王偉生 代 冰 尹志華 劉 辰 肖金彪

（1. 中航工業(yè)航空動力機械研究所，湖南 株洲 412002； 2. 中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

航空發(fā)動機驗證機考核與評估標準研究

王偉生1代 冰2尹志華1劉 辰1肖金彪1

（1. 中航工業(yè)航空動力機械研究所，湖南 株洲 412002； 2. 中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

分析了國內(nèi)外發(fā)動機研制的驗證機情況，提出了航空發(fā)動機驗證機驗收的技術(shù)考核指標和評估體系，可為航空發(fā)動機驗證機驗收考核及評估方法標準的制定提供參考。

航空發(fā)動機；驗證機；標準研究

驗證機通常分為技術(shù)驗證機和型號驗證機。技術(shù)驗證機用來驗證新技術(shù)在發(fā)動機整機條件下的適用性。型號驗證機用來證明研制單位已經(jīng)具備發(fā)展該型發(fā)動機能力的一種驗證手段，驗證發(fā)動機總體技術(shù)方案的可行性，是型號發(fā)展必不可少的技術(shù)基礎(chǔ)和決策依據(jù)。

美國、歐洲、俄羅斯等航空發(fā)動機技術(shù)先進國家的主要型號研制都是通過驗證機的技術(shù)積累后開展型號研制。我國多型發(fā)動機研制也經(jīng)歷了驗證機研制，如某發(fā)動機就是經(jīng)過十多年預(yù)研及驗證機驗證后才開展型號立項研制，最終定型。

但驗證機的考核、驗收指標、評估體系目前還缺少統(tǒng)一的標準。本文通過對國內(nèi)、外驗證機研制情況歸納、總結(jié)，分析了發(fā)動機驗證機的考核、驗收指標和評估體系。

1 國內(nèi)外發(fā)動機驗證機的研制情況

1.1 國外研制情況

1.1.1 美國研制情況

裝備于F/A－18飛機的F404發(fā)動機是美國通用電氣公司（GE）在YJ101基礎(chǔ)上發(fā)展的低涵道比渦輪風扇發(fā)動機，YJ101發(fā)動機就是F404的驗證機。1972年完成了核心發(fā)動機驗證，1973年完成了飛行前合格試車，到1975年GE公司與美國海軍正式簽訂了全面研制的合同為止，其驗證機研究周期近5年。1979年12月F404發(fā)動機通過定型試車并批準投入生產(chǎn)，可見，F(xiàn)404發(fā)動機通過YJ101驗證機的研制，大大縮短了型號研制周期。

1.1.2 歐洲的研制情況

EJ200發(fā)動機研制經(jīng)歷技術(shù)驗證機——型號驗證機——全尺寸發(fā)動機研制——預(yù)生產(chǎn)型發(fā)動機——最終生產(chǎn)型發(fā)動機的道路。

XG－40是EJ200發(fā)動機的驗證機，1982年，英國國防部與RR公司聯(lián)合投資開始了發(fā)動機驗證機計劃。XG－40是一種具有全新構(gòu)形的驗證機，它應(yīng)用了RR公司以前的研究和部件驗證計劃的成果。

法國M88發(fā)動機研制是在M53發(fā)動機作為核心機的基礎(chǔ)上，先進行部件試驗驗證，然后組成驗證機，分兩步驗證后轉(zhuǎn)入全尺寸研制，然后經(jīng)飛行試驗再進入系列生產(chǎn)的道路。

1.1.3 俄羅斯的研制情況

俄羅斯在新一代航空發(fā)動機研制中，同樣采用了技術(shù)驗證機的發(fā)展道路。由于條件所限，為驗證燃氣溫度在1850K時的工作可靠性與匹配性，采用了由PД33發(fā)動機的壓氣機、改進的燃燒室與新設(shè)計的渦輪組成的核心機，進行全臺發(fā)動機的試驗驗證。

1.2 國內(nèi)研制情況

1.2.1 某發(fā)動機情況

某發(fā)動機是繼承某發(fā)動機的氣動、熱力性能及保持主要零部件不變的軸改槳。主要驗證項目有：

驗證機部件試驗。驗證機零部件累計試驗1432h，初步考核和驗證了新設(shè)計零部件的結(jié)構(gòu)強度和滑油燃油附件的功能。

整機試驗。1986年8月整機點火一次成功，12月完成臺架性能調(diào)試，轉(zhuǎn)速和功率達到設(shè)計指標。整機試驗完成的試驗項目有：穩(wěn)態(tài)性能試驗；自由渦輪穩(wěn)定工作范圍試驗；振動、應(yīng)力、流程氣動參數(shù)和表面溫度測量；軸向進氣系統(tǒng)試驗；螺槳變矩、順槳、反槳功能試驗。

試驗結(jié)果表明，驗證機的方案是可行的，其性能指標能夠滿足飛機的使用要求，為發(fā)動機順利完成適航考核打下基礎(chǔ)。

1.2.2 某發(fā)動機研制情況

某發(fā)動機歷時十多年的預(yù)研，其驗證機經(jīng)歷了兩個階段。

某驗證機主要目的是調(diào)試核心機與自由渦輪及發(fā)動機各系統(tǒng)工作的協(xié)調(diào)性，錄取不帶粒子分離器的型號驗證機性能，進一步考核零部件的結(jié)構(gòu)強度和工作的可靠性。通過驗證試驗主要解決了兩大技術(shù)故障：

1）自由渦輪一級工作葉片從根部折斷，葉片從榫槽脫出；

2）“三高”問題。即渦輪間燃氣溫度偏高、燃氣發(fā)生器渦輪軸承座滑油回油溫度偏高、自由渦輪前腔溫度偏高。

某驗證機的技術(shù)狀態(tài)是型號驗證機的最終狀態(tài)。其試驗分3個階段進行：

第1階段，帶簡易頭部的某核心機試驗，以校準流量和檢查各大部件的工作協(xié)調(diào)情況。

第2階段，帶粒子分離器的某核心機試驗，檢查加裝粒子分離器后，對壓氣機性能的影響。

第3階段，帶粒子分離器的核心機加裝自由渦輪單元體，即某驗證機整機試驗，達到驗收標準。

2 發(fā)動機驗證機考核、驗收指標探討

根據(jù)我國目前的實際情況，通常是把驗證機和原型機捆在一起立項。為了不延誤研制進度，應(yīng)結(jié)合國外的經(jīng)驗，慎重考慮驗證機的考核、驗收指標。

在確定驗證機的技術(shù)要求時，既要考慮轉(zhuǎn)入原型機的轉(zhuǎn)型需要，又要考慮與技術(shù)發(fā)展的階段相適應(yīng)。當技術(shù)水平有較大的跨越時，對一系列新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)、新材料和新工藝（如整體葉盤結(jié)構(gòu)、單晶葉片、粉末冶金盤、輪盤雙熱處理、復(fù)合材料、阻燃鈦合金等）很可能要分階段實施。此外，有些成附件也不能一次到位。因此，驗證機的技術(shù)要求受其組成、設(shè)計技術(shù)成熟度、工藝水平和研制進度、經(jīng)費等因素的限制，可分階段實施。

2.1 驗證機的技術(shù)要求分析

驗證機的最終技術(shù)要求應(yīng)最大限度地與原型機一致，根據(jù)當前我國的國情，它應(yīng)分步實現(xiàn)。

第1步，進行驗證機的設(shè)計點性能及加減速、起動等過渡態(tài)性能考核。根據(jù)經(jīng)驗，發(fā)動機驗證機的地面臺架設(shè)計點性能可在原型機要求的基礎(chǔ)上適當降低；各種狀態(tài)應(yīng)能穩(wěn)定工作；加速時間可以適當放寬，但加、減速過程中，不出現(xiàn)超出瞬態(tài)極限的超溫、超轉(zhuǎn)和不穩(wěn)定工作；起動時間可以適當放寬，但臺架狀態(tài)冷、熱起動應(yīng)可靠。除這些應(yīng)作為考核、驗收指標外，還應(yīng)根據(jù)驗證機最需驗證的關(guān)鍵項目規(guī)定其特有的考核、驗收指標。

第2步，進行驗證機工作包線內(nèi)非設(shè)計點（包括邊界點）的功能檢查和性能摸底。驗證機工作包線可比原型發(fā)動機適當減小，在選定的邊界點上，應(yīng)保證各種狀態(tài)順利切換，工作穩(wěn)定、起動正常。在性能上暴露出的問題，有可能需要更改的結(jié)構(gòu)允許更改。解決暴露問題后再行考核、驗收。

第3步，進行壽命累計試車和專項試車。在試車期間，驗證機應(yīng)工作正常。這些雖不作為考核、驗收指標，但暴露出的問題必須解決。

第4步，凡在原型機上要采用的新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)、新材料和新工藝，應(yīng)在驗證機上進行一定時間的試驗。由于試驗時間不可能充分，它們也可不作為考核、驗收指標，但在原型機上不宜采用未經(jīng)過任何試驗的新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)、新材料和新工藝。

驗證機的最終技術(shù)狀態(tài)應(yīng)該就是原型機的技術(shù)狀態(tài)。

2.2 驗證機的結(jié)構(gòu)組成要求分析

驗證機的總體結(jié)構(gòu)實際上就是為實現(xiàn)原型機性能要求而設(shè)計的。所以，原則上它應(yīng)與原型機相同，只是在設(shè)計新結(jié)構(gòu)時由于材料或工藝問題，暫時不能實現(xiàn)，外部附件尚未開始研制，所以改用馬上就能實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)和現(xiàn)成的代用附件，組成了 “驗證機”。因此：

1）影響性能的流道結(jié)構(gòu)應(yīng)與原型機相同；

2）所有轉(zhuǎn)動部件的結(jié)構(gòu)、承力系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，如中介機匣、中央傳動齒輪和附件傳動機匣等，應(yīng)盡量接近最終結(jié)構(gòu)，以便在試車中對其可靠性進行初步考核；

3）驗證機組成零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)能滿足其性能考核試車及其所需的壽命和可靠性要求，應(yīng)進行足夠的試驗；

4）其余非關(guān)鍵部件，在條件不成熟時，可以簡化和代用，只要滿足功能需要，體積、重量及安裝形式不作嚴格規(guī)定。

3 驗證機的評估、驗收體系分析

型號驗證機是型號研制流程中的一個重要階段，但不是一個產(chǎn)品，因此它的評估與驗收主要是在研制體系內(nèi)部，也就是說驗證機驗收評估體系與研制型號的評估、驗收體系有所不同，但由于它對原型機研制中是否會出現(xiàn)顛覆性的問題，是否會延誤型號研制進度的影響很大，所以對其的考核、驗收及節(jié)點檢查，尤其是暴露問題后的措施效果檢查，使用部門應(yīng)該參與。

3.1 驗證機的評估與驗收的劃分

初步分析，驗證機的評估、驗收應(yīng)分3個階段實施：

1）第1階段是驗證機組裝前的評估、驗收，也就是驗證機技術(shù)狀態(tài)的評估，它包括對驗證機設(shè)計資料的評估驗收、對低壓部件、系統(tǒng)及其部件的試驗器試驗評估及對核心機的評估驗收；

2）第2階段是驗證機性能的地面臺架考核驗收，它包括設(shè)計點的穩(wěn)態(tài)性能、加速性和起動性能等；通過考核驗收后，即可進入原型機設(shè)計節(jié)點；

3）在進入原型機設(shè)計節(jié)點時，并同時開始驗證機的第3階段工作，在這一階段中進行驗證機工作包線內(nèi)的性能檢查及壽命、可靠性累計評估，包括發(fā)動機工作包線內(nèi)典型狀態(tài)點的高空臺試驗和驗證機的累計試車、各專項試車和排故試車。在本階段中，針對存在問題的排故措施應(yīng)及時落實在原型機設(shè)計中。本階段的評估按每項試驗的進展情況隨時進行評估。評估的組織者應(yīng)為研制的總質(zhì)量師系統(tǒng)，評估的參加者應(yīng)根據(jù)評估內(nèi)容而定，各項評估的文件包括試驗報告和設(shè)計、計算分析報告。

3.2 驗證機設(shè)計資料的評估與驗收

評估、驗收的驗證機設(shè)計資料包括（但不限于）：

1）驗證機的技術(shù)狀態(tài)評審結(jié)論；

2）驗證機性能計算報告，包括：

a）設(shè)計點性能計算；

b）在發(fā)動機調(diào)節(jié)規(guī)律初步確定的條件下，利用部件的試驗特性來計算高度、速度特性；巡航特性；節(jié)流特性；

c）強度計算點的氣動參數(shù)；

d）過渡（瞬）態(tài)性能計算；

e）發(fā)動機氣動穩(wěn)定性計算；

f）全機空氣系統(tǒng)的計算；

3）轉(zhuǎn)子動力學特性分析報告；

4）關(guān)鍵件強度計算報告。

3.3 地面試車評估

3.3.1 試驗內(nèi)容

1）臺架點性能的全面測量，從慢車轉(zhuǎn)速到最大轉(zhuǎn)速之間的推力（或功率）和耗油率，同時測量空氣流量、高、低壓轉(zhuǎn)速、排氣溫度、噴口面積以及燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)，以便綜合評定發(fā)動機的性能；

2）發(fā)動機臺架起動試驗，調(diào)整最佳起動參數(shù)；

3）功率瞬變試驗，以此來考核發(fā)動機臺架狀態(tài)的工作穩(wěn)定性；

4）進口畸變試驗，獲取發(fā)動機抗進口畸變的能力；

5）在上述各項試驗中，錄取有關(guān)參數(shù)，檢查燃油系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)和空氣系統(tǒng)的正常工作。必要時，應(yīng)進行專項試車（如空氣系統(tǒng)腔溫、腔壓測量；軸向力測量；發(fā)動機整機振動特性測量；壓氣機葉片和外部管路的振動應(yīng)力和振動模態(tài)測量等）；

6）進行累計試驗，驗證發(fā)動機的工作可靠性；

7）進行排故試車，驗證對發(fā)現(xiàn)問題采取排故措施后的效果。

3.3.2 主要考核指標

下列參數(shù)為主要考核指標：

1）起動過程：起動時間；低壓渦輪后燃氣溫度；

2）慢車狀態(tài)：推力或功率；低壓渦輪后燃氣溫度；

3）過渡過程：加、減速時間；發(fā)動機工作穩(wěn)定性；有無超溫、超轉(zhuǎn)信號；

4）中間狀態(tài)：推力或功率；耗油率；

5）最大狀態(tài)或最大連續(xù)狀態(tài)：推力或功率；耗油率。

3.4 高空性能檢查

3.4.1 試驗內(nèi)容

1）高空性能試驗：在按要求選定的高空試驗點上，錄取規(guī)定狀態(tài)下發(fā)動機的性能和特性。分別在慢車、最大連續(xù)、中間位置、最大功率位置，記錄發(fā)動機的推力或功率、轉(zhuǎn)速、溫度和燃油流量隨時間變化的關(guān)系，并按有關(guān)要求檢驗發(fā)動機的工作穩(wěn) 定性；

2）推力或功率瞬變試驗：在選定的試驗點上，進行推力或功率瞬變試驗，以驗證有關(guān)規(guī)定的推力或功率瞬變性能和空氣流量瞬變特性，確定最大引氣和功率分出單獨或同時作用時對發(fā)動機功率瞬變性能的影響；

3）功能試驗：在發(fā)動機工作包線的極限狀態(tài)運行發(fā)動機，驗證發(fā)動機的工作包線；測量發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)和推力瞬變特性，并測定進氣畸變對穩(wěn)態(tài)性能和推力瞬變特性的影響；

4）起動、再起動試驗：發(fā)動停車后，都應(yīng)在工作包線范圍內(nèi)選定的起動點上進行空中起動、再起動試驗。

3.4.2 主要觀察、記錄指標

驗證機階段對高空試驗不作嚴格的指標要求，高空試驗主要觀察、記錄發(fā)動機在高空條件下發(fā)動機總體氣動和結(jié)構(gòu)的可行性、各部件的工作協(xié)調(diào)性以及各個系統(tǒng)工作的滿意性，以便及早發(fā)現(xiàn)問題，采取改進措施，在原型機研制中予以解決。如高空試驗所測得的性能，不低于穩(wěn)態(tài)性能計算值，并且在高空試驗中測得的性能與海平面測得的性能之比值與規(guī)定值之差應(yīng)不大于±5%，則認為驗證機高空試驗是滿意的。

3.5 新材料、新工藝評估

原型機上需采用的新材料、新工藝在驗證機階段應(yīng)分步進行評估：

1）首先對材料性能進行試驗室評估和加工零件的工藝穩(wěn)定性評估；

2）第2步對選用新材料、新工藝制成的零件進行試驗室試驗，評估其是否達到設(shè)計要求；

3）最終再在驗證機上評估，若該零件在發(fā)動機上的數(shù)量較多，還可分步評估，即先大部分采用成熟材料和工藝的零件，少量采用新材料、新工藝構(gòu)件，進行驗證機試車，然后根據(jù)情況確定是否需要改進新材料、新工藝，再全部采用新材料、新工藝構(gòu)件，進行驗證機評估。

（編輯：勞邊）

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C

1003–6660（2014）01–0007–04

2013-09-17