■ 高倩 吳軍 趙偉光 / 中國航發(fā)動研所

發(fā)動機喘振是指氣流沿壓縮系統(tǒng)軸線方向發(fā)生的低頻率、高振幅振蕩的不穩(wěn)定工作狀態(tài)，會造成發(fā)動機失控、推力突然下降、進氣道和發(fā)動機機械損壞、熄火停車等，嚴重危及飛行安全。在研制過程中，須通過分析或試驗方法確定發(fā)動機喘振裕度，及時發(fā)現(xiàn)存在的風(fēng)險并加以改進。

發(fā)動機逼喘試驗一般有外部擾動法和內(nèi)部擾動法兩種。

外部擾動法主要包括：一是采用發(fā)射模擬導(dǎo)彈或氫燃燒器造成發(fā)動機進口溫度畸變，使發(fā)動機喘振；二是在發(fā)動機進口處安裝模擬網(wǎng)、模擬板、擾流板、唇口裝置、旋流發(fā)生器等試驗裝置，使發(fā)動機進口產(chǎn)生壓力畸變，進而使發(fā)動機喘振。使發(fā)動機進口產(chǎn)生溫度畸變和壓力畸變均需要配置專用的試驗裝置，也需要對試車臺進行適應(yīng)性改造，這種方法成本較高、周期較長。

內(nèi)部擾動法包括以燃燒室燃油階躍、改變發(fā)動機內(nèi)部幾何形狀（如改變噴口面積、葉片導(dǎo)向器角度等）、從飛機引氣口接入高壓氣源等方案致使發(fā)動機喘振。燃燒室燃油階躍法主要是在短時間內(nèi)向燃燒室瞬間噴入較大流量的額外燃油，使得供油量遠大于發(fā)動機維持當前狀態(tài)所需的燃油流量，導(dǎo)致燃燒室中嚴重富油，高壓燃氣在燃燒室淤積堵塞了來流，從而引起發(fā)動機喘振。

根據(jù)渦槳發(fā)動機的結(jié)構(gòu)特征，借鑒渦軸發(fā)動機整機逼喘試驗的相關(guān)經(jīng)驗，可采取從飛機引氣口接入高壓氣源的方法對發(fā)動機進行逼喘試驗。

逼喘試驗測試方案

渦槳發(fā)動機逼喘試驗裝置框圖如圖1所示。高壓氣罐組的高壓氣瓶充氣壓力最高可達13MPa，高壓氣罐組的高壓氣匯入集氣管后，經(jīng)過減壓閥進行減壓，再經(jīng)過電動調(diào)節(jié)閥進行調(diào)節(jié)，最后灌入發(fā)動機p3引氣口，高壓氣流入發(fā)動機內(nèi)部后，會造成流路堵塞，壓氣機流量下降，進而出現(xiàn)喘振。

圖1 渦槳發(fā)動機逼喘試驗裝置

逼喘試驗中，除了需要對常規(guī)的發(fā)動機性能參數(shù)、安全監(jiān)控參數(shù)進行測量外，還需要對發(fā)動機壓氣機各截面的壓力參數(shù)、發(fā)動機轉(zhuǎn)速進行動態(tài)測試。當發(fā)動機發(fā)生喘振時，會造成氣流擺動，氣路堵塞，流道內(nèi)壓力脈動，出口溫度急升和氣流倒流等現(xiàn)象。為了能夠及時判斷發(fā)動機是否發(fā)生喘振現(xiàn)象，需采用動態(tài)測試系統(tǒng)實時監(jiān)測低壓壓氣機和高壓壓氣機進出口的壓力及溫度等參數(shù)變化情況。此外，還需要測量逼喘試驗裝置管路上的壓力參數(shù)。

發(fā)動機逼喘試驗時，在發(fā)動機低壓壓氣機進口截面、高壓壓氣機進口截面和高壓壓氣機出口截面，以及逼喘試驗設(shè)備上進行測點布局，如圖2所示。

圖2 逼喘試驗設(shè)備上測點布局

測試系統(tǒng)及設(shè)備選型

發(fā)動機軸功率試車臺測試系統(tǒng)主要由穩(wěn)態(tài)測試系統(tǒng)和動態(tài)參數(shù)測試系統(tǒng)組成，可以進行氣壓、液壓、流量、溫度、轉(zhuǎn)速、扭矩、功率、振動等各類參數(shù)的測量。對于發(fā)動機總體測量參數(shù)、振動測量參數(shù)、滑油系統(tǒng)測量參數(shù)、燃油與控制系統(tǒng)測量參數(shù)等，均采用原有的測試系統(tǒng)進行測量。

對于逼喘試驗，原動態(tài)參數(shù)測試系統(tǒng)的采集通道有限，需要進行擴展設(shè)計。動態(tài)測試系統(tǒng)主要由高頻響壓阻傳感器、測試線纜和多通道動態(tài)數(shù)據(jù)記錄儀組成。為了能夠?qū)崟r采集快速變化的壓力脈動，試驗時選擇的動態(tài)數(shù)據(jù)記錄儀為德維創(chuàng)（Dewetron）公司的動態(tài)數(shù)據(jù)記錄儀，所有通道數(shù)據(jù)完全同步采集并實時存儲，并可以根據(jù)試驗要求設(shè)置采樣率。由于喘振在壓氣機各部位發(fā)生的先后時差極小，因此需要采用高頻響的動態(tài)壓力傳感器進行測量，以獲得更高的延時分辨率。為減小管腔效應(yīng)，在安裝傳感器時，使各個測點的引壓管路盡可能短，同時為使各截面各測點之間動態(tài)壓力數(shù)據(jù)具有可比性，應(yīng)使引壓管路盡可能一樣長，以實現(xiàn)準確判斷發(fā)動機各部位喘振發(fā)生的先后順序。

試車臺配置的逼喘試驗設(shè)備主要包含高壓氣罐組、集氣管、壓力測量段、減壓閥、電動調(diào)節(jié)閥、電磁閥和管路等。該套逼喘試驗設(shè)備主要是為渦槳發(fā)動機提供高壓氣源，因此需要實時測量高壓氣罐組出口的壓力（減壓閥前的壓力）和灌入發(fā)動機p3引氣口的壓力（電磁閥后的壓力）。高壓氣罐組的高壓氣瓶實際充氣壓力為13MPa，因此減壓閥前的壓力最高可達13 MPa。經(jīng)過減壓閥減壓后，再經(jīng)過電動閥調(diào)節(jié)后最后灌入發(fā)動機p3引氣口的壓力不超過2 MPa。考慮到這兩處壓力較大，而且對壓力測量精度要求不高，因此采用壓力變送器進行測量，壓力變送器的測量精度是±0.25%。

測試探針設(shè)計及安全性評估

由于發(fā)動機的低壓壓氣機進口和高壓壓氣機進口均沒有靜壓測點，為了實時監(jiān)測喘振變化情況，從低壓壓氣機進口五點梳狀總壓探針的5個總壓測點中選取3個測點接入動態(tài)采集系統(tǒng)；從高壓壓氣機進口兩支四點梳狀總壓探針的4個測點中各取2個測點接入動態(tài)采集系統(tǒng)。

為了評估發(fā)動機的喘振裕度，需要了解發(fā)動機喘振時低壓壓氣機和高壓壓氣機的壓比和流量，因此，需要對低壓壓氣機進口、高壓壓氣機進口和高壓壓氣機出口的總壓和總溫進行測量?？倝汉涂倻鼐柰ㄟ^測試探針進行測量，高壓壓氣機進口和出口總壓探針如圖3所示。

圖3 高壓壓氣機進口總壓探針（左）和出口總壓探針（右）

在逼喘試驗期間，考慮到喘振發(fā)生的瞬間，氣動力會突然增大數(shù)倍，同時會伴有非常強烈的機械振動；為了防止測試探針在喘振期間出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，各級測試探針均采取支桿加內(nèi)嵌整流罩的結(jié)構(gòu)，同時支桿與整流罩采用一體式結(jié)構(gòu)設(shè)計。此外，在對每個測試截面的測試探針開展強度校核時，對各截面的總壓和總溫都進行了適當?shù)奶岣?，使測試探針的強度校核條件更加苛刻。經(jīng)過強度校核，各截面的測試探針均滿足使用要求。

為了進一步保證測試探針的安全性，對每一種測試探針多加工了一支用于動強度破壞試驗，并對測試探針分別進行了耐久振動試驗，每個方向分別振動3h。振動試驗結(jié)束后，對測試探針進行無損檢測，未發(fā)現(xiàn)裂紋，表明測試探針通過了振動試驗考核。綜上所述，測試探針的安全性能夠滿足逼喘試驗的要求。

逼喘試驗測試結(jié)果及分析

發(fā)動機在軸功率試車臺分多次開展了不同工作狀態(tài)下的逼喘試驗，各次試驗均出現(xiàn)了明顯的喘振放炮聲。最大巡航狀態(tài)下，試車臺逼喘試驗設(shè)備提供的高壓氣成功灌入發(fā)動機p3引氣口，幾秒鐘后，動態(tài)采集系統(tǒng)顯示pt2、pt25、ps3等參數(shù)均出現(xiàn)異常波動，同時發(fā)動機伴有放炮聲，表明發(fā)動機出現(xiàn)了喘振。

從逼喘試驗動態(tài)測量數(shù)據(jù)和曲線（如圖4、圖5所示）可以得到以下結(jié)論：發(fā)動機喘振持續(xù)時間0.29s時，振幅最高約1200kPa；發(fā)動機喘振時，發(fā)動機進口靜壓、低壓壓氣機進口總壓、高壓壓氣機進口總壓和出口靜壓均出現(xiàn)了大幅的壓力脈動，高壓壓氣機出口總壓及靜壓突降，高壓壓氣機進口總壓先突升，然后下降；發(fā)動機喘振時刻，高壓壓比出現(xiàn)了明顯降低，低壓壓比先降低后升高，之后再降低；喘振持續(xù)時間0.122s時，ps3出現(xiàn)維持2個峰值的小幅高頻變化，這主要是由于放氣閥開度改變引起的變化，2個峰值后ps3開始恢復(fù)，這主要是由于試車臺關(guān)閉高壓氣源，發(fā)動機開始恢復(fù)；T3溫度響應(yīng)較ps3響應(yīng)滯后約0.01s，接入高壓氣后T3溫度從穩(wěn)態(tài)時的450℃降至425℃后又上升至438℃；逼喘期間，發(fā)動機振動量級與逼喘試驗前相當，未發(fā)生明顯變化。

圖4 逼喘試驗動態(tài)測量參數(shù)曲線

圖5 逼喘期間動態(tài)參數(shù)壓比變化

結(jié)束語

渦槳發(fā)動機整機逼喘試驗為驗證發(fā)動機的氣動穩(wěn)定性設(shè)計和后續(xù)的改進改型提供了較好的技術(shù)保障，為發(fā)動機的氣動穩(wěn)定性研究工作提供了有力的測試技術(shù)支持，對渦槳發(fā)動機的氣動穩(wěn)定性評估具有借鑒意義。