03.03 航空發動機在正式使用之前是如何進行測試的?

陳瑭


航空發動機作為工業皇冠上的明珠,其測試試驗更是貫穿了從設計製造到安裝使用的整個過程,不僅項目繁多、耗資不菲,而且有些測試項目看起來還相當暴力,那麼今天我們就來看看航發服役前都是怎麼進行測試的:

航空發動機測試試驗分類

航空發動機試驗的分類標準多種多樣,有根據研究目的分類,有根據研究階段的分類,有根據研究對象的分類等。根據測試目的分為:科學研究試驗(研究發動機及其部件和附件的一般特性)、研製試驗(制中的航空發動機需要經過長時間的試車,以便調整性能,考驗可靠性和耐久性,並最終鑑定它是否符合型號規範)、批生產發動機試車(在地面試車臺上進行兩種試車:工廠試車和檢驗試車)。同時,也還可以研究設備和研究對象為標準,將航空發動機試驗分為五大類:a、零部件試驗;b、整機地面試驗;c、整機高空模擬試驗;d、環境與吞嚥試驗;e、飛行試驗。

航空發動機的各種極端試驗

航空發動機可以吸入空氣,但除此之外,要經受其他東西的考驗,比如飛鳥和壞的天氣下的雨水、結冰、冰雹等,為了確保安全性,要能耐受各種極端條件下的測試。此外還要測試惡劣工況下,發動機發生故障後產生的極端後果,如葉片甩出試驗等。

所有軍用和民用航空發動機都要經過吞水試驗,以檢驗發動機運轉情況下,在遭遇大雨或起飛時地面積水進入發動機後,發動機的工作效果。如上面兩幅動圖所示,美國通用GEnx發動機在進行全推力運轉條件下,每分鐘噴入800加侖(3640升)水而不熄火的吞水試驗。

上圖為模擬吞入冰雹試驗,要求發動機在正常運轉條件下,耐受高爾夫球大小的冰雹碰撞試驗。同理還要進行撞鳥測試,自2009年後,航空發動機生產商都會安排利用“小雞炮”射擊運轉中的航空發動機以驗證發動機的耐鳥撞性能。

至於最暴力的測試則非“葉片甩出”試驗莫屬,在高達3000轉每分鐘的轉速下,一片葉片被甩出來,葉片如同榴霰彈一橫掃其它部分,看看影響。 為了進行這種試驗,工程師們在葉片底部進行了一次小爆炸,讓葉片飛離。這種試驗不僅暴力,而且及其昂貴,不說造一臺航發多少錢了,要知道LEAP 1-B發動機,採用碳纖維複合材料風扇葉片,鈦合金低壓壓氣機葉片,每個葉片的價格就高達數十萬元。所以研製航空發動機不僅僅考驗一個國家的工業實力、設計水平,也是赤裸裸的“燒錢遊戲”,一般國家真是無力承擔。

好的航空發動機不是設計和製造出來的,而是試驗出來的

據統計,一種新型發動機的研製,往往需要完成上萬小時的整機試驗和十萬小時左右的零部件試驗,以美國通用公司的GE90航空發動機為例,該機僅零部件就有15,000-20,000個,大量測試所耗費的時間和成本是難以想象的,所以技術積累和資本在發動機領域相當重要,而相比於設計和製造技術而言,試驗技術對於高性能航空發動機的研製來說更加舉足輕重。

在發動機測試領域,試車臺是進行發動機性能測試的主要硬件設備,一般說來,航空發動機試車臺主要分為三種,即地面試車臺、高空試車臺和飛行試車臺。

1、地面試車臺用於在地面條件下進行發動機試驗,主要用於調整發動機性能,驗證可靠性和耐久性等,並最終鑑定發動機是否符合型號規範。

2、高空試車臺是在地面建造一個與飛行狀態相當的環境(氣流的壓力、溫度和方向),把發動機裝在裡面進行試車,以模擬飛行狀態(飛行高度、飛行馬赫數)和飛行姿態(飛機迎角、側滑角)對發動機性能的影響。

高空試車臺的設計建造花費也是相當不菲,例如美國在80年代投資6.5億美元,耗費10年苦工建成了當時世界上最大的航空發動機高空試車臺(AST).蘇聯也曾在80年代末計劃建造特大型高空試驗檯,但是終因蘇聯解體無果而終,日本、印度等國也都相繼耗資10億美元開始建造自己的高空試車臺。

3、飛行試車臺用以完全模擬實際的飛行條件,一般由大型運輸機或轟炸機改裝而成。利用大型飛機的多發動機特性,將其中一臺或兩臺發動機換裝為需要測試的發動機,然後飛行到高空進行飛行試驗,已測試發動機的實際性能。

看上圖,這是美國GE公司的B747-121飛行測試平臺(飛行試車臺),其圖中右邊內側發動機明顯與其他三臺發動機外形尺寸不同,這臺發動機就是正在進行飛行測試。一般一架大型飛機改裝為飛行測試平臺,不僅要對內部艙室的設備進行換裝,還要機翼安裝測試發動機位置安裝特殊設備、改裝數據系統等。美國這架飛行試車臺,不僅測試過GE90、GEnx、CFM56等發動機,還為法國斯奈克瑪、日本石川島播磨、意大利菲亞特等公司測試過發動機,累計測試過11種發動機39種型號。

總體來說,航空發動機測試從頭到尾是一項繁瑣的大工程,對於技術、人員、設備、資金都有諸多要求,航發研製之路有多難,可見一斑。


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