張永飛，賈宗蕓，陳 瑋，程文強

（中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南株洲412002）

某型渦軸發(fā)動機吞鳥試驗及驗證

張永飛，賈宗蕓，陳 瑋，程文強

（中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南株洲412002）

為研究吞鳥對渦軸發(fā)動機的影響，進行了3次吞鳥試驗。在試驗中，由氣體炮將鳥射入發(fā)動機進氣道，采用高速攝影儀記錄鳥的運行軌跡和撞擊部位及試驗件形變過程。試驗數(shù)據(jù)表明：在吞鳥過程中發(fā)動機各參數(shù)均大幅波動，持續(xù)時間約為3～4 s，波動過后，功率恢復(fù)時間約為5～9 s，各參數(shù)達到最終狀態(tài)時間約為90～95 s；試驗后發(fā)動機性能有衰減現(xiàn)象，清洗后有所恢復(fù)。經(jīng)孔探和分解檢查可知：鳥的殘骸主要部分未進入發(fā)動機主流道，第1級壓氣機葉片卷曲變形。

吞鳥試驗；渦軸發(fā)動機；氣體炮；高速攝影；性能；卷曲變形

0 引言

隨著飛機數(shù)量和飛機低空高速飛行的增加，由鳥撞引發(fā)的航空事故越來越多，據(jù)統(tǒng)計，鳥撞擊在發(fā)動機上的事故占44%，機翼30%，擋風玻璃13%，飛機前端8%，機身4%[1]。因此，航空發(fā)動機鳥撞問題備受重視，開展吞鳥試驗研究非常有意義。

國外于20世紀50年代開始進行航空發(fā)動機吞鳥試驗研究，于70年代初在發(fā)動機驗收規(guī)范中提出明確要求，現(xiàn)吞鳥試驗技術(shù)已非常成熟。如法國的阿赫冶IC渦軸發(fā)動機于1986年完成吞鳥試驗[2]，英國遄達700和XWB等發(fā)動機均完成吞鳥試驗。

國內(nèi)從20世紀80年代開始進行航空發(fā)動機吞鳥試驗研究。吳大觀于90年代初對發(fā)動機吞鳥試驗進行了詳細描述[3]；葛治美于1998年詳細論述了軍用航空渦輪噴氣和渦輪風扇發(fā)動機吞鳥試驗參數(shù)的選擇和試驗要求[4]。中國于1999年對航空發(fā)動機吞鳥試驗提出明確要求，并將其列入發(fā)動機設(shè)計定型必須開展的試驗項目中[5]。陳瑋于2013年對某渦軸發(fā)動機吞鳥試驗方法進行了詳細研究[6]，并于2014年初進行了發(fā)動機部件鳥撞試驗，于同年6月在某渦扇發(fā)動機上進行了首次吞鳥試驗。繼續(xù)深入開展航空發(fā)動機整機吞鳥試驗尤為重要。

本文結(jié)合某渦軸發(fā)動機的研制需求，參考國內(nèi)外現(xiàn)有資料[3-10]及發(fā)動機吞鳥試驗規(guī)定和經(jīng)驗[11-17]，進行了某渦軸發(fā)動機整機吞鳥試驗及驗證。

1 試驗發(fā)動機和試驗設(shè)備

1.1 試驗發(fā)動機

試驗發(fā)動機是軸向進氣、自由渦輪式渦軸發(fā)動機，動力渦輪軸同心前輸出軸功率。由粒子分離器、組合壓氣機、燃燒室、燃氣渦輪、動力渦輪和附件傳動等組成。

1.2 試車臺

試車臺為地面試車臺，主要由工作平臺、臺架系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、測試系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)和工業(yè)電視系統(tǒng)等組成。

1.3 吞鳥試驗設(shè)備

吞鳥試驗專用投鳥設(shè)備為氣體炮，能按規(guī)定向發(fā)動機進口投射試驗用鳥。同時利用高速攝影裝置記錄鳥的運行軌跡和撞擊部位、試驗件變形和碎裂過程，并對鳥的速度進行測量。

1.3.1 氣體炮

氣體炮主要由激發(fā)釋放機構(gòu)、儲氣罐、氣室、裝彈機構(gòu)、炮筒、彈丸殼（可裝載被投射物）及測控系統(tǒng)等組成。

根據(jù)吞鳥試驗要求對氣體炮進行安裝，使氣體炮投射部位在發(fā)動機進氣道內(nèi)、外安裝邊之間。試驗時，采用2個氣體炮在1 s內(nèi)以規(guī)定速度分別向發(fā)動機進口3點和9點方向2支板之間的部位分別投射1只60～110 g的鳥[7]，鳥的投射位置如圖1所示。

1.3.2 高速攝影裝置

高速攝影裝置由高速攝影相機、圖像采集處理軟件、運動分析軟件、LED燈組、工作站等組成。試驗前對相機視場和被投射物做好標定，試驗時遠程觸發(fā)該裝置，對彈丸進行高速攝影以記錄其運行軌跡，然后對其運行軌跡進行處理，測出其標定點的位移W及幀數(shù)，最后計算出彈丸運行速度和運行時間，其工作原理如圖2所示。

1.3.3 測功器

發(fā)動機為動力渦輪軸同心前輸出，測功器必須安裝在發(fā)動機進氣前端，普通測功器體積太大，嚴重妨礙鳥的投射，根據(jù)試驗需求選用懸掛式、小體積測功器。該測功器的吸功曲線與發(fā)動機工作范圍相匹配，且其外廓尺寸與安裝形式能保證鳥的入射軌跡不受干涉。

1.4 測量設(shè)備及數(shù)據(jù)處理

1.4.1 測量設(shè)備

試驗主要測量設(shè)備及精度見表1。

表1 主要測試設(shè)備

1.4.2 數(shù)據(jù)處理

對穩(wěn)態(tài)參數(shù)，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，采集速率不低于4 Sa/s/ch,性能參數(shù)取3～5 s內(nèi)的滑動算術(shù)平均值，對多支傳感器或多點測量的溫度、壓力參數(shù)均應(yīng)求出平均值。

對過渡態(tài)性能參數(shù)，由動態(tài)測試系統(tǒng)進行高速采集，采樣頻率不低于1 kHz，并用Bessel濾波法進行濾波。

發(fā)動機穩(wěn)態(tài)性能參數(shù)均換算到海平面、靜止、標準大氣條件下進行對比分析。

1.5 試驗設(shè)備布局

試驗前將測功器、氣體炮、高速攝影裝置與發(fā)動機合理安裝。整體布局形式如圖3所示。

在試驗過程中利用2臺高速攝影相機記錄鳥的運行軌跡，相機攝影方向分別垂直于2個炮筒軸線，另1臺記錄鳥撞擊部位和試驗件碎裂過程的可移動式高速攝影相機擺放于發(fā)動機進氣口前。

2 試驗內(nèi)容及程序

2.1 試驗前準備

2.1.1 設(shè)備調(diào)試

試驗前對氣體炮和高速攝影裝置進行聯(lián)合調(diào)試表明，二者可同時遠程觸發(fā)，工作穩(wěn)定可靠，滿足要求。

2.1.2 彈丸的制作

根據(jù)試驗要求和該發(fā)動機進口截面計算得：吞鳥2 只，每只質(zhì)量為 60～110 g[7]。

試驗前，將活的自然鳥現(xiàn)場宰殺，通過修剪翅膀和腿等方式對試驗用鳥進行處理[7]，利用高精電子秤進行稱重，記錄試驗用鳥的質(zhì)量和死亡時間，最后將符合要求的鳥/組合鳥裝入事先準備的彈丸殼。試驗用鳥的概況見表2。

表2 試驗用鳥的概況

2.2 試驗內(nèi)容及程序

為充分研究吞鳥對發(fā)動機的影響，本文進行了3次試驗，吞鳥試驗前后分別進行了發(fā)動機校準和重新校準試驗，試驗程序如下。

2.2.1 發(fā)動機校準試驗

（1）穩(wěn)態(tài)性能錄取。按要求對發(fā)動機進行空慢到最大狀態(tài)之間各狀態(tài)點的穩(wěn)態(tài)性能錄取，各狀態(tài)點停留3 min。

（2）功率變換試驗。在1 s內(nèi)，完成從空慢到中間狀態(tài)和從中間狀態(tài)到空慢的功率變換，記錄完成95%功率變換所需要的時間和達到穩(wěn)定工作所需要的時間。

發(fā)動機重新校準程序同上。

2.2.2 發(fā)動機吞鳥試驗

（1）將2個氣體炮投射間隔設(shè)置為0.5 s；

（2）起動發(fā)動機，上推至中間狀態(tài)，穩(wěn)定運行3 min，按投射開關(guān)投射鳥；

（3）記錄發(fā)動機狀態(tài)恢復(fù)的時間，再穩(wěn)定運行5 min，下拉發(fā)動機狀態(tài)，停車。

3 試驗數(shù)據(jù)與分析

3.1 第1次吞鳥試驗

第1次試驗用鳥為“一大一小”（表2）。

試驗中，鳥撞擊發(fā)動機的位置滿足要求。在撞擊過程中，發(fā)動機進口支板未變形或碎裂，各參數(shù)均發(fā)生波動，如圖4～6所示。

圖中參數(shù)均為無量綱化參數(shù)，具體含義如下：ng/ng0為燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)速；ns/ns0為發(fā)動機輸出軸轉(zhuǎn)速；sfc/sfc0為燃油耗油率；T45/T450為排氣溫度；P/P0為發(fā)動機輸出功率；π/π0為壓比；η/η0為壓氣機效率；PS3/PS30為離心壓氣機出口壓力；ZDP為壓氣機振動；ZDM/F為中/附件機匣振動；ZDT為渦輪振動。

從圖4～6中可見，吞鳥時發(fā)動機各參數(shù)劇烈波動時間持續(xù)約3.5 s。波動過后，功率恢復(fù)時間約為6 s（穩(wěn)定約7 s，后逐步降低），各參數(shù)達到最終狀態(tài)時間約為92 s。

從圖 4 中可見，ng/ng0、sfc/sfc0、T45/T450先增大再減小，最后小幅增大基本達到吞鳥前狀態(tài)，并穩(wěn)定運行；ns/ns0、P/P0先減小再增大然后再減小，最后小幅增大基本達到吞鳥試驗前狀態(tài)。從圖5中可見，各參數(shù)均先減小再增大，最后小幅增大基本達到吞鳥試驗前狀態(tài)。各參數(shù)具體變化見表3。

從表中可見，在發(fā)動機吞鳥過程中，耗油率波幅最大，為+5.5%，壓氣機出口壓力波幅為-4.8%，排氣溫度的波幅為+3.27%；吞鳥后，各參數(shù)達到最終狀態(tài)值與吞鳥前的數(shù)值相比，功率損失最大為-5.3%，壓氣機出口壓力損失為-3.7%，壓比損失為-3.6%。經(jīng)分析可知，在吞鳥過程中，因鳥經(jīng)進氣道進入壓氣機，造成發(fā)動機進氣流量減少，導致壓氣機出口壓力降低，排氣溫度升高，耗油率增大。吞鳥過后，鳥的部分殘骸滯留在發(fā)動機內(nèi)部（詳見第4節(jié)），造成發(fā)動機性能惡化、壓氣機效率降低等。

從圖6中可見，在發(fā)動機吞鳥過程中，振動值均減小，吞鳥后基本恢復(fù)至吞鳥前狀態(tài)，其中ZDT225和ZDMy有突越，但均在限制值內(nèi)。

3.2 第2次吞鳥試驗

第2次試驗用鳥仍為“一大一小”（表2）。

在試驗中，鳥撞擊發(fā)動機的位置滿足要求。在撞擊過程中，發(fā)動機進口支板未變形或碎裂，各參數(shù)均發(fā)生波動，如圖7～9所示。

從圖7～9中可見，吞鳥時各參數(shù)劇烈波動時間持續(xù)約3.8 s，波動過后，功率恢復(fù)時間約7 s（穩(wěn)定約18 s，后逐步降低），各參數(shù)達到最終狀態(tài)時間約93 s。

圖7、8中參數(shù)變化趨勢同圖4、5。各參數(shù)具體變化見表4。

表4 第2次吞鳥試驗發(fā)動機參數(shù)變化值

從表中可見，在發(fā)動機吞鳥過程中，排氣溫度波幅最大，為+4.22%，壓氣機效率波幅為-3.1%；吞鳥后，各參數(shù)達到最終狀態(tài)值與吞鳥前的數(shù)值相比，功率損失最大為-6.93%，壓氣機出口壓力損失為-4.9%，壓比損失為-4.22%。其原因同第3.1節(jié)。

從圖9中可見，在發(fā)動機吞鳥過程中，振動值均增大，其中，ZDMz增大2.5mm/s，吞鳥后振動值相對穩(wěn)定，ZDT225和ZDMy有突越，但均在限制值內(nèi)。

3.3 第3次吞鳥試驗

第3次試驗用鳥為“兩小”（表2）。

在試驗中，鳥撞擊發(fā)動機的位置滿足要求。在撞擊過程中，發(fā)動機進口支板未變形或碎裂，各參數(shù)均發(fā)生波動，性能參數(shù)、壓氣機參數(shù)、振動曲線分別如圖10～12所示。

從圖10～12中可見，吞鳥時各參數(shù)劇烈波動時間持續(xù)約3.6 s。波動后，功率恢復(fù)時間約7.1 s（穩(wěn)定約5 s，后逐步降低），各參數(shù)達到最終狀態(tài)時間約94 s。

圖10、11中參數(shù)變化趨勢同圖4、5。發(fā)動機參數(shù)具體變化見表5。

表5 第3次試驗發(fā)動機參數(shù)變化值

從表中可見，在發(fā)動機吞鳥過程中，排氣溫度波幅最大，為+4.73%，壓氣機性能波幅為-4.1%；吞鳥后，各參數(shù)達到最終狀態(tài)值與吞鳥前的數(shù)值相比，功率損失最大為-8.45%，壓氣機出口壓力損失為-6.0%，壓比損失為-5.37%。其原因同第3.1節(jié)。

由上分析得，在該吞鳥試驗中，“2只小鳥”對發(fā)動機性能造成的影響大于“一大一小”的鳥。

從圖12中可見，在發(fā)動機吞鳥過程中，振動值均有波動，吞鳥后振動值相對穩(wěn)定，且均在限制值內(nèi)。

3.4 發(fā)動機吞鳥試驗前后校準對比

3.4.1 性能

發(fā)動機每進行1次吞鳥試驗，先做重新校準，后清洗，再做重新校準。第1、2次吞鳥試驗后性能有衰減，清洗后性能均恢復(fù)至吞鳥前的狀態(tài)，第3次吞鳥試驗后，發(fā)動機完成清洗，再進行性能錄取，仍然存在性能衰減現(xiàn)象。清洗前，在最大巡航、中間、最大狀態(tài)，在相同溫度下功率衰減分別為3.84%、3.54%、3.19%；清洗后衰減分別為0.81%、0.85%、0.94%，詳見表6。

表6 第3次吞鳥試驗前后性能對比

3.4.2 功率變換

在發(fā)動機吞鳥試驗前和第1、3次吞鳥試驗后進行功率變換試驗，數(shù)據(jù)見表7。

表7 功率變換試驗數(shù)據(jù)

從表中可見，在吞鳥試驗后，發(fā)動機加速過程的加速和恢復(fù)穩(wěn)定的時間均變長；減速過程的減速時間變短，恢復(fù)穩(wěn)定的時間變長。

4 發(fā)動機孔探和分解檢查

4.1 第1次吞鳥試驗后孔探檢查

試驗后經(jīng)孔探檢查發(fā)現(xiàn)：1號鳥殘骸卡在中機匣2點鐘反旋葉片進口處和主機匣渦形葉片處，未對主氣流通道造成影響，2號鳥殘骸卡在中機匣7點鐘反旋葉片進口處，堵塞約1.5個通道；在壓氣機葉片上均未見鳥的肉渣；在鼓風機內(nèi)和其后面正對固壁面上有很多細小的殘渣。經(jīng)分析認為該肉渣是經(jīng)粒子分離器分離出的部分鳥被鼓風機葉輪絞碎排出所致。

4.2 第2次吞鳥試驗后孔探檢查

試驗后經(jīng)孔探檢查發(fā)現(xiàn)：1號鳥殘骸卡在中機匣2點鐘反旋葉片進口處，堵塞約2個通道；未見2號鳥大塊殘骸卡在中機匣；在鼓風機內(nèi)和其后正對的固壁面上有很多細小的肉渣和羽毛；在壓氣機葉片及渦輪葉片上均未見鳥的殘骸。

4.3 第3次吞鳥試驗后孔探檢查

試驗后經(jīng)孔探檢查發(fā)現(xiàn)：第1級壓氣機葉片有1片葉尖部位卷曲變形，其相鄰的1片葉尖中部微微變形，其它壓氣機葉片正常；1號鳥殘骸卡在主機匣約2點方向渦形葉片前緣；2號鳥有1支翅膀卡在主機匣約8點方向渦形葉片前緣；在0級導葉處有少量羽毛；在鼓風機內(nèi)和其后正對固壁面上有少量羽毛和細小的殘渣。

4.4 發(fā)動機分解檢查

因第1、2次吞鳥試驗和孔探檢查正常，未對發(fā)動機進行分解檢查。

第3次試驗后，發(fā)動機分解檢查結(jié)果如下：在鼓風機進口處卡著2只鳥，經(jīng)分析得知，這2只鳥是第1次試驗的2號鳥和第3次試驗的2號鳥；第1級壓氣機1片葉片卷曲變形（如圖13所示），另一相鄰葉片也被擊傷變形，變形量約0.2 mm；第2級葉片盤葉尖有刮磨痕跡，對應(yīng)的壓氣機涂層有輕微刮磨；壓氣機0級導葉前緣、第2級靜子前緣處仍有羽毛黏結(jié)，其他正常。

5 結(jié)論

綜合上述研究和分析得出以下結(jié)論：

（1）試驗方法合理可行，試驗專用設(shè)備滿足試驗要求；

（2）在吞鳥過程中，發(fā)動機各參數(shù)均有明顯波動，波動持續(xù)時間約為3～4 s，波動過后，功率恢復(fù)時間約為5～9 s，各參數(shù)達到最終狀態(tài)時間約為90～95 s；

（3）吞鳥后，發(fā)動機性能有衰減現(xiàn)象，其中功率損失最大，清洗有助于性能恢復(fù)；

（4）吞鳥試驗后，發(fā)動機的加速性和恢復(fù)穩(wěn)態(tài)的能力降低；

（5）在吞鳥試驗中，與大鳥相比，小鳥更容易進入流道，對發(fā)動機性能產(chǎn)生更大影響，對發(fā)動機結(jié)構(gòu)造成更大損傷；

（6）帶粒子分離器的發(fā)動機，鳥的殘渣會經(jīng)粒子分離器被鼓風機排出，鳥殘骸的主要部分一般不會進入主流道。

本文研究成果可為同類或其它發(fā)動機的吞鳥試驗提供參考。

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Bird Ingestion Test and Verification of a Turboshaft Engine

ZHANG Yong-fei,JIA Zong-yun,CHEN Wei,CHENG Wen-qiang
（AECC Aviation Powerplant Research Institute， Zhuzhou Hunan 412002， China）

To study the influence of bird ingestion on turboshaft engine,3 bird ingestion tests were carried out.During the bird ingestion test,the birds were shot into air inlet duck by air cannons.Meanwhile,the highspeed photography equipment recorded the running path,the strike position of birds and the engine deformation process.The test data shows that engine parameters fluctuated by a large margin,the fluctuation continues about 3～4 second during the bird ingestion.And power recovering steady state needs about 5～9 seconds,but engine parameters reaching ultimately state needs about 90～95 seconds.After the test,there is decay of engine performance.However,engine performance get some recovery by washing.Through boresoope inspection and disassembly inspection,there isn't bird's remains in main channel.A blade of the primary compressor crimps and deforma.

bird ingestion test;turboshaft engine;air cannons;high-speed photography;performance;crimp deformation

V 233

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2017.05.011

2017-03-01

張永飛（1985），女，碩士，工程師，從事航空發(fā)動機整機試驗研究工作；E-mail：zhyfei608@163.com。

張永飛，賈宗蕓，陳瑋，等.某型渦軸發(fā)動機吞鳥試驗及驗證[J].航空發(fā)動機，2017，43（5）：62-68.ZHANG Yongfei,JIA Zongyun,CHEN Wei,et al.Bird ingestion test and verification of a turboshaft engine[J].Aeroengine，2017，43（5）：62-68.

（編輯：李華文）