渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)穩(wěn)定性適航驗(yàn)證方法研究

齊曉雪 丁寧 康凱

摘要：根據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航條款中對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)穩(wěn)定性的要求，深入分析了國外大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)適航符合性方法，對(duì)國內(nèi)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證方法進(jìn)行了評(píng)估，梳理出大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)適航所需的流程和方法，為后續(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)和適航審定驗(yàn)證奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：適航；喘振與失速；氣動(dòng)穩(wěn)定性；畸變?cè)囼?yàn)

引言

適航性是航空器在預(yù)定的運(yùn)行環(huán)境和使用限制條件下，能滿足最低安全標(biāo)準(zhǔn)并能順利飛行所必需具備的品質(zhì)[1]，是民用發(fā)動(dòng)機(jī)投入航線使用的最低要求。

氣動(dòng)穩(wěn)定性是發(fā)動(dòng)機(jī)重要的特性之一，危害性的喘振和失速可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)失去動(dòng)力，甚至機(jī)毀人亡 [2]。因此，是適航審定的一項(xiàng)重要內(nèi)容，在美國民用航空規(guī)章第33部“航空發(fā)動(dòng)機(jī)”第65條款“喘振與失速特性”（FAR33.65）規(guī)定了相關(guān)的要求。

本文分析了喘振與失速條款的意義和內(nèi)涵，為后續(xù)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)開展喘振與失速適航性驗(yàn)證奠定了基礎(chǔ)。

1 符合性驗(yàn)證方法通用要求

發(fā)動(dòng)機(jī)喘振與失速合格審定試驗(yàn)開始之前，發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠應(yīng)向FAA提交一份概括符合條例方法的方案[1]。應(yīng)說明發(fā)動(dòng)機(jī)形態(tài)、工作要求、部件和發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)程序和分析結(jié)果，表明發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)能力和瞬態(tài)響應(yīng)。

對(duì)于如何滿足適航條款的要求，不同發(fā)動(dòng)機(jī)公司有各自的工程經(jīng)驗(yàn)，所以符合性方法不盡相同。常用的符合性驗(yàn)證方法可根據(jù)實(shí)施的符合性工作的形式分為四大類：工程評(píng)審、試驗(yàn)、檢查、設(shè)備鑒定，并形成了適航部門認(rèn)可的十種符合性驗(yàn)證方法。

2 喘振與失速試驗(yàn)驗(yàn)證要求

針對(duì)喘振與失速的要求，開展的試驗(yàn)驗(yàn)證主要包括以下的內(nèi)容：

（1）部件試驗(yàn)

證明部件達(dá)到總體要求的壓縮部件穩(wěn)定裕度試驗(yàn)。

（2）整機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)

過渡態(tài)試驗(yàn)（含遭遇加減速）；飛機(jī)引氣和功率提取極限試驗(yàn)；進(jìn)氣畸變?cè)囼?yàn)；側(cè)風(fēng)試驗(yàn)；外物吞入試驗(yàn)。

（3）飛行試驗(yàn)/高空試驗(yàn)

a）飛行試驗(yàn)和高空試驗(yàn)要充分包含全飛行包線的極限。

b）如果不能通過常規(guī)試驗(yàn)產(chǎn)生喘振，考慮專項(xiàng)試驗(yàn)產(chǎn)生喘振來證明發(fā)動(dòng)機(jī)本身的恢復(fù)以及不會(huì)產(chǎn)生不可接受的機(jī)械損壞。

c）通過試驗(yàn)和分析所確定的在發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)包線上的工作特性，需用數(shù)學(xué)模型或其他方法進(jìn)行定量分析。

d）在試驗(yàn)條件不能進(jìn)行某些期望條件下的試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)通過分析來評(píng)價(jià)預(yù)估飛行環(huán)境下的發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性。

3 國外適航符合性驗(yàn)證情況

為了驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)的喘振和失速特性，在適航符合性驗(yàn)證時(shí)一般需要開展整機(jī)進(jìn)口畸變?cè)囼?yàn)、高空臺(tái)試驗(yàn)及側(cè)風(fēng)試驗(yàn)等能夠證明發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)穩(wěn)定裕度[2-4]。對(duì)于系列發(fā)展的發(fā)動(dòng)機(jī)，可以通過程序進(jìn)行驗(yàn)證，但必須要說明該程序的計(jì)算精度能夠表征發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際情況。圖1為GE公司從1960年開始典型型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)適航取證的情況。

針對(duì)33.65條款，各家公司開展了相關(guān)分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。PW4000發(fā)動(dòng)機(jī)開展了空中和地面不同馬赫數(shù)條件下的進(jìn)氣畸變?cè)囼?yàn)，分析高度、馬赫數(shù)、環(huán)境溫度等對(duì)各個(gè)壓縮部件的影響程度 [5][6]。

CF6-80E1發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)壓縮部件分別開展了試驗(yàn)驗(yàn)證，同時(shí)根據(jù)飛機(jī)的飛行包線中的典型和極限狀態(tài)畸變，進(jìn)行了整機(jī)畸變?cè)囼?yàn)；另外還開展了穩(wěn)定性試飛驗(yàn)證。配裝ARJ21飛機(jī)的CF34-10發(fā)動(dòng)機(jī)[7]，也開展了首次在自然風(fēng)條件下由FAA和中國適航當(dāng)局目擊的大涵道比民用發(fā)動(dòng)機(jī)地面?zhèn)蕊L(fēng)試驗(yàn)。

4 國內(nèi)民用發(fā)動(dòng)機(jī)適航符合性驗(yàn)證情況

中國民用航空規(guī)章《航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》（CCAR-33）自1988年2月9日發(fā)布施行以來，雖然已用于國產(chǎn)運(yùn)七、運(yùn)八、直九和直十一等航空器所裝WJ5E、WJ5AI、WJ6、WJ9、WZ8D和WZ8A等型發(fā)動(dòng)機(jī)的型號(hào)合格審定。主要是在渦槳和渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)方面。

與國外相比，我國的軍、民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)研制起步晚，適航符合性驗(yàn)證能力也剛剛建立，亟待完善，還沒有達(dá)到一個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)國的水平，缺少一套系統(tǒng)、全面的管理體系和驗(yàn)證方法。因此，需要根據(jù)國內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)與適航管理的情況，開展適航管理和驗(yàn)證方法研究，形成一系列符合國內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)相適應(yīng)的審定方法，逐步構(gòu)建完整的軍、民用發(fā)動(dòng)機(jī)適航管理體系和驗(yàn)證方法。

5 結(jié)論

通過收集和分析國內(nèi)外渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)適航審定驗(yàn)證試驗(yàn)，總結(jié)出渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)喘振與失速適航審定應(yīng)開展的試驗(yàn)，為后續(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)開展適航驗(yàn)證提供依據(jù)。

國外通過幾十年的研究，已經(jīng)建立了完善的適航管理、審核、符合性驗(yàn)證的系統(tǒng)，具有完善的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)評(píng)估和驗(yàn)證方法。國內(nèi)應(yīng)盡快開展相關(guān)研究，為后續(xù)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)適航取證奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：齊曉雪（1982），女，高級(jí)工程師，本科，從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能設(shè)計(jì)工作。

（作者單位：中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所）