王偉生 代 冰 尹志華 劉 辰 肖金彪
(1. 中航工業(yè)航空動(dòng)力機(jī)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(dòng)機(jī)驗(yàn)證機(jī)考核與評估標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)力機(jī)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(dòng)機(jī)研制的驗(yàn)證機(jī)情況,提出了航空發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證機(jī)驗(yàn)收的技術(shù)考核指標(biāo)和評估體系,可為航空發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證機(jī)驗(yàn)收考核及評估方法標(biāo)準(zhǔn)的制定提供參考。
航空發(fā)動(dòng)機(jī);驗(yàn)證機(jī);標(biāo)準(zhǔn)研究
驗(yàn)證機(jī)通常分為技術(shù)驗(yàn)證機(jī)和型號驗(yàn)證機(jī)。技術(shù)驗(yàn)證機(jī)用來驗(yàn)證新技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)條件下的適用性。型號驗(yàn)證機(jī)用來證明研制單位已經(jīng)具備發(fā)展該型發(fā)動(dòng)機(jī)能力的一種驗(yàn)證手段,驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)技術(shù)先進(jìn)國家的主要型號研制都是通過驗(yàn)證機(jī)的技術(shù)積累后開展型號研制。我國多型發(fā)動(dòng)機(jī)研制也經(jīng)歷了驗(yàn)證機(jī)研制,如某發(fā)動(dòng)機(jī)就是經(jīng)過十多年預(yù)研及驗(yàn)證機(jī)驗(yàn)證后才開展型號立項(xiàng)研制,最終定型。
但驗(yàn)證機(jī)的考核、驗(yàn)收指標(biāo)、評估體系目前還缺少統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。本文通過對國內(nèi)、外驗(yàn)證機(jī)研制情況歸納、總結(jié),分析了發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證機(jī)的考核、驗(yàn)收指標(biāo)和評估體系。
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(jī)的F404發(fā)動(dòng)機(jī)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(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī),YJ101發(fā)動(dòng)機(jī)就是F404的驗(yàn)證機(jī)。1972年完成了核心發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)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(yàn)證機(jī)研究周期近5年。1979年12月F404發(fā)動(dòng)機(jī)通過定型試車并批準(zhǔn)投入生產(chǎn),可見,F(xiàn)404發(fā)動(dòng)機(jī)通過YJ101驗(yàn)證機(jī)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(dòng)機(jī)研制經(jīng)歷技術(shù)驗(yàn)證機(jī)——型號驗(yàn)證機(jī)——全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)研制——預(yù)生產(chǎn)型發(fā)動(dòng)機(jī)——最終生產(chǎn)型發(fā)動(dòng)機(jī)的道路。
XG-40是EJ200發(fā)動(dòng)機(jī)的驗(yàn)證機(jī),1982年,英國國防部與RR公司聯(lián)合投資開始了發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證機(jī)計(jì)劃。XG-40是一種具有全新構(gòu)形的驗(yàn)證機(jī),它應(yīng)用了RR公司以前的研究和部件驗(yàn)證計(jì)劃的成果。
法國M88發(fā)動(dòng)機(jī)研制是在M53發(fā)動(dòng)機(jī)作為核心機(jī)的基礎(chǔ)上,先進(jìn)行部件試驗(yàn)驗(yàn)證,然后組成驗(yàn)證機(jī),分兩步驗(yàn)證后轉(zhuǎn)入全尺寸研制,然后經(jīng)飛行試驗(yàn)再進(jìn)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(dòng)機(jī)研制中,同樣采用了技術(shù)驗(yàn)證機(jī)的發(fā)展道路。由于條件所限,為驗(yàn)證燃?xì)鉁囟仍?850K時(shí)的工作可靠性與匹配性,采用了由PД33發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)、改進(jìn)的燃燒室與新設(shè)計(jì)的渦輪組成的核心機(jī),進(jìn)行全臺發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)驗(yàn)證。
1.2 國內(nèi)研制情況
1.2.1 某發(fā)動(dòng)機(jī)情況
某發(fā)動(dòng)機(jī)是繼承某發(fā)動(dòng)機(jī)的氣動(dòng)、熱力性能及保持主要零部件不變的軸改槳。主要驗(yàn)證項(xiàng)目有:
驗(yàn)證機(jī)部件試驗(yàn)。驗(yàn)證機(jī)零部件累計(jì)試驗(yàn)1432h,初步考核和驗(yàn)證了新設(shè)計(jì)零部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和滑油燃油附件的功能。
整機(jī)試驗(yàn)。1986年8月整機(jī)點(diǎn)火一次成功,12月完成臺架性能調(diào)試,轉(zhuǎn)速和功率達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。整機(jī)試驗(yàn)完成的試驗(yàn)項(xiàng)目有:穩(wěn)態(tài)性能試驗(yàn);自由渦輪穩(wěn)定工作范圍試驗(yàn);振動(dòng)、應(yīng)力、流程氣動(dòng)參數(shù)和表面溫度測量;軸向進(jìn)氣系統(tǒng)試驗(yàn);螺槳變矩、順槳、反槳功能試驗(yàn)。
試驗(yàn)結(jié)果表明,驗(yàn)證機(jī)的方案是可行的,其性能指標(biāo)能夠滿足飛機(jī)的使用要求,為發(fā)動(dòng)機(jī)順利完成適航考核打下基礎(chǔ)。
1.2.2 某發(fā)動(dòng)機(jī)研制情況
某發(fā)動(dòng)機(jī)歷時(shí)十多年的預(yù)研,其驗(yàn)證機(jī)經(jīng)歷了兩個(gè)階段。
某驗(yàn)證機(jī)主要目的是調(diào)試核心機(jī)與自由渦輪及發(fā)動(dòng)機(jī)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(yàn)證機(jī)性能,進(jìn)一步考核零部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和工作的可靠性。通過驗(yàn)證試驗(yàn)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?xì)鉁囟绕摺⑷細(xì)獍l(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(yàn)證機(jī)的技術(shù)狀態(tài)是型號驗(yàn)證機(jī)的最終狀態(tài)。其試驗(yàn)分3個(gè)階段進(jìn)行:
第1階段,帶簡易頭部的某核心機(jī)試驗(yàn),以校準(zhǔn)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(jī)試驗(yàn),檢查加裝粒子分離器后,對壓氣機(jī)性能的影響。
第3階段,帶粒子分離器的核心機(jī)加裝自由渦輪單元體,即某驗(yàn)證機(jī)整機(jī)試驗(yàn),達(dá)到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。
根據(jù)我國目前的實(shí)際情況,通常是把驗(yàn)證機(jī)和原型機(jī)捆在一起立項(xiàng)。為了不延誤研制進(jìn)度,應(yīng)結(jié)合國外的經(jīng)驗(yàn),慎重考慮驗(yàn)證機(jī)的考核、驗(yàn)收指標(biāo)。
在確定驗(yàn)證機(jī)的技術(shù)要求時(shí),既要考慮轉(zhuǎn)入原型機(jī)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(dāng)技術(shù)水平有較大的跨越時(shí),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(shí)施。此外,有些成附件也不能一次到位。因此,驗(yàn)證機(jī)的技術(shù)要求受其組成、設(shè)計(jì)技術(shù)成熟度、工藝水平和研制進(jìn)度、經(jīng)費(fèi)等因素的限制,可分階段實(shí)施。
2.1 驗(yàn)證機(jī)的技術(shù)要求分析
驗(yàn)證機(jī)的最終技術(shù)要求應(yīng)最大限度地與原型機(jī)一致,根據(jù)當(dāng)前我國的國情,它應(yīng)分步實(shí)現(xiàn)。
第1步,進(jìn)行驗(yàn)證機(jī)的設(shè)計(jì)點(diǎn)性能及加減速、起動(dòng)等過渡態(tài)性能考核。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證機(jī)的地面臺架設(shè)計(jì)點(diǎn)性能可在原型機(jī)要求的基礎(chǔ)上適當(dāng)降低;各種狀態(tài)應(yīng)能穩(wěn)定工作;加速時(shí)間可以適當(dāng)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(dòng)時(shí)間可以適當(dāng)放寬,但臺架狀態(tài)冷、熱起動(dòng)應(yīng)可靠。除這些應(yīng)作為考核、驗(yàn)收指標(biāo)外,還應(yīng)根據(jù)驗(yàn)證機(jī)最需驗(yàn)證的關(guān)鍵項(xiàng)目規(guī)定其特有的考核、驗(yàn)收指標(biāo)。
第2步,進(jìn)行驗(yàn)證機(jī)工作包線內(nèi)非設(shè)計(jì)點(diǎn)(包括邊界點(diǎn))的功能檢查和性能摸底。驗(yàn)證機(jī)工作包線可比原型發(fā)動(dòng)機(jī)適當(dāng)減小,在選定的邊界點(diǎn)上,應(yīng)保證各種狀態(tài)順利切換,工作穩(wěn)定、起動(dòng)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(yàn)收。
第3步,進(jìn)行壽命累計(jì)試車和專項(xiàng)試車。在試車期間,驗(yàn)證機(jī)應(yīng)工作正常。這些雖不作為考核、驗(yàn)收指標(biāo),但暴露出的問題必須解決。
第4步,凡在原型機(jī)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(yàn)證機(jī)上進(jìn)行一定時(shí)間的試驗(yàn)。由于試驗(yàn)時(shí)間不可能充分,它們也可不作為考核、驗(yàn)收指標(biāo),但在原型機(jī)上不宜采用未經(jīng)過任何試驗(yàn)的新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)、新材料和新工藝。
驗(yàn)證機(jī)的最終技術(shù)狀態(tài)應(yīng)該就是原型機(jī)的技術(shù)狀態(tài)。
2.2 驗(yàn)證機(jī)的結(jié)構(gòu)組成要求分析
驗(yàn)證機(jī)的總體結(jié)構(gòu)實(shí)際上就是為實(shí)現(xiàn)原型機(jī)性能要求而設(shè)計(jì)的。所以,原則上它應(yīng)與原型機(jī)相同,只是在設(shè)計(jì)新結(jié)構(gòu)時(shí)由于材料或工藝問題,暫時(shí)不能實(shí)現(xiàn),外部附件尚未開始研制,所以改用馬上就能實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)和現(xiàn)成的代用附件,組成了 “驗(yàn)證機(jī)”。因此:
1)影響性能的流道結(jié)構(gòu)應(yīng)與原型機(jī)相同;
2)所有轉(zhuǎn)動(dòng)部件的結(jié)構(gòu)、承力系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,如中介機(jī)匣、中央傳動(dòng)齒輪和附件傳動(dòng)機(jī)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(jìn)行初步考核;
3)驗(yàn)證機(jī)組成零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jìn)行足夠的試驗(yàn);
4)其余非關(guān)鍵部件,在條件不成熟時(shí),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(yán)格規(guī)定。
型號驗(yàn)證機(jī)是型號研制流程中的一個(gè)重要階段,但不是一個(gè)產(chǎn)品,因此它的評估與驗(yàn)收主要是在研制體系內(nèi)部,也就是說驗(yàn)證機(jī)驗(yàn)收評估體系與研制型號的評估、驗(yàn)收體系有所不同,但由于它對原型機(jī)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(jìn)度的影響很大,所以對其的考核、驗(yàn)收及節(jié)點(diǎn)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(yàn)證機(jī)的評估與驗(yàn)收的劃分
初步分析,驗(yàn)證機(jī)的評估、驗(yàn)收應(yīng)分3個(gè)階段實(shí)施:
1)第1階段是驗(yàn)證機(jī)組裝前的評估、驗(yàn)收,也就是驗(yàn)證機(jī)技術(shù)狀態(tài)的評估,它包括對驗(yàn)證機(jī)設(shè)計(jì)資料的評估驗(yàn)收、對低壓部件、系統(tǒng)及其部件的試驗(yàn)器試驗(yàn)評估及對核心機(jī)的評估驗(yàn)收;
2)第2階段是驗(yàn)證機(jī)性能的地面臺架考核驗(yàn)收,它包括設(shè)計(jì)點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)性能、加速性和起動(dòng)性能等;通過考核驗(yàn)收后,即可進(jìn)入原型機(jī)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn);
3)在進(jìn)入原型機(jī)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)時(shí),并同時(shí)開始驗(yàn)證機(jī)的第3階段工作,在這一階段中進(jìn)行驗(yàn)證機(jī)工作包線內(nèi)的性能檢查及壽命、可靠性累計(jì)評估,包括發(fā)動(dòng)機(jī)工作包線內(nèi)典型狀態(tài)點(diǎn)的高空臺試驗(yàn)和驗(yàn)證機(jī)的累計(jì)試車、各專項(xiàng)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(shí)落實(shí)在原型機(jī)設(shè)計(jì)中。本階段的評估按每項(xiàng)試驗(yàn)的進(jìn)展情況隨時(shí)進(jìn)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(xiàng)評估的文件包括試驗(yàn)報(bào)告和設(shè)計(jì)、計(jì)算分析報(bào)告。
3.2 驗(yàn)證機(jī)設(shè)計(jì)資料的評估與驗(yàn)收
評估、驗(yàn)收的驗(yàn)證機(jī)設(shè)計(jì)資料包括(但不限于):
1)驗(yàn)證機(jī)的技術(shù)狀態(tài)評審結(jié)論;
2)驗(yàn)證機(jī)性能計(jì)算報(bào)告,包括:
a)設(shè)計(jì)點(diǎn)性能計(jì)算;
b)在發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)規(guī)律初步確定的條件下,利用部件的試驗(yàn)特性來計(jì)算高度、速度特性;巡航特性;節(jié)流特性;
c)強(qiáng)度計(jì)算點(diǎn)的氣動(dòng)參數(shù);
d)過渡(瞬)態(tài)性能計(jì)算;
e)發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算;
f)全機(jī)空氣系統(tǒng)的計(jì)算;
3)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性分析報(bào)告;
4)關(guān)鍵件強(qiáng)度計(jì)算報(bào)告。
3.3 地面試車評估
3.3.1 試驗(yàn)內(nèi)容
1)臺架點(diǎn)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(shí)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(dòng)機(jī)的性能;
2)發(fā)動(dòng)機(jī)臺架起動(dòng)試驗(yàn),調(diào)整最佳起動(dòng)參數(shù);
3)功率瞬變試驗(yàn),以此來考核發(fā)動(dòng)機(jī)臺架狀態(tài)的工作穩(wěn)定性;
4)進(jìn)口畸變試驗(yàn),獲取發(fā)動(dòng)機(jī)抗進(jìn)口畸變的能力;
5)在上述各項(xiàng)試驗(yàn)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(shí),應(yīng)進(jìn)行專項(xiàng)試車(如空氣系統(tǒng)腔溫、腔壓測量;軸向力測量;發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)特性測量;壓氣機(jī)葉片和外部管路的振動(dòng)應(yīng)力和振動(dòng)模態(tài)測量等);
6)進(jìn)行累計(jì)試驗(yàn),驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)的工作可靠性;
7)進(jìn)行排故試車,驗(yàn)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(biāo)
下列參數(shù)為主要考核指標(biāo):
1)起動(dòng)過程:起動(dòng)時(shí)間;低壓渦輪后燃?xì)鉁囟龋?/p>
2)慢車狀態(tài):推力或功率;低壓渦輪后燃?xì)鉁囟龋?/p>
3)過渡過程:加、減速時(shí)間;發(fā)動(dòng)機(jī)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(yàn)內(nèi)容
1)高空性能試驗(yàn):在按要求選定的高空試驗(yàn)點(diǎn)上,錄取規(guī)定狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的推力或功率、轉(zhuǎn)速、溫度和燃油流量隨時(shí)間變化的關(guān)系,并按有關(guān)要求檢驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作穩(wěn) 定性;
2)推力或功率瞬變試驗(yàn):在選定的試驗(yàn)點(diǎn)上,進(jìn)行推力或功率瞬變試驗(yàn),以驗(yàn)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(dú)或同時(shí)作用時(shí)對發(fā)動(dòng)機(jī)功率瞬變性能的影響;
3)功能試驗(yàn):在發(fā)動(dòng)機(jī)工作包線的極限狀態(tài)運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī),驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)的工作包線;測量發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)和推力瞬變特性,并測定進(jìn)氣畸變對穩(wěn)態(tài)性能和推力瞬變特性的影響;
4)起動(dòng)、再起動(dòng)試驗(yàn):發(fā)動(dòng)停車后,都應(yīng)在工作包線范圍內(nèi)選定的起動(dòng)點(diǎn)上進(jìn)行空中起動(dòng)、再起動(dòng)試驗(yàn)。
3.4.2 主要觀察、記錄指標(biāo)
驗(yàn)證機(jī)階段對高空試驗(yàn)不作嚴(yán)格的指標(biāo)要求,高空試驗(yàn)主要觀察、記錄發(fā)動(dòng)機(jī)在高空條件下發(fā)動(dòng)機(jī)總體氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)的可行性、各部件的工作協(xié)調(diào)性以及各個(gè)系統(tǒng)工作的滿意性,以便及早發(fā)現(xiàn)問題,采取改進(jìn)措施,在原型機(jī)研制中予以解決。如高空試驗(yàn)所測得的性能,不低于穩(wěn)態(tài)性能計(jì)算值,并且在高空試驗(yàn)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(rèn)為驗(yàn)證機(jī)高空試驗(yàn)是滿意的。
3.5 新材料、新工藝評估
原型機(jī)上需采用的新材料、新工藝在驗(yàn)證機(jī)階段應(yīng)分步進(jìn)行評估:
1)首先對材料性能進(jìn)行試驗(yàn)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(jìn)行試驗(yàn)室試驗(yàn),評估其是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求;
3)最終再在驗(yàn)證機(jī)上評估,若該零件在發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)行驗(yàn)證機(jī)試車,然后根據(jù)情況確定是否需要改進(jìn)新材料、新工藝,再全部采用新材料、新工藝構(gòu)件,進(jìn)行驗(yàn)證機(jī)評估。
(編輯:勞邊)
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C
1003–6660(2014)01–0007–04
2013-09-17