条件装在试车台上,当低压转子转速 N1 达到102.8%时,引爆装在叶片叶根处的爆炸销钉,叶片脱开,此时发动机喘振,低压和高压转子分别在8s和261s后停止转动,与预计值相符合。在试验中,风扇叶片断片被包容环包容住,无高能量的碎片击穿机匣,发动机外部和内部未着火,没有可燃液体外泄,发动机安装完好。因此,试验是成功的,证实发动机的结构设计是合理的。图2 示出了 BR710出正准备进行风扇叶片脱开试验的试车台情况。
图2 风扇叶片脱开试验的试车台全景
150h持久试车
这项试车也称150h取证试车,用以考核发动机特别是热端件的耐久性,因此,试验是在极端严峻的条件下进行的,除涡轮进口燃气温度和高低压转子转速同时均在最高时试验外,发动机的推力还定在比正常最大起飞推力高10.7kN下,即燃气温度比正常最大起飞时高 100 ℃下试验。这种条件在实际使用中是绝对没有的。BR710 共进行了4次150h 持久试车,第1次于1995年3月进行,即首次台架试验后的6个月。取证的持久试车于1996年6月完成,当时仅用了13天,平均每天试验13h。150h持久试车相当于发动机使用380循环或3000EFH。
初始维修检查试验
这项试验模拟发动机实际使用条件下的加速循环试车,以确定初始维修时间,并验证所制定的维修文件是否合适。共进行了2000次飞行循环,在4种不同的循环形式下和4种不同的推力值下进行试验,试验结束时,发动机的最大起飞推力基本上没有变化。
飞行试验计划
共有4架“湾流”V飞机进行试飞,1995年11月首次试飞,到1997年8月,共进行过825次飞行,累计的发动机工作时间为4741h,其中飞行时间为3319h。试飞中,完成不停留的最长飞行时间为14h48min,航程达12880km。
结 论
虽然宝马 罗·罗公司是新成立的一家公司(现已与罗·罗公司合并,成为罗·罗德国公司),BR710是它的第1型发动机,从公司成立起到第1台发动机(BR710)投入使用,历时仅6.5年,取得了令人难以置信的业绩,这是由于广泛采用了罗·罗公司的研制经验,严格遵循研制规律,开展了大量零组件、部件及各种整台发动机试验并及时修改设计等所取得的成果。在BR710投入航线使用10年中,一直保持着较高的可靠性,说明它的研制是成功的,很值得我们认真学习、借鉴。
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