張 清,崔 博，霍 楓

(中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所 航機(jī)總體設(shè)計二部，沈陽 110015)

飛機(jī)在使用過程中可能遭遇冰雹等極端的自然現(xiàn)象，對發(fā)動機(jī)構(gòu)成極大的傷害。對于渦扇發(fā)動機(jī)來說，在遭遇冰雹撞擊后可能會造成風(fēng)扇葉片、進(jìn)氣整流罩等發(fā)動機(jī)進(jìn)口處的結(jié)構(gòu)損傷，進(jìn)入到核心機(jī)的冰或水會引起壓氣機(jī)喘振，還會引起發(fā)動機(jī)燃燒室不穩(wěn)定燃燒和燃燒效率降低，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)推力損失[1-3]。

吞雹能力驗(yàn)證是航空渦扇發(fā)動機(jī)軍用規(guī)范和民航適航性要求規(guī)定的試驗(yàn)項(xiàng)目之一,目的是評定發(fā)動機(jī)在降雹環(huán)境下的使用性能和抗冰雹沖擊的能力,驗(yàn)證冰雹沖擊對發(fā)動機(jī)的影響及后果[4]。通過地面吞雹試驗(yàn)，驗(yàn)證規(guī)定冰雹數(shù)量、規(guī)格、速度、撞擊位置和發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)下，冰雹對發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)損傷和推力損失度的影響。

國外三大發(fā)動機(jī)公司在80年代就具備了吞雹試驗(yàn)?zāi)芰Γ_展了相關(guān)的發(fā)動機(jī)整機(jī)吞雹試驗(yàn)技術(shù)研究[5]。賀偉[1]開展了民用大涵道比發(fā)動機(jī)吞冰試驗(yàn)研究，對吞雹試驗(yàn)的設(shè)備和試驗(yàn)方法進(jìn)行了初步的闡述；韓飛聽等[6]開展了航空飛行器冰雹撞擊實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究，對冰雹撞擊的試驗(yàn)設(shè)備及系統(tǒng)進(jìn)行了研究，為整機(jī)試驗(yàn)方法的確定提供了研究基礎(chǔ)；曾海軍[7]對航空發(fā)動機(jī)進(jìn)氣結(jié)冰適航要求和符合性方法進(jìn)行了研究，為吞雹能力驗(yàn)證方法提供借鑒；鄒寶軍等[8-9]對某型渦軸發(fā)動機(jī)吞冰試驗(yàn)方法進(jìn)行了研究，按照軍用標(biāo)準(zhǔn)和型號規(guī)范開展吞冰片和冰雹試驗(yàn)的設(shè)備和試驗(yàn)方法驗(yàn)證。目前，尚未見到針對我國渦扇發(fā)動機(jī)按照適航規(guī)定CCAR 33.78要求進(jìn)行吞雹驗(yàn)證試驗(yàn)的具體方法[10]。

本文根據(jù)CCAR 33.78條款中對吞雹試驗(yàn)的要求，結(jié)合國外民航發(fā)動機(jī)吞雹試驗(yàn)情況，研究了某大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)吞雹適航符合性驗(yàn)證試驗(yàn)方法，填補(bǔ)了國內(nèi)試驗(yàn)相關(guān)研究空白。CCAR 33.78條款包括吞雨和吞雹兩部分內(nèi)容要求，本文以其中的吞大冰雹試驗(yàn)要求為例進(jìn)行適航符合性驗(yàn)證試驗(yàn)方法研究。

1 試驗(yàn)參數(shù)分析

臺架吞冰雹試驗(yàn)參數(shù)的選取主要包括冰雹物理參數(shù)、冰雹投射參數(shù)和試驗(yàn)狀態(tài)參數(shù)。

1.1 冰雹物理參數(shù)

冰雹物理參數(shù)包括冰雹的規(guī)格、數(shù)量、密度和硬度，在CCAR 33.78條款中有明確要求[11]。

冰雹的規(guī)格包括直徑25 mm和50 mm兩種；冰雹的數(shù)量按照進(jìn)氣道面積計算獲得，面積大于0.064 m2的發(fā)動機(jī)，每0.096 8 m2面積或其余數(shù)為1顆直徑25 mm和1顆直徑50 mm的冰雹；冰雹的密度為0.80～0.90 g/cm3；為了模擬真實(shí)環(huán)境下的硬度情況，要求冰雹由冰片模壓制成球形，并在-40 ℃的冰箱內(nèi)保存24 h。

1.2 冰雹投射參數(shù)

冰雹投射參數(shù)包括冰雹撞擊位置和速度，在CCAR 33.78條款中有定性要求，根據(jù)發(fā)動機(jī)的實(shí)際參數(shù)分析確定。

1.2.1 冰雹撞擊位置

CCAR 33.78條款中，冰雹投射位置要求一半數(shù)量的冰雹應(yīng)隨機(jī)投向整機(jī)進(jìn)氣道前方的區(qū)域，而另一半則應(yīng)投向進(jìn)氣道正前方的關(guān)鍵區(qū)域。

其中，關(guān)鍵區(qū)域的選取以對進(jìn)口的風(fēng)扇葉片損傷和進(jìn)入核心機(jī)后的氣動穩(wěn)定裕度損失的綜合影響為目標(biāo)，通過數(shù)值仿真分析方法獲得具體結(jié)果。對于某大涵道比發(fā)動機(jī)，通過分析可以初步得到如下結(jié)論：

(1)冰雹撞擊葉片凸肩位置時，會撞擊到凸肩迎風(fēng)位置，造成凸肩出現(xiàn)塑性應(yīng)變，影響其減振作用；

(2)冰雹撞擊葉片葉尖位置時損傷最大，前緣出現(xiàn)較大塑性應(yīng)變；

(3)冰雹撞擊葉根和葉中位置時不會引起結(jié)構(gòu)損傷，但能夠進(jìn)入核心機(jī)。

1.2.2 冰雹撞擊速度

CCAR 33.78條款中，冰雹投射速度要求模擬飛機(jī)在最大高度達(dá)4 500 m的顛簸氣流中飛行的典型飛行條件下，發(fā)動機(jī)以最大真實(shí)空速吸入冰雹的速度來確定。

冰雹投射速度的確定還要根據(jù)發(fā)動機(jī)配裝的具體飛機(jī)使用情況確定，對于一般的大涵道比發(fā)動機(jī)，冰雹的投射速度在500～700 km/h。

1.3 試驗(yàn)狀態(tài)參數(shù)

發(fā)動機(jī)吞雹時，需要模擬飛機(jī)在4 500 m高度的典型飛行條件下，發(fā)動機(jī)的最大連續(xù)功率狀態(tài)。對于一般的大涵道比發(fā)動機(jī)，試驗(yàn)在發(fā)動機(jī)最大連續(xù)狀態(tài)對應(yīng)的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下進(jìn)行。發(fā)動機(jī)吸雹后需繼續(xù)在原狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)5 min，檢查發(fā)動機(jī)推力恢復(fù)時間與推力恢復(fù)程度以及性能參數(shù)與控制參數(shù)的變化情況，試驗(yàn)狀態(tài)如圖1所示。

1.4 國外民航發(fā)動機(jī)吞雹試驗(yàn)參數(shù)

CFMI公司的CFM56-7B發(fā)動機(jī)和GE公司的GE90-115B發(fā)動機(jī)吞雹試驗(yàn)參數(shù)見表1、圖2、圖3所示，可為某大涵道比發(fā)動機(jī)提供借鑒。

圖1 吞雹試驗(yàn)狀態(tài)

表1 冰雹參數(shù)示意

圖2 CFM56-7B發(fā)動機(jī)吞雹試驗(yàn)示意圖

圖3 3GE90-115B發(fā)動機(jī)吞雹試驗(yàn)示意圖

2 試驗(yàn)設(shè)備要求

吞雹試驗(yàn)一般都是在露天地面試車臺上進(jìn)行，基本組成通常包括試車臺架、各個工藝系統(tǒng)、各工藝件、控制間、數(shù)據(jù)采集間及各種輔助工藝裝置，冰雹制作裝置、投射裝置和發(fā)動機(jī)周圍的安全防護(hù)措施。

2.1 試驗(yàn)臺和投雹裝置

GE公司為GE90發(fā)動機(jī)最新制造的結(jié)構(gòu)完整性試車臺如圖4所示，可以進(jìn)行吞水、吞雹、吞鳥、包容、超溫超轉(zhuǎn)等各種破壞性試驗(yàn)，能夠承受發(fā)動機(jī)吸鳥、雹、水和葉片飛失后的附加沖擊載荷能力。

冰雹投射裝置即空氣發(fā)射炮位于發(fā)動機(jī)的進(jìn)口，由4門直徑相同的炮管組成，通過固定在地面上的架子定位，并在炮架周邊布置了照明裝置和測速裝置，雹炮能夠提供出口冰雹速度200 m/s。

圖4 GE發(fā)動機(jī)吞雹試驗(yàn)露天臺

試驗(yàn)中，要求冰雹投射裝置能夠提供發(fā)動機(jī)飛行中可能遇到的冰雹氣象條件，主要由冰雹發(fā)射系統(tǒng)、速度測量系統(tǒng)、高速攝像系統(tǒng)、雹炮控制系統(tǒng)、強(qiáng)光照明系統(tǒng)等部分組成。試驗(yàn)中，通過控制高壓氣炮發(fā)射冰雹，并按照試驗(yàn)需求將冰雹安裝到彈殼中，控制壓縮的高壓空氣驅(qū)動彈殼發(fā)射。一般情況下，冰雹空氣發(fā)射炮與鳥體發(fā)射炮為同一套設(shè)備，也可用于吞鳥試驗(yàn)。

圖5為試車臺架示意圖，雹炮裝置與發(fā)動機(jī)相對位置如圖6所示。為了適應(yīng)各類民用發(fā)動機(jī)的試驗(yàn)需求，一般吞雹試驗(yàn)臺架主要指標(biāo)要求如下[12]：

(1)發(fā)動機(jī)最大推力:≤450 kN；

(2)最大發(fā)射速度：200 m/s；

(3)最大冰雹數(shù)量：72個/次(半徑25～50 mm)；

(4)冰雹發(fā)射裝置：投大鳥(1.85～3.65 kg)大炮1門，投中鳥(0.35～1.15 kg)中炮8門，投小鳥(85 g)小炮16門；

(5)速度測量精度：氣炮前端設(shè)置三點(diǎn)激光測速裝置，精度為1%。

在確定冰雹發(fā)射裝置的出口與發(fā)動機(jī)進(jìn)口的距離時，應(yīng)保證空氣炮對發(fā)動機(jī)工作穩(wěn)定性影響最小，具體距離的確定要根據(jù)發(fā)動機(jī)的實(shí)際情況確定。對于一般的大涵道比發(fā)動機(jī)，距離是3.5～5 m。

圖5 試車臺架示意圖

圖6 投雹裝置與發(fā)動機(jī)相對位置圖

2.2 測試系統(tǒng)

為了準(zhǔn)確評估冰雹撞擊后對航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)和氣動穩(wěn)定性的影響，試驗(yàn)要具備功能完整、準(zhǔn)確度高的測試系統(tǒng)。

(1)通過常規(guī)參數(shù)測量系統(tǒng)評估冰雹對發(fā)動機(jī)性能的影響，需重點(diǎn)關(guān)注冰雹撞擊前后高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、排氣溫度、振動脈動等參數(shù)；

(2)通過固定在風(fēng)扇機(jī)匣、軸承座和安裝系統(tǒng)上的應(yīng)變片和振動傳感器，測量應(yīng)力和振動情況，得到冰雹撞擊引起的轉(zhuǎn)子振動和應(yīng)力水平；

(3)為了保證發(fā)動機(jī)進(jìn)口的冰雹滿足試驗(yàn)指標(biāo)要求，需要進(jìn)行冰雹速度、位置測量，并對冰雹和風(fēng)扇葉片的顏色進(jìn)行標(biāo)識。

2.3 輔助裝置

為了真實(shí)模擬飛行中發(fā)動機(jī)的試驗(yàn)需求，一般吞雹試驗(yàn)臺架還要配備如下裝置：

(1)使用飛機(jī)進(jìn)氣道或等效替代品，等效進(jìn)氣道的重量、重心，模擬發(fā)動機(jī)安裝在飛機(jī)狀態(tài)下的進(jìn)口安裝結(jié)構(gòu)和安裝系統(tǒng)的受力；

(2)安裝飛機(jī)交流發(fā)電機(jī)和飛機(jī)液壓泵或二者等效替代品，等效飛機(jī)附件重量和靜懸掛力矩，模擬安裝在飛機(jī)狀態(tài)的發(fā)動機(jī)安裝系統(tǒng)受力；

(3)使用高速攝像機(jī)及配套燈光，覆蓋發(fā)動機(jī)進(jìn)口與噴口等關(guān)鍵部位，清晰記錄冰雹撞擊全過程、葉片變形和發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)等，攝影機(jī)布局如圖7所示；

(4)設(shè)置防護(hù)裝置，用于安全防護(hù)與高能碎片的收集，保證試驗(yàn)設(shè)備、人員的安全。

圖7 攝影裝置與發(fā)動機(jī)相對位置圖

3 試驗(yàn)過程分析

3.1 冰雹制備

吞雹試驗(yàn)前，應(yīng)制備足夠的冰雹，以滿足試驗(yàn)需求。冰雹的制備通常在一定的環(huán)境溫度下，用水和模具制備。

冰雹模具材料包括橡膠、鋁合金等，制作冰雹所使用的水的種類、冰凍溫度、冰凍時間等均對冰雹的質(zhì)量、密度、硬度有影響。制作冰雹時可在冰雹內(nèi)部加入醫(yī)用棉絮等材料，用來增加冰雹韌性；提高蘇打水含量可降低冰雹的密度;為保證冰雹吸入過程能夠被清晰記錄，可對冰雹進(jìn)行染色處理。制作的冰雹應(yīng)在-10～-20 ℃條件下冷凍48 h并進(jìn)行密度測量。

3.2 校準(zhǔn)試驗(yàn)

為保證吞雹試驗(yàn)中雹炮所發(fā)射的冰雹能夠以指定的速度撞擊到發(fā)動機(jī)的預(yù)定位置，需要在試驗(yàn)前進(jìn)行冰雹發(fā)射校準(zhǔn)試驗(yàn)，調(diào)試冰雹的發(fā)射速度和位置。冰雹發(fā)射校準(zhǔn)試驗(yàn)需使用與試驗(yàn)需求狀態(tài)一致的冰雹，但無須運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)。

冰雹發(fā)射速度調(diào)試主要通過調(diào)整雹炮高壓空氣氣動壓力，實(shí)現(xiàn)不同的氣動壓力對應(yīng)不同的發(fā)射速度。通過改變氣動壓力，進(jìn)行多次冰雹發(fā)射，標(biāo)定出氣動壓力與冰雹發(fā)射速度之間的關(guān)系曲線，得到炮筒發(fā)射冰雹的速度特性曲線V雹=f(P炮)，并標(biāo)定出每個炮筒發(fā)射速度曲線[13]。

冰雹撞擊位置調(diào)試主要通過炮筒位置調(diào)整與校靶實(shí)現(xiàn)，其原理如圖8所示。校靶時可根據(jù)試車臺架實(shí)際情況確定靶板安裝位置，如靶板無法安裝到風(fēng)扇實(shí)際截面位置，可安裝到炮筒出口截面與風(fēng)扇截面之間的任意截面，確保靶板截面與風(fēng)扇截面平行，確定靶板安裝位置后，在靶板上標(biāo)記出冰雹撞擊位置，所使用的每個炮筒均需要校靶。

圖8 校靶原理圖

3.3 試驗(yàn)過程

為了有效地評估遭遇冰雹條件下的發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)損傷和性能衰減情況，試驗(yàn)前應(yīng)完成但不限于如下工作，以保證試驗(yàn)順利開展。

(1)檢查并保證試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)技術(shù)狀態(tài)滿足要求；

(2)發(fā)動機(jī)、臺架、冰雹發(fā)射裝置、測試系統(tǒng)等功能和性能完好，滿足試驗(yàn)要求；

(3)試驗(yàn)當(dāng)日天氣應(yīng)保證冰雹在試驗(yàn)準(zhǔn)備過程中不融化，一般溫度不高于10 ℃；

(4)試驗(yàn)安全防護(hù)措施完備；

(5)錄取自然條件下發(fā)動機(jī)基線性能參數(shù)、風(fēng)扇機(jī)匣應(yīng)力、風(fēng)扇轉(zhuǎn)子振動參數(shù)及發(fā)動機(jī)其他參數(shù)；

(6)錄取氣炮空炮發(fā)射下發(fā)動機(jī)基線性能參數(shù)、整機(jī)振動參數(shù)及發(fā)動機(jī)其他參數(shù)；

具備試驗(yàn)條件后，完成如下試驗(yàn)內(nèi)容：

(1)按照試驗(yàn)大綱進(jìn)行試驗(yàn)，在預(yù)定狀態(tài)投射冰雹，錄取發(fā)動機(jī)吞雹前后的基線性能參數(shù)、風(fēng)扇機(jī)匣應(yīng)力、風(fēng)扇轉(zhuǎn)子振動參數(shù)及發(fā)動機(jī)其他參數(shù)；

(2)根據(jù)第(6)步確定的空炮對發(fā)動機(jī)性能參數(shù)影響范圍，確定吞雹后的性能指標(biāo)和結(jié)構(gòu)損傷是否滿足規(guī)定的要求并提出更改措施。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 發(fā)動機(jī)工作參數(shù)計算

發(fā)動機(jī)工作參數(shù)的波動是其不能穩(wěn)定工作的典型特征，能夠直接反映其是否工作正常。通常需要監(jiān)控的發(fā)動機(jī)工作參數(shù)有高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、排氣溫度等。通過計算對比吞雹前后參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差,得出發(fā)動機(jī)工作參數(shù)的波動情況。

當(dāng)發(fā)動機(jī)達(dá)到給定功率狀態(tài)后，錄取吞雹前后一定時間(選取20 s)的發(fā)動機(jī)工作參數(shù)，假定試驗(yàn)點(diǎn)樣本數(shù)為N，其統(tǒng)計方法如下：

(1)將N個數(shù)據(jù)樣本點(diǎn)排列成數(shù)據(jù)序列；

(1)

(2)

其中，參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差S的大小直接反映了數(shù)據(jù)參數(shù)的離散程度，在給定發(fā)動機(jī)狀態(tài)下(發(fā)動機(jī)油門桿角度不變)，工作參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差S越大，表明該參數(shù)的波動量越大，說明發(fā)動機(jī)的工作穩(wěn)定性越差[14]。

4.2 持續(xù)功率損失分析

渦扇發(fā)動機(jī)吞雹后仍應(yīng)具備飛行續(xù)航能力，沒有不可接受的功率損失，推力應(yīng)能夠恢復(fù)到最大連續(xù)功率狀態(tài)推力的90%，即單次吞雹后允許的性能退化低于10%[15]。

發(fā)動機(jī)功率損失通過計算對比給定運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下吞雹前后的推力變化來反映。通常考慮到推力恢復(fù)的情況，以錄取吞雹前后一段時間內(nèi)(前后各不低于10 s)的推力進(jìn)行計算分析。

4.3 結(jié)構(gòu)損傷分析

發(fā)動機(jī)吞雹后應(yīng)保持結(jié)構(gòu)完整性，不得有危及發(fā)動機(jī)使用安全的結(jié)構(gòu)損傷。

試驗(yàn)后，需將發(fā)動機(jī)分解，以檢查冰雹對發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)損傷程度，并形成檢查結(jié)果報告。對于風(fēng)扇/增壓級、壓氣機(jī)流道件需重點(diǎn)檢查，特別是對于風(fēng)扇葉片，應(yīng)重點(diǎn)記錄其損失結(jié)構(gòu)形貌特點(diǎn)和尺寸。對風(fēng)扇、高壓壓氣機(jī)盤的關(guān)鍵尺寸進(jìn)行測量，對風(fēng)扇、增壓級葉片、外涵靜子葉片、高壓第一、二級轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)行熒光檢查，對帽罩、分流環(huán)、風(fēng)扇后支板進(jìn)行目視檢查。

5 結(jié)論

本文介紹了開展大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)吞雹試驗(yàn)的重要意義和必要性，重點(diǎn)研究了按照CCAR33.78條款開展露天試車臺吞雹試驗(yàn)的冰雹參數(shù)、試驗(yàn)設(shè)備和測試系統(tǒng)要求，給出了試驗(yàn)前準(zhǔn)備和試驗(yàn)過程要點(diǎn)，提出了正式試驗(yàn)過程，給出了試驗(yàn)結(jié)果分析方法和重點(diǎn)，為指導(dǎo)某大涵道比發(fā)動機(jī)臺架吞雹試驗(yàn)提供了方法和建議。