鄺文，吳鋒，彭生紅，田應維，文壁

(中國燃氣渦輪研究院，四川江油621703)

航空發(fā)動機壓力畸變試驗安全操作措施

鄺文，吳鋒，彭生紅，田應維，文壁

(中國燃氣渦輪研究院，四川江油621703)

基于發(fā)動機壓力畸變試驗的重要性及高風險性，詳細介紹了發(fā)動機移動插板壓力畸變試驗安全操作方案。為保障試驗安全，制定了詳細的控制措施，及需注意的安全監(jiān)視參數(shù)和危機應急措施。發(fā)動機壓力畸變試驗結(jié)果表明，發(fā)動機壓力畸變試驗失穩(wěn)時刻最明顯的表現(xiàn)形式為尾噴口噴火，同時脈動壓力劇烈波動；該安全操作措施有效、合理，能確保發(fā)動機移動插板壓力畸變試驗安全。

航空發(fā)動機；壓力畸變試驗；穩(wěn)定性；喘振；壓力脈動；安全操作措施

1 引言

現(xiàn)代高性能飛機的隱身、高機動性、短距起降、作戰(zhàn)要求和機載武器的使用等，對發(fā)動機的氣動穩(wěn)定性提出了更高要求。研究表明，進氣壓力畸變對發(fā)動機氣動穩(wěn)定性往往起決定作用，是發(fā)生得最頻繁的發(fā)動機失穩(wěn)因子[1，2]。航空發(fā)達國家對發(fā)動機氣動穩(wěn)定性評定非常重視，把進發(fā)匹配作為飛機發(fā)動機一體化設計的重要研究內(nèi)容和急切解決目標。為滿足不斷發(fā)展的飛機對發(fā)動機氣動穩(wěn)定性的要求，發(fā)動機壓力畸變試驗尤其是高空壓力畸變試驗，是飛機進氣道/發(fā)動機相容性研究的一個重要組成部分，也是為發(fā)展、驗證推進系統(tǒng)穩(wěn)定性和為性能評估提供技術數(shù)據(jù)及資料的主要手段[3，4]。

發(fā)動機移動插板壓力畸變試驗屬于高危試驗科目，若降穩(wěn)因子所要求的穩(wěn)定裕度超過了發(fā)動機的可用穩(wěn)定裕度，發(fā)動機將產(chǎn)生氣動不穩(wěn)定性，其表現(xiàn)形式為壓氣機失速、葉片顫振、復合振動、轉(zhuǎn)子強迫振動及渦輪部件超溫，嚴重時可導致發(fā)動機喘振、空中熄火停車，甚至結(jié)構損壞[5]。進氣畸變會影響發(fā)動機的性能、可操縱性和耐久性，造成推力損失，導致風扇和壓氣機壽命減少。在發(fā)動機高空模擬試驗艙進行發(fā)動機移動插板高空逼喘試驗，對發(fā)動機和高空艙設備危害性極大，試驗風險高，尤其是當發(fā)動機喘振時，移動插板易因高空負溫結(jié)冰卡滯而無法及時回退到指定位置，以及試驗過程中，發(fā)動機失穩(wěn)時，軸向氣流來回脈動振蕩產(chǎn)生的氣動力可能破壞

測試探針，造成測試受感部斷裂。因此，必須采取措施降低試驗風險。國內(nèi)外對此公開發(fā)表、可供借鑒的經(jīng)驗極少。本文詳細介紹了發(fā)動機移動插板壓力畸變試驗安全操作方案。

2 控制措施

為保障發(fā)動機進氣壓力畸變試驗順利進行，試驗前須制定發(fā)動機移動插板壓力畸變試驗安全操作方案。

2.1 試驗前控制措施

(1)最重要的是制定發(fā)動機失穩(wěn)判斷依據(jù)，主要包括發(fā)動機綜調(diào)發(fā)出的喘振信號、確定發(fā)動機喘振A值限制值(A值為設計的與壓氣機后壓力相關聯(lián)的喘振判據(jù)，經(jīng)數(shù)采系統(tǒng)交直流隔離變送器，分別采集得到的傳感器交流有效值與傳感器直流分量的比值)、風扇/高壓后總壓脈動量限制值及發(fā)動機振動、排氣溫度報警值等，并將實時試驗結(jié)果顯示在前臺。

(2)對移動插板進行靜態(tài)、動態(tài)調(diào)試，檢查移動插板移動連續(xù)性功能；核查移動插板快退功能對喘振信號的響應，完善控制系統(tǒng)功能，滿足控制插板運行速度要求。

(3)完成發(fā)動機和畸變試驗裝置檢查，校準測試受感部強度，完成進氣流量管內(nèi)受感部檢查并按畸變試驗要求安裝畸變板，保證畸變試驗受感部安全有效；在測試受感部根部安裝動應力貼片，試驗過程中監(jiān)視測試受感部工作情況。

(4)檢查設備測試系統(tǒng)中脈動/振動受感部狀態(tài)，確定滿足畸變試驗需求，且在逼喘過程中，確保能準確感受到壓力波動和發(fā)動機振動信號，及時發(fā)出消喘指令。

(5)制定試驗順序。為保證高空畸變試驗順利進行、試驗時數(shù)據(jù)的有效性，及減小氣動失穩(wěn)對發(fā)動機的危害，首先應進行高空小負荷的試驗點，然后是大負荷試驗點，并全程監(jiān)視受感部動應力情況。

(6)制定試驗過程中的插板操作程序：插板插入深度以小步長遞進，在一定程度上規(guī)避發(fā)動機喘振時的能量及數(shù)量，試驗過程中發(fā)動機任一次喘振后，均應對發(fā)動機進行全面檢查，如有必要則應進行孔探儀檢查，確保發(fā)動機安全工作。

2.2 試驗應急措施

(1)在以下情況下，應把發(fā)動機油門桿拉到停車位置：①發(fā)動機進口處滑油壓力降低至臨界值時；②發(fā)動機系統(tǒng)或供油管路中發(fā)生燃油、滑油或液壓油泄漏并有火災危險時；③出現(xiàn)具有應急性質(zhì)的不正常工作情況(如振動、排氣溫度急劇增大等)時。

(2)在出現(xiàn)喘振、總壓受感部動應力超標、發(fā)動機振動超標、發(fā)動機滑油壓力波動、金屬屑信號燈閃爍及降轉(zhuǎn)信號時，應將發(fā)動機在慢車狀態(tài)冷卻后再拉停。

(3)當發(fā)動機出現(xiàn)失穩(wěn)且插板無機械卡滯現(xiàn)象時，降低發(fā)動機狀態(tài)，同時插板退回零位，并在慢車狀態(tài)檢查發(fā)動機工作情況。當發(fā)動機在慢車狀態(tài)仍未退出失穩(wěn)狀態(tài)或燃燒室熄火，則發(fā)動機停車。

(4)當發(fā)動機失穩(wěn)且插板機械卡滯時，迅速將發(fā)動機拉回至慢車狀態(tài)，同時插板盡快退回零位，并在慢車狀態(tài)檢查發(fā)動機工作情況。當發(fā)動機在慢車狀態(tài)仍未退出失穩(wěn)狀態(tài)或燃燒室熄火，則發(fā)動機停車。

2.3 試驗監(jiān)視參數(shù)

壓力畸變試驗時，移動插板以正常慢速推進過程中，發(fā)動機轉(zhuǎn)速將隨空氣流量、控制規(guī)律、渦輪后溫度變化。發(fā)動機油門桿主操作人員主要監(jiān)測：發(fā)動機綜合調(diào)節(jié)器發(fā)出的喘振信號，這是發(fā)動機失穩(wěn)時的最重要判斷參數(shù)；風扇出口總/靜壓與壓氣機出口總/靜壓及發(fā)動機進口脈動總壓時間歷程，這是發(fā)動機失穩(wěn)時的主要判斷參數(shù)，也是監(jiān)視發(fā)動機內(nèi)部氣流流動的最直接因素；發(fā)動機滑油壓力波動及金屬屑信號燈閃爍情況，這是判斷發(fā)動機內(nèi)部機械結(jié)構運轉(zhuǎn)的特征參數(shù)。其它相應監(jiān)測包括發(fā)動機進口截面(AIP界面)上總壓受感部動應力情況，其反應了總壓受感部工作狀態(tài)是否正常；高空艙內(nèi)發(fā)動機流量管外部氣流流動狀況，發(fā)動機進行高空壓力畸變試驗，空氣溫度為負溫，試驗中若流量管局部漏氣，插板系統(tǒng)將可能因結(jié)冰而卡滯。此外，還需細致觀測發(fā)動機振動、燃燒室出口壁面靜壓脈動、發(fā)動機排氣溫度變化及失穩(wěn)臨界時刻。

3 應用效果

1#發(fā)動機在高空艙進行移動插板逼喘過程中，沒有結(jié)冰及機械卡滯現(xiàn)象，動應力情況顯示試驗時測試受感部工作可靠；測試系統(tǒng)中脈動/振動受感部狀態(tài)良好，能準確感受壓力波動和發(fā)動機振動信號。試驗時發(fā)動機狀態(tài)良好，發(fā)動機滑油壓力穩(wěn)定，發(fā)動機系統(tǒng)或供油管路中燃油、滑油或液壓油沒有出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，發(fā)動機工作正常。

1#發(fā)動機在飛行高度15 km、飛行馬赫數(shù)0.75、低壓換算轉(zhuǎn)速87%狀態(tài)、引氣/加載條件下，插板相

對深度從31.3%緩慢上推至32.0%過程時，發(fā)動機尾噴口出現(xiàn)噴火(圖1)，發(fā)動機本體上的脈動壓力出現(xiàn)劇烈波動(圖2)。油門桿主操作人員立即按試驗安全操作措施執(zhí)行(圖3)。油門桿下拉至慢車狀態(tài)后緊接著發(fā)動機綜調(diào)發(fā)出喘振信號，該過程中發(fā)動機振動和排氣溫度變化不明顯。

依據(jù)1#發(fā)動機高空壓力畸變試驗經(jīng)驗，制定發(fā)動機失穩(wěn)判斷依據(jù)時，增加考慮發(fā)動機尾噴口氣流流動情況。在2#發(fā)動機高空壓力畸變試驗中，試驗前控制措施同樣確保了移動插板控制和測試受感部工作可靠。發(fā)動機滑油系統(tǒng)受本體結(jié)構設計限制，工作時間嚴重縮短，波動異常現(xiàn)象明顯(圖4)。在缺少發(fā)動機本體上的脈動壓力測點時，嚴格監(jiān)控了發(fā)動機進口截面上的六點脈動壓力時間歷程。

2#發(fā)動機在飛行高度18 km、飛行表速500 km/h、無引氣、無功率提取條件下，低壓換算轉(zhuǎn)速92%狀態(tài)時發(fā)動機尾噴口出現(xiàn)噴火現(xiàn)象(圖5)。同時，發(fā)動機進口截面上的六點脈動壓力出現(xiàn)波動(圖6，失穩(wěn)瞬時，發(fā)動機進口截面6點脈動壓力最大平均脈動量為45%，限制值為35%)，油門桿主操作人員按試驗安全操作措施執(zhí)行(圖7)。失穩(wěn)時刻，發(fā)動機喘振A值明顯變化，但未超過限制值，發(fā)動機振動和發(fā)動機排氣溫度變化不明顯。

1#、2#發(fā)動機高空壓力畸變模擬試驗過程中，發(fā)動機均多次失穩(wěn)，失穩(wěn)時油門桿快速拉回至慢車狀

態(tài)，同時移動插板快速回退，此時發(fā)動機工作狀態(tài)穩(wěn)定。試驗后的校準試驗表明，發(fā)動機技術狀態(tài)未發(fā)生變化。試驗后對流量管上的脈動壓力受感部和總壓受感部進行探傷檢驗，受感部表面無結(jié)構性破壞。以上表明，試驗安全操作措施合理可行。

4 結(jié)束語

從發(fā)動機高空壓力畸變試驗結(jié)果看，發(fā)動機壓力畸變試驗控制措施和應急措施合理可行；發(fā)動機壓力畸變試驗失穩(wěn)時刻最明顯的表現(xiàn)形式為發(fā)動機尾噴口噴火，同時發(fā)動機上的脈動壓力劇烈波動，發(fā)動機進口截面脈動壓力平均脈動量不及發(fā)動機上的變化明顯；通過對發(fā)動機喘振A值限制值，尤其是發(fā)動機振動和發(fā)動機排氣溫度報警值，來判斷發(fā)動機失穩(wěn)可能會滯后，建議在發(fā)動機高空壓力畸變試驗時嚴格制定喘振A值限制值和發(fā)動機進口脈動壓力脈動量報警值。

[1]廉筱純，吳虎.航空發(fā)動機原理[M].西安：西北工業(yè)大學出版社，2001.

[2]GJB 241A-2010，航空渦輪噴氣和渦輪風扇發(fā)動機通用規(guī)范[S].

[3]GJB 5028-2001，航空渦輪噴氣和渦輪風扇發(fā)動機高空模擬試驗要求[S].

[4]HB/Z 281-95(HB 7081-94)，航空發(fā)動機故障模式、影響及危害性分析指南[S].

[5]劉大響，葉培梁，胡駿，等.航空燃氣渦輪發(fā)動機穩(wěn)定性設計與評定技術[M].北京：北京航空工業(yè)出版社，2004.

Safe Operation Measures for Aero-Engine Pressure Distortion Test

KUANG Wen，WU Feng，PENG Sheng-hong，TIAN Ying-wei，WEN Bi
(China Gas Turbine Establishment，Jiangyou 621703，China)

Based on the importance and high risk of the engine pressure distortion test,the safety operation scheme of the engine pressure distortion test on movable baffle was introduced.To ensure test safety,con?trol measures were drafted in detail before testing and the test parameters need to monitor and emergency measures were also set.Pressure distortion test results indicate that the most evident phenomenon of surge is nozzle flaming and engine pulsating pressure fluctuates intensively.It is proved that the scheme is effec?tive and reasonable,which could ensure safety of engine pressure distortion test.

aero-engine；pressure distortion test；stability；surge；pressure pulsation；safe operation measures

V263.3

：A

：1672-2620(2014)01-0053-04

2013-01-30；

：2014-01-13

鄺文(1980-)，男，四川江油人，高級技師，中航工業(yè)飛機發(fā)動機試車工工種特級技能專家，中航工業(yè)發(fā)動機公司飛機發(fā)動機試車工工種首席技能專家，一直從事航空發(fā)動機整機高空模擬試驗工作。