推拉力試車臺改造技術(shù)研究

馬　昌，雷　利

(中國飛行試驗(yàn)研究院發(fā)動機(jī)所，陜西 西安 710089)

推拉力試車臺改造技術(shù)研究

馬昌，雷利

(中國飛行試驗(yàn)研究院發(fā)動機(jī)所，陜西 西安 710089)

摘要：介紹了在渦噴渦扇發(fā)動機(jī)試車臺上改試渦槳發(fā)動機(jī)的技術(shù)改造概況，重點(diǎn)闡述技術(shù)改造工作中存在的關(guān)鍵技術(shù)問題及解決措施，完成了國內(nèi)首臺推/拉力綜合發(fā)動機(jī)試車臺技術(shù)改造工作，首次完成渦槳發(fā)動機(jī)地面試車臺拉力測量試驗(yàn)，解決了渦槳型動力裝置的拉力測量問題，為今后渦槳型發(fā)動機(jī)的性能綜合試驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：渦槳發(fā)動機(jī)；試車臺；受力分析

1引言

我國現(xiàn)有的渦槳發(fā)動機(jī)試車臺都是臥式固定結(jié)構(gòu)，對渦槳型動力裝置(發(fā)動機(jī)+螺旋槳)無法進(jìn)行拉力測量。發(fā)動機(jī)生產(chǎn)廠家只給出渦槳發(fā)動機(jī)的輸出功率等技術(shù)指標(biāo)，而沒有渦槳發(fā)動機(jī)拉力的數(shù)據(jù)。根據(jù)飛機(jī)和某型渦槳發(fā)動機(jī)的定型試飛要求，需要渦槳發(fā)動機(jī)的實(shí)際拉力和螺旋槳效率等參數(shù)。

為了滿足飛機(jī)和某型渦槳發(fā)動機(jī)定型的需要，中國飛行試驗(yàn)研究院會同有關(guān)發(fā)動機(jī)方面專家進(jìn)行多次研究分析，認(rèn)為將現(xiàn)有渦噴渦扇發(fā)動機(jī)地面試車臺加以技術(shù)改造，可以滿足渦槳系列發(fā)動機(jī)的安裝和試驗(yàn)的技術(shù)要求，臺架測試系統(tǒng)也可滿足渦槳發(fā)動機(jī)拉力測量的要求，為渦槳系列發(fā)動機(jī)相關(guān)問題的研究和試驗(yàn)打下了良好的基礎(chǔ)。

2試車臺改造設(shè)計(jì)和受力分析

2.1渦噴渦扇發(fā)動機(jī)試車臺現(xiàn)狀分析

渦噴渦扇發(fā)動機(jī)試車臺是試驗(yàn)渦噴渦扇系列發(fā)動機(jī)的專用試車臺，由定架、動架、測試系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和供油系統(tǒng)等部分組成。試車臺的動架是由前后2組4個彈簧片懸掛在定架上，被試發(fā)動機(jī)懸掛在動架的下端并與動架剛性連接。發(fā)動機(jī)的水平安裝軸線距地面5m，臺架測試系統(tǒng)的拉力測量范圍為(0-100)kN。根據(jù)渦槳發(fā)動機(jī)地面試驗(yàn)要求，露天標(biāo)準(zhǔn)渦噴渦扇發(fā)動機(jī)試車臺結(jié)構(gòu)和性能指標(biāo)經(jīng)技術(shù)改造后,完全可滿足渦槳發(fā)動機(jī)地面試驗(yàn)要求。

2.2試車臺改造設(shè)計(jì)

渦槳系列發(fā)動機(jī)與渦噴渦扇系列發(fā)動機(jī)是兩個完全不同類型的發(fā)動機(jī)，兩者的安裝形式、結(jié)構(gòu)、工作模式等均相差較大。渦槳系列發(fā)動機(jī)是安裝在試車臺的一個垂直安裝面上，通過8根拉桿將渦槳發(fā)動機(jī)安裝到試車臺架上。渦槳發(fā)動機(jī)臺架改造設(shè)計(jì)是在渦噴渦扇發(fā)動機(jī)試車臺的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，將原渦噴渦扇試車臺上的發(fā)動機(jī)安裝主支點(diǎn)、進(jìn)氣道及進(jìn)氣道支架等拆除，設(shè)計(jì)了渦槳發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)接架、滑油系統(tǒng)、臺架吹風(fēng)系統(tǒng)等。

因?yàn)闇u槳系列發(fā)動機(jī)與渦噴渦扇系列發(fā)動機(jī)的臺架安裝形式完全不同，所以設(shè)計(jì)了渦槳發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)接架，用渦槳發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)接架的凹槽與原試車臺三角架主支點(diǎn)座的凸臺相配合，達(dá)到轉(zhuǎn)接架水平安裝定位的目的。用跨接板將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)接架垂直面與試車臺三角架連成一體，達(dá)到轉(zhuǎn)接架垂直安裝定位的目的。

滑油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是依據(jù)渦槳發(fā)動機(jī)滑油系統(tǒng)的技術(shù)要求進(jìn)行的，將滑油箱設(shè)計(jì)安裝在試車臺的定架上，采用重力方式供油?；拖涑隹谖恢帽葴u槳發(fā)動機(jī)滑油進(jìn)口位置至少要高0.5m，兩者之間采用高壓軟管連接，以滿足渦槳發(fā)動機(jī)滑油進(jìn)口壓力的技術(shù)要求?；屠鋮s系統(tǒng)采用飛機(jī)用的風(fēng)冷式冷卻裝置進(jìn)行散熱冷卻，可滿足渦槳發(fā)動機(jī)滑油溫度的技術(shù)要求。

渦槳發(fā)動機(jī)在試驗(yàn)時，要對兩臺啟動電機(jī)和發(fā)動機(jī)渦輪吹風(fēng)散熱。根據(jù)渦槳發(fā)動機(jī)的吹風(fēng)系統(tǒng)技術(shù)要求，設(shè)計(jì)和安裝渦輪吹風(fēng)機(jī)和啟動電機(jī)吹風(fēng)機(jī)，并對吹風(fēng)管進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)和安裝，滿足了渦槳發(fā)動機(jī)吹風(fēng)系統(tǒng)的技術(shù)要求。

2.3試車臺受力分析

渦槳發(fā)動機(jī)通過8根拉桿固定在臺架的轉(zhuǎn)接架上，臺架的轉(zhuǎn)接架安裝在試車臺的動架上。試車臺的動架由4個彈簧片懸掛在車臺定架上，動架上的各個連接部分都是剛性連接，由結(jié)構(gòu)力學(xué)原理可知，其結(jié)構(gòu)是幾何不變系統(tǒng)，整個動架系統(tǒng)為剛體結(jié)構(gòu)。渦槳發(fā)動機(jī)安裝結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1　渦槳發(fā)動機(jī)安裝結(jié)構(gòu)示意圖

由渦槳發(fā)動機(jī)安裝結(jié)構(gòu)示意圖可知，動架受到4個彈簧片向上的拉力(Fa、Fb、Fc、Fd)和向下的動架的重力P1，渦槳發(fā)動機(jī)的重力P20(或渦噴發(fā)動機(jī)的重力P2)，轉(zhuǎn)接架的重力P3，螺旋槳的重力P4和需加配重的重力P，其重心位置不同。原渦噴渦扇發(fā)動機(jī)試車臺動架的受力是平衡穩(wěn)定的，經(jīng)過技術(shù)改造后，渦槳發(fā)動機(jī)安裝主支點(diǎn)比渦噴渦扇發(fā)動機(jī)安裝主支點(diǎn)向前移動了1.4m，其重心也向前移動了1.4m，動架上又增加了轉(zhuǎn)接架的重力P3和螺旋槳的重力P4，這樣就造成了試車臺動架的水平受力的不平衡。

為了達(dá)到與原渦噴渦扇發(fā)動機(jī)試車臺動架水平受力的平衡狀態(tài)，就必須在動架的后部增加配重P，以平衡渦槳發(fā)動機(jī)安裝主支點(diǎn)前移等所造成的影響。根據(jù)力學(xué)平衡原理，可計(jì)算出所加配重P的重量。由于動架為剛體結(jié)構(gòu)，其左右方向受力為發(fā)動機(jī)軸向?qū)ΨQ，因此動架上的各力可簡化為在發(fā)動機(jī)軸線上進(jìn)行受力分析。原車臺動架受力原理圖見圖2。

圖2　原車臺動架受力原理圖

根據(jù)力學(xué)平衡方程，以C點(diǎn)為支點(diǎn)，有：

ΣMC=0

(1)

技術(shù)改造后，車臺動架受力原理圖見圖3。

圖3　車臺動架受力原理圖

根據(jù)力學(xué)平衡方程，以C點(diǎn)為支點(diǎn)，有：

ΣMC=0

(2)

為了達(dá)到與原渦噴渦扇發(fā)動機(jī)試車臺動架受力的平衡狀態(tài)，就必須是：2Fa=2Fa0。根據(jù)式(1)和式(2)，可求得P值。

(3)

所以，需加配重的重量P為1170kg。

3車臺動架加載試驗(yàn)

將渦槳發(fā)動機(jī)安裝到試車臺上，連接好各試驗(yàn)管路，在動架的后部加好配重，使試車臺處于完全準(zhǔn)備好的試驗(yàn)狀態(tài)。將液壓加載器的頂桿與標(biāo)準(zhǔn)推力傳感器之間的間隙調(diào)整至0.2mm，動架頂桿與安裝在定架上的工作推力傳感器之間的間隙調(diào)整至0.2mm。用液壓加載裝置給加載器加壓，用加載器和標(biāo)準(zhǔn)推力傳感器對動架上的工作推力傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)結(jié)果如表1所示。

表1　校準(zhǔn)數(shù)據(jù)　　　　　　　單位：kN

經(jīng)計(jì)算，進(jìn)程加載的各點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)推力傳感器與工作推力傳感器之間示值的最大基本誤差為0.06%，回程卸載的各點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)推力傳感器與工作推力傳感器之間示值的最大基本誤差為0.06%。加載的標(biāo)準(zhǔn)推力傳感器與工作推力傳感器測量的力值在計(jì)量校準(zhǔn)合格的范圍內(nèi)，因此動架配重的重量是合理的，并驗(yàn)證了臺架的設(shè)計(jì)改造是正確的。

4臺架驗(yàn)收試驗(yàn)

發(fā)動機(jī)試車臺設(shè)計(jì)改造完成后，對某型渦槳發(fā)動機(jī)進(jìn)行了臺架拉力測量試驗(yàn)，成功地取得了各項(xiàng)試驗(yàn)技術(shù)參數(shù)。試驗(yàn)期間，發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)分別取0.2額定、0.4額定、0.6額定、0.7額定、0.85額定、額定和起飛共7個狀態(tài)，進(jìn)行了上下臺階的性能穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，測量得到的轉(zhuǎn)速、拉力、渦輪后溫度、扭矩壓力等之間變化規(guī)律是一致的，臺架拉力測量試驗(yàn)的測試結(jié)果與理論設(shè)計(jì)值比較曲線如圖4所示。圖中虛線為理論設(shè)計(jì)值，實(shí)線為測量結(jié)果擬合曲線(數(shù)據(jù)經(jīng)歸一化處理)。由圖4可知：

(1)螺旋槳拉力測量值與理論設(shè)計(jì)值的變化趨勢基本一致。

(2)臺架結(jié)構(gòu)的滑流阻力:這是由渦槳發(fā)動機(jī)臺架設(shè)計(jì)決定的，槳葉后方構(gòu)成動架的三腳架、轉(zhuǎn)接架、拉桿，以及發(fā)動機(jī)本體都處在螺旋槳滑流范圍內(nèi)，不可避免地產(chǎn)生與拉力方向相反的滑流阻力，從而影響螺旋槳拉力測量值。后續(xù)研究內(nèi)容將重點(diǎn)關(guān)注臺架滑流阻力修正。

(3)發(fā)動機(jī)性能衰減:因?yàn)轵?yàn)收所用的發(fā)動機(jī)已經(jīng)裝機(jī)飛行了較長一段時間，發(fā)動機(jī)性能會有所衰減，與發(fā)動機(jī)軸功率相對應(yīng)的螺旋槳拉力也會有所衰減，這種變化是正常的。

圖4　拉力測量結(jié)果與理論設(shè)計(jì)值比較曲線圖

5結(jié)束語

渦槳型動力裝置發(fā)動機(jī)地面露天試車臺是我國首臺能夠進(jìn)行推(拉)力測量試驗(yàn)的綜合發(fā)動機(jī)地面試車臺，解決了渦槳系列發(fā)動機(jī)地面拉力測量的問題。經(jīng)過某型渦槳發(fā)動機(jī)在試車臺的拉力測量試驗(yàn)，試驗(yàn)的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)指標(biāo)滿足某型渦槳發(fā)動機(jī)試驗(yàn)的技術(shù)要求，滿足了某型渦槳發(fā)動機(jī)定型試飛的需要。下一步研究工作的重點(diǎn)放在對螺旋槳拉力測量值的精確修正方面，諸如螺旋槳后滑流阻力和不同渦槳發(fā)動機(jī)吊裝后配重變化對拉力測量值影響的研究等。

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Research on Transformation Technology for Push-Pull Test Bed

Ma Chang,Lei Li

(Chinese Flight Test Establishment,Xi′an 710089,Shanxi,China)

Abstract：The transformation works in test bed for turbojet and turbofan engine are introduced.Using the transformed test bed,the trust of turbo prop engine can be tested.In the paper,the key technologies and the solving measures in the technical reform are discussed in detail.The works of technical reform for the first domestic push-pull test bed for turbo prop engine are finished.The test results show that the transformation is correct,which lays a foundation for the comprehensive performance test of turbo prop engine.

Keywords:turbo prop engine;test bed;force analysis

[收稿日期]2016-03-01

[作者簡介]馬昌(1980—)，男，研究生學(xué)歷，工程師，主要從事航空發(fā)動機(jī)整機(jī)試驗(yàn)工作。

中圖分類號：V263.4+7

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1674-3407.2016.01.023