大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)側(cè)風(fēng)試驗方法研究

王寶坤，林 山，張 帥，唐 震，李詩軍

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所，沈陽110015）

0 引言

發(fā)動機(jī)進(jìn)口是發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)的重要組成部分。發(fā)動機(jī)進(jìn)口易受其他條件的影響，如發(fā)動機(jī)布局、機(jī)身干擾、側(cè)風(fēng)進(jìn)氣等，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)進(jìn)口流場出現(xiàn)畸變，該進(jìn)氣條件將影響發(fā)動機(jī)的工作性能，對發(fā)動機(jī)起動性能與穩(wěn)定工作性能影響尤為顯著，嚴(yán)重情況下甚至造成發(fā)動機(jī)起動過程或穩(wěn)態(tài)過程顫振、失速或喘振。胡駿等[1]研究了畸變對發(fā)動機(jī)的影響。目前國內(nèi)已開展過大量關(guān)于進(jìn)氣畸變對發(fā)動機(jī)性能影響的理論研究和試驗研究。劉永泉等[2]開展某型發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣畸變模擬研究，采用進(jìn)氣模擬仿真流場壓力分布。周游天[3]通過整機(jī)插板或畸變板的形式開展進(jìn)氣畸變試驗，獲得仿真與試驗數(shù)據(jù)的對比。李志平[4]研究進(jìn)氣畸變對發(fā)動機(jī)工作穩(wěn)定的影響。但多集中于小涵道比發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道與發(fā)動機(jī)性能匹配方面，而對于大涵道比發(fā)動機(jī)畸變方面的研究尚不多見。大涵道比發(fā)動機(jī)產(chǎn)生進(jìn)氣畸變的各種工況條件中，側(cè)風(fēng)條件是最典型的工況之一，受側(cè)風(fēng)條件模擬及試驗條件的限制，國內(nèi)對于側(cè)風(fēng)條件下對發(fā)動機(jī)工作性能影響研究很少。國外Schuehle，Hancock，Hall等[5-7]進(jìn)行了大量風(fēng)速、風(fēng)向?qū)Πl(fā)動機(jī)工作穩(wěn)定性影響的研究。通過列烏特[8]的相關(guān)研究，國外發(fā)動機(jī)公司在80年代就具備了側(cè)風(fēng)試驗?zāi)芰?，開展了相關(guān)的發(fā)動機(jī)整機(jī)側(cè)風(fēng)試驗，并形成了成熟的試驗技術(shù)。CF6-50發(fā)動機(jī)側(cè)風(fēng)試驗在露天側(cè)風(fēng)試驗設(shè)備上進(jìn)行，GE公司也在研制用于GE90發(fā)動機(jī)側(cè)風(fēng)試驗的環(huán)境試車臺架，國外小涵道比渦扇發(fā)動機(jī)側(cè)風(fēng)試驗也形成了試驗體系。國外側(cè)風(fēng)試驗形成了較為完整試驗規(guī)范與考核標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)朱彥偉[9]開展了側(cè)風(fēng)對發(fā)動機(jī)工作穩(wěn)定性的監(jiān)控研究，劉凱禮[10]開展了側(cè)風(fēng)對發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道的影響分析。針對民用發(fā)動機(jī)在側(cè)風(fēng)條件下的飛行、起飛進(jìn)行研究，張正國[11-12]為國產(chǎn)民用大飛機(jī)為對象，探討飛機(jī)在側(cè)風(fēng)環(huán)境中的工作狀態(tài)，莫翔宇[13]探究大涵道比發(fā)動機(jī)各狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)，但對于發(fā)動機(jī)的整機(jī)側(cè)風(fēng)驗證研究較少。

本文以大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)為研究對象，結(jié)合發(fā)動機(jī)特點與試驗需求，以航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)穩(wěn)定性設(shè)計與評定指標(biāo)為研究基礎(chǔ)[14]，探索發(fā)動機(jī)進(jìn)氣穩(wěn)定性試驗；以空氣動力學(xué)為基礎(chǔ)[15]，研究大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)側(cè)風(fēng)試驗的考核標(biāo)準(zhǔn)；開展側(cè)風(fēng)試驗方法研究，為側(cè)風(fēng)試驗提供技術(shù)支持。相關(guān)研究方法與成果可為大涵道比發(fā)動機(jī)側(cè)風(fēng)條件進(jìn)氣畸變試驗、試飛項目和取證等工作提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 試驗要求

1.1 試驗對象

發(fā)動機(jī)側(cè)風(fēng)試驗是評定發(fā)動機(jī)穩(wěn)定性的重要驗證科目，是進(jìn)氣畸變項目中非常重要的適航驗證試驗。主要驗證在規(guī)定的自然風(fēng)或特定側(cè)風(fēng)條件下，發(fā)動機(jī)的工作穩(wěn)定性是否受到影響，計算發(fā)動機(jī)進(jìn)氣畸變指數(shù)。

側(cè)風(fēng)試驗發(fā)動機(jī)為大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)，此類發(fā)動機(jī)主要應(yīng)用于民機(jī)與軍用運(yùn)輸機(jī)，飛機(jī)進(jìn)氣道均屬于短進(jìn)氣道，在側(cè)風(fēng)條件下易發(fā)生進(jìn)氣畸變。在發(fā)動機(jī)工作時，空氣經(jīng)過進(jìn)氣道進(jìn)入風(fēng)扇增壓的氣流分為內(nèi)、外涵2路，大部分空氣進(jìn)入發(fā)動機(jī)外涵，經(jīng)反推力裝置排出，內(nèi)涵氣流進(jìn)入核心流道，經(jīng)壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪及內(nèi)涵噴口排出。

1.2 試驗標(biāo)準(zhǔn)與解讀

飛機(jī)起降受側(cè)風(fēng)條件影響極大，在飛機(jī)實際使用時受到各種風(fēng)速和風(fēng)向的側(cè)風(fēng)影響，導(dǎo)致使用中的異常。側(cè)風(fēng)試驗主要參照中國民用航空規(guī)章[16]CCAR33-R1航空發(fā)動機(jī)適航規(guī)。《CCAR25R4-25.233航向穩(wěn)定和操縱性》中規(guī)定：飛機(jī)在地面以任意速度下運(yùn)行時，在90毅的側(cè)風(fēng)（最大為12.84 m/s）不得出現(xiàn)不可控的打轉(zhuǎn)傾向?！逗娇瞻l(fā)動機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》CCAR-33.65喘振與失速特性中規(guī)定：在發(fā)動機(jī)工作包線內(nèi)的任意1點，起動和推力的變化、極限的進(jìn)氣畸變或進(jìn)氣溫度，不得引起喘振或失速達(dá)到熄火、結(jié)構(gòu)失效、超溫或發(fā)動機(jī)推力不能恢復(fù)的程度。

《CCAR25R4-25.233航向穩(wěn)定和操縱性》主要從飛機(jī)角度提出，從發(fā)動機(jī)的角度理解，即在12.84 m/s的正側(cè)風(fēng)環(huán)境中，發(fā)動機(jī)可以任意速度在地面穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)?！逗娇瞻l(fā)動機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》CCAR-33.65喘振與失速特性中規(guī)定主要從發(fā)動機(jī)角度出發(fā)，即在任意進(jìn)氣畸變條件下，發(fā)動機(jī)可完成起動和推力改變，而不發(fā)生喘振、失速或熄火等異常情況。

飛機(jī)在實際使用過程中不僅限于上述要求，還應(yīng)考慮飛機(jī)最大起降風(fēng)速要求，以滿足飛機(jī)著陸后地面滑行時發(fā)動機(jī)穩(wěn)定工作的需要，因此在側(cè)風(fēng)試驗選取考核點往往比CCAR25R4-25部更為苛刻，以某型發(fā)動機(jī)為例，極限考核風(fēng)速可達(dá)30 m/s。

發(fā)動機(jī)側(cè)風(fēng)試驗考核應(yīng)充分考慮起動過程和穩(wěn)定工作過程。穩(wěn)定工作過程應(yīng)包括發(fā)動機(jī)最大推力狀態(tài)、過渡態(tài)推力變化，應(yīng)充分驗證最苛刻側(cè)風(fēng)的影響。

對于起動過程，順風(fēng)條件為最苛刻的起動條件，應(yīng)考核發(fā)動機(jī)正側(cè)風(fēng)起動與順風(fēng)起動；對于穩(wěn)定工作過程，側(cè)風(fēng)可引起進(jìn)氣畸變，因此選取發(fā)動機(jī)進(jìn)口最大進(jìn)氣畸變下的側(cè)風(fēng)條件（包括風(fēng)速與風(fēng)向）開展側(cè)風(fēng)試驗，考核發(fā)動機(jī)正側(cè)風(fēng)穩(wěn)定工作。發(fā)動機(jī)穩(wěn)定工作狀態(tài)應(yīng)包括典型穩(wěn)態(tài)與典型過渡態(tài)，典型穩(wěn)態(tài)包括起飛推力、爬升推力、巡航推力、著陸推力狀態(tài)；典型過渡態(tài)應(yīng)包括全程和半程加減速。

2 試驗方法

2.1 試驗設(shè)備

發(fā)動機(jī)側(cè)風(fēng)試驗可通過裝機(jī)試飛與地面臺架試車（模擬側(cè)風(fēng)條件）2種方式實現(xiàn)。裝機(jī)試飛受實際側(cè)風(fēng)天氣影響，且大側(cè)風(fēng)條件下往往伴隨揚(yáng)沙天氣，對發(fā)動機(jī)造成過嚴(yán)考核，試驗經(jīng)濟(jì)性、安全性及重復(fù)性均較差。裝機(jī)試飛側(cè)風(fēng)試驗如圖1所示。

圖1 側(cè)風(fēng)試驗發(fā)動機(jī)安裝位置

地面臺架試車開展側(cè)風(fēng)試驗應(yīng)首先具備側(cè)風(fēng)裝置，用于模擬側(cè)風(fēng)進(jìn)氣條件[17]，實現(xiàn)側(cè)風(fēng)條件可控，試驗經(jīng)濟(jì)性、安全性及重復(fù)性均較高。本文以地面?zhèn)蕊L(fēng)試驗臺開展側(cè)風(fēng)試驗研究。

國外發(fā)動機(jī)公司已經(jīng)形成成熟的整機(jī)側(cè)風(fēng)試驗技術(shù)，具備功能完整的側(cè)風(fēng)裝置，CF6-50發(fā)動機(jī)側(cè)風(fēng)試驗在如圖2所示的側(cè)風(fēng)裝置下進(jìn)行；國外小涵道比發(fā)動機(jī)側(cè)風(fēng)試驗也形成了試驗體系，F(xiàn)135發(fā)動機(jī)典型側(cè)風(fēng)試驗臺如圖3所示，其中側(cè)風(fēng)設(shè)備采取固定式，發(fā)動機(jī)可繞臺架自由旋轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)不同風(fēng)向的試驗條件。

圖2CF6-50側(cè)風(fēng)試驗設(shè)備

圖3F135小涵道比發(fā)動機(jī)側(cè)風(fēng)試驗設(shè)備

圖4 側(cè)風(fēng)試驗臺

目前國內(nèi)的側(cè)風(fēng)試驗臺采用固定臺架和可移動式側(cè)風(fēng)裝置，如圖4所示。

側(cè)風(fēng)裝置由殼體、底座及測控系統(tǒng)等組成。殼體包括進(jìn)氣段、風(fēng)機(jī)段、氣流穩(wěn)定段及排氣段，其中進(jìn)氣、排氣段均采用正6邊形截面；風(fēng)機(jī)段由若干風(fēng)機(jī)組成風(fēng)機(jī)陣；氣流穩(wěn)定段位于風(fēng)機(jī)出口，用于穩(wěn)定空氣流場；底座采取軌道旋轉(zhuǎn)式，支撐側(cè)風(fēng)裝置繞被試發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)，模擬不同風(fēng)源角度；測控系統(tǒng)主要用于側(cè)風(fēng)裝置各系統(tǒng)的控制，在風(fēng)源裝置出口進(jìn)行所產(chǎn)生側(cè)風(fēng)品質(zhì)的測量。

2.2 設(shè)備標(biāo)定與調(diào)試

側(cè)風(fēng)發(fā)生裝置、側(cè)風(fēng)條件的有效性與穩(wěn)定性由側(cè)風(fēng)設(shè)備保證，在側(cè)風(fēng)設(shè)備出口進(jìn)行動態(tài)壓力測量，得到出口中心截面的動壓分布。

側(cè)風(fēng)設(shè)備出口截面中心距發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道進(jìn)口中心距離為15 m，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道進(jìn)口截面核心風(fēng)速區(qū)按照GE90發(fā)動機(jī)的進(jìn)口尺寸（3124 mm）設(shè)計，為保證核心風(fēng)速區(qū)風(fēng)速與壓力分布的穩(wěn)定性，按照核心風(fēng)速區(qū)風(fēng)速偏差為1 m/s，動態(tài)壓力分布偏差為2 kPa進(jìn)行設(shè)計，側(cè)風(fēng)裝置出口截面應(yīng)滿足90%范圍內(nèi)的動壓均勻性。動態(tài)壓力測量采取設(shè)備出口截面高度與寬度的90%進(jìn)行測點布置，使用皮托管組成的排管測量壓力，壓力測點布置如圖5所示。

圖5 出口截面壓力測量

側(cè)風(fēng)流場品質(zhì)是決定風(fēng)場能否滿足試驗要求的重要衡量指標(biāo)，用來說明風(fēng)場中核心風(fēng)速區(qū)流場優(yōu)劣的程度，即氣流參數(shù)在時間和空間上的均勻程度。對于側(cè)風(fēng)風(fēng)場可參照風(fēng)洞流場測量的方式，根據(jù)一些成功的風(fēng)洞統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及“GJB 1179-91高速風(fēng)洞和低速風(fēng)洞流場品質(zhì)規(guī)范”，采用動壓穩(wěn)定性系數(shù)表征風(fēng)場品質(zhì)。

采取連續(xù)多次測量動壓值，計算動壓穩(wěn)定性系數(shù)η

式中：qmax、qmin分別為單位時間內(nèi)最大、最小動壓，一般動壓穩(wěn)定性系數(shù)要求不大于0.005。

側(cè)風(fēng)設(shè)備調(diào)試包括風(fēng)向調(diào)試、風(fēng)速標(biāo)定及穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)檢查。風(fēng)向調(diào)試通過調(diào)整側(cè)風(fēng)設(shè)備位置實現(xiàn)，通過導(dǎo)軌調(diào)整位置以滿足側(cè)風(fēng)設(shè)備與發(fā)動機(jī)進(jìn)口間的角度關(guān)系，側(cè)風(fēng)設(shè)備角度調(diào)試如圖6所示。

側(cè)風(fēng)設(shè)備工作時應(yīng)保證每個子風(fēng)機(jī)以相同功率工作，以保證側(cè)風(fēng)設(shè)備所產(chǎn)生的側(cè)風(fēng)區(qū)域的穩(wěn)定性。在發(fā)動機(jī)進(jìn)口截面與噴口截面分別設(shè)置5個風(fēng)速儀，實時測量風(fēng)速，風(fēng)速儀布局如圖7所示。啟動側(cè)風(fēng)設(shè)備后，緩慢增加各風(fēng)機(jī)的功率，標(biāo)定出風(fēng)機(jī)工作功率與風(fēng)速之間的關(guān)系曲線，如圖8所示。

圖6 側(cè)風(fēng)設(shè)備角度調(diào)試

圖7 風(fēng)速儀布局

圖8 風(fēng)速標(biāo)定曲線

進(jìn)行側(cè)風(fēng)試驗時根據(jù)風(fēng)速標(biāo)定曲線確定風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)。

2.3 試驗設(shè)計

穩(wěn)定工作側(cè)風(fēng)試驗是考察不同側(cè)風(fēng)條件下發(fā)動機(jī)的工作穩(wěn)定性，試驗前將側(cè)風(fēng)設(shè)備調(diào)整至試驗位置，發(fā)動機(jī)起動后，啟動側(cè)風(fēng)設(shè)備并調(diào)整風(fēng)速，按照試驗要求完成穩(wěn)態(tài)與過渡態(tài)性能參數(shù)錄取，計算發(fā)動機(jī)的畸變指數(shù)。穩(wěn)定工作側(cè)風(fēng)試驗程序如圖9所示，考核發(fā)動機(jī)在典型功率下側(cè)風(fēng)對發(fā)動機(jī)氣動穩(wěn)定性的影響。

圖9 穩(wěn)定工作側(cè)風(fēng)試驗程序

對于穩(wěn)態(tài)考核狀態(tài)除如圖9所示狀態(tài)外，可根據(jù)被試發(fā)動機(jī)實際使用特點，增加典型狀態(tài)點的考核，如進(jìn)場慢車狀態(tài)、地面滑行狀態(tài)等；對于過渡態(tài)的考核，除了全程與半程加減速外，根據(jù)大涵道比發(fā)動機(jī)使用特點，應(yīng)考慮反推力裝置在側(cè)風(fēng)條件下的過渡態(tài)表現(xiàn)，反推力裝置實際工作狀態(tài)包括“著陸狀態(tài)-最大反推狀態(tài)”與“反推中斷起飛”循環(huán)，可將上述反推工作狀態(tài)進(jìn)行單獨(dú)的側(cè)風(fēng)試驗。

試驗過程中對發(fā)動機(jī)進(jìn)口截面與噴口截面進(jìn)行風(fēng)速測量，監(jiān)控試驗過程中風(fēng)速的波動變化。發(fā)動機(jī)進(jìn)口設(shè)置AIP測量截面，將軸向距離發(fā)動機(jī)進(jìn)口0.11D處定義為氣動測量截面（AIP測量截面），D為發(fā)動機(jī)進(jìn)口直徑，AIP截面上布置有穩(wěn)態(tài)總壓測點、動態(tài)總壓測點及總溫測點，對側(cè)風(fēng)條件引起的進(jìn)氣畸變進(jìn)行實時測量。

進(jìn)行起動側(cè)風(fēng)試驗前將側(cè)風(fēng)設(shè)備調(diào)整至試驗位置，先啟動側(cè)風(fēng)設(shè)備并調(diào)整風(fēng)速，在側(cè)風(fēng)條件下起動發(fā)動機(jī)，檢查發(fā)動機(jī)的起動穩(wěn)定性，計算分析該側(cè)風(fēng)進(jìn)氣條件下，發(fā)動機(jī)起動過程畸變指數(shù)變化。起動側(cè)風(fēng)試驗程序如圖10所示?？己嗽诎l(fā)動機(jī)起動過程中側(cè)風(fēng)條件對發(fā)動機(jī)氣動穩(wěn)定性的影響。

圖10 起動側(cè)風(fēng)試驗程序

在起動過程對發(fā)動機(jī)進(jìn)口截面與噴口截面進(jìn)行風(fēng)速測量，監(jiān)控試驗過程中風(fēng)速的波動變化。

3 試驗數(shù)據(jù)分析方法

對AIP測量截面上的測量數(shù)據(jù)求平均，計算側(cè)風(fēng)對發(fā)動機(jī)進(jìn)口所產(chǎn)生的畸變指數(shù)，試驗數(shù)據(jù)處理可根據(jù)以下方法進(jìn)行：

（1）AIP截面布置復(fù)合探針（附面層總壓探針、壁面靜壓探針的測試數(shù)據(jù)處理方法相同），每支沿徑向布置5個穩(wěn)態(tài)總壓測點、1個動態(tài)總壓測點和5個總溫測點。先對每支探針上的相同測試項目數(shù)據(jù)進(jìn)行平均

式中：Pj為第j支測點測量值。

（2）AIP截面穩(wěn)態(tài)總壓PAIP為平均值，動態(tài)總壓、總溫、附面層總壓、壁面靜壓計算方法相同

（3）低壓區(qū)總壓恢復(fù)系數(shù)平均值計算，根據(jù)總壓恢復(fù)系數(shù)平均值沿周向進(jìn)行線性插值，得到總壓恢復(fù)系數(shù)值的周向分布，以PAIP作為判斷低壓區(qū)的參考值，小于PAIP的點屬于低壓區(qū)，將所有低壓區(qū)的總壓恢復(fù)系數(shù)值進(jìn)行算術(shù)平均，得到低壓區(qū)的總壓恢復(fù)系數(shù)平均值 Pav，low；

（4）相應(yīng)總壓恢復(fù)系數(shù)按各自平均總壓與1截面平均總壓比值計算為

當(dāng)存在多個低壓區(qū)時，對于每個低壓區(qū)都要計算出相應(yīng)低壓區(qū)周向范圍 θ和。當(dāng) θ＞60°時，取最大的值作為周向穩(wěn)態(tài)畸變指數(shù)；當(dāng) θ＜60°時，則比較θ·/60，取最大值作為周向穩(wěn)態(tài)畸變指數(shù)；

（6）動態(tài)畸變指數(shù)為

時間T內(nèi)動態(tài)壓力測點i的平均總壓為

式中：T為時間，i為測點。

（7）綜合畸變指數(shù)為

4 結(jié)論

本文以大涵道比發(fā)動機(jī)為研究對象，開展航空發(fā)動機(jī)側(cè)風(fēng)試驗方法研究，結(jié)論如下：

（1）解讀側(cè)風(fēng)試驗相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)定，形成側(cè)風(fēng)試驗的考核要點；

（2）研究大涵道比發(fā)動機(jī)側(cè)風(fēng)試驗方法，設(shè)計試驗圖譜，用于指導(dǎo)開展側(cè)風(fēng)試驗；

（3）研究側(cè)風(fēng)試驗進(jìn)氣畸變數(shù)據(jù)分析處理方法，用于評定側(cè)風(fēng)條件對發(fā)動機(jī)造成的畸變影響。

本文研究內(nèi)容可作為大涵道比發(fā)動機(jī)開展側(cè)風(fēng)試驗的技術(shù)參考，同時可為它型航空發(fā)動機(jī)開展同類試驗提供借鑒，具有較高的工程應(yīng)用價值。在下一步的研究中，將側(cè)風(fēng)試驗方法設(shè)計應(yīng)用于工程試驗中，并在完成側(cè)風(fēng)試驗后，逐步建立航空發(fā)動機(jī)側(cè)風(fēng)試驗的評價準(zhǔn)則與規(guī)范。