發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)推力實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)與試車(chē)臺(tái)測(cè)量差異化分析

張 強(qiáng)，張霞妹

(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院 發(fā)動(dòng)機(jī)所，西安 710089)

發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)推力測(cè)量是目前國(guó)內(nèi)外發(fā)動(dòng)機(jī)飛行試驗(yàn)測(cè)試領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一[1-3]。在實(shí)際飛行條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)的推力最終通過(guò)安裝節(jié)直接傳遞給飛機(jī)，因此安裝節(jié)對(duì)于飛機(jī)結(jié)構(gòu)載荷和飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言具有重要的價(jià)值[4-6]。安裝節(jié)推力測(cè)量的原理就是在發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)上布置應(yīng)變計(jì)，在地面通過(guò)標(biāo)定試驗(yàn)獲得推力-應(yīng)變校準(zhǔn)方程。飛行中將實(shí)測(cè)的應(yīng)變數(shù)據(jù)代入到推力-應(yīng)變校準(zhǔn)方程中，即可獲得安裝節(jié)推力。該方法不依賴(lài)于發(fā)動(dòng)機(jī)模型，原理成熟，簡(jiǎn)單易行，成本低，特別適合在飛行試驗(yàn)中開(kāi)展。

國(guó)外在安裝節(jié)推力測(cè)量方面比較成熟。美國(guó)先后在F-14和F-15飛機(jī)上開(kāi)展過(guò)相關(guān)研究。20世紀(jì)80年代，為評(píng)定F-14飛機(jī)艦上復(fù)飛的性能，以及大迎角機(jī)動(dòng)時(shí)的機(jī)動(dòng)性，美國(guó)NASA、格魯門(mén)公司和海軍聯(lián)合開(kāi)展了一項(xiàng)研究工作，對(duì)TF30發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝節(jié)推力進(jìn)行了直接測(cè)試飛行試驗(yàn)。20世紀(jì)90年代，NASA又在其先進(jìn)飛行器高級(jí)控制技術(shù)(ACTIVE)項(xiàng)目中，針對(duì)安裝矢量噴管的F-15飛機(jī)，對(duì)F110發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝節(jié)推力進(jìn)行了飛行實(shí)測(cè)。國(guó)內(nèi)，相關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)單位在室內(nèi)試車(chē)臺(tái)開(kāi)展了發(fā)動(dòng)機(jī)推力測(cè)量相關(guān)研究，但是未涉及安裝節(jié)的推力測(cè)量[7-9]?！笆弧の濉逼陂g，張強(qiáng)等[10]首次采用風(fēng)洞天平測(cè)力的原理，對(duì)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)推力進(jìn)行了試車(chē)臺(tái)試驗(yàn)?！笆の濉逼陂g，雷曉波等[11-12]、牛宏偉等[13]、張強(qiáng)等[14]對(duì)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)主安裝節(jié)開(kāi)展了推力直接測(cè)量的一系列理論和試驗(yàn)研究，證明了發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)推力測(cè)量的有效性。

在發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)推力測(cè)量中，應(yīng)變計(jì)布置方法是關(guān)鍵技術(shù)之一。通常認(rèn)為采用彎矩測(cè)量安裝節(jié)推力也是可行的，但是在試車(chē)臺(tái)驗(yàn)證試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)彎矩橋效果很不好，這成為項(xiàng)目研究的一個(gè)難點(diǎn)。通過(guò)深入的理論和試驗(yàn)研究，本文發(fā)現(xiàn)了彎矩橋測(cè)量效果不明顯的原因，為后續(xù)開(kāi)展發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)推力直接測(cè)量提供了理論和試驗(yàn)支撐。

1 安裝節(jié)推力測(cè)量力學(xué)原理

1.1 安裝節(jié)受力分析

對(duì)于典型的小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，圖1給出了發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)的受力示意圖。該發(fā)動(dòng)機(jī)有3個(gè)安裝節(jié)支點(diǎn)。前兩個(gè)為主安裝節(jié)，承受發(fā)動(dòng)機(jī)的推力和部分質(zhì)量，后面1個(gè)為輔助安裝節(jié)，僅承受發(fā)動(dòng)機(jī)的部分重量?？梢钥闯?，理論上發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)前面兩個(gè)主安裝節(jié)將推力傳遞給飛機(jī)。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)受力示意圖

圖2給出了試車(chē)臺(tái)主安裝節(jié)推力銷(xiāo)的幾何模型。推力銷(xiāo)左側(cè)被試車(chē)臺(tái)安裝節(jié)支座完全包裹，處于全約束狀態(tài)；推力銷(xiāo)中間圓錐段是外露區(qū)，右側(cè)圓柱段被發(fā)動(dòng)機(jī)軸承包裹，承受并傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)的航向推力和部分重力。

圖2 試車(chē)臺(tái)主安裝節(jié)推力銷(xiāo)模型

1.2 安裝節(jié)剪力測(cè)量原理

通過(guò)測(cè)量主安裝節(jié)圓柱截面剪切力的方式可以獲得發(fā)動(dòng)機(jī)推力。對(duì)于安裝節(jié)圓軸橫截面，在剪力作用下其剪應(yīng)力分布規(guī)律如圖3所示[15-16]，推力銷(xiāo)剪力橋應(yīng)變計(jì)布置方案如圖4所示。

圖3 圓軸截面剪應(yīng)力分布

圖4 推力銷(xiāo)剪力橋應(yīng)變計(jì)布置方案

由材料力學(xué)相關(guān)知識(shí)可知，中性軸外表面上一點(diǎn)的主應(yīng)變?chǔ)排c剪力Q的關(guān)系如下

(1)

式(1)中，k為與截面形狀有關(guān)的系數(shù)，對(duì)于圓截面k=4/3；A為橫截面積；d為圓軸截面直徑；μ為泊松比系數(shù)；E為材料的彈性模量。

1.3 安裝節(jié)彎矩測(cè)量原理

理論上，通過(guò)測(cè)量主安裝節(jié)圓柱截面彎矩的方式也可以獲得發(fā)動(dòng)機(jī)推力。對(duì)于安裝節(jié)圓軸橫截面，在作用力Q作用下，距離力的作用點(diǎn)L處橫截面的彎曲應(yīng)力分布規(guī)律如圖5所示。在推力銷(xiāo)貼片區(qū)域內(nèi)粘貼兩組彎矩橋，分別測(cè)量推力銷(xiāo)承受的推力和垂直載荷，推力銷(xiāo)彎矩橋貼片方案如圖6所示。

圖5 圓軸截面彎曲應(yīng)力分布

圖6 推力銷(xiāo)彎矩橋貼片方案

由材料力學(xué)知識(shí)可知，彎曲應(yīng)變?chǔ)排c橫向力Q的關(guān)系方程如下

(2)

式(2)中，d為圓軸截面直徑；L為彎矩力臂長(zhǎng)度；E為材料的彈性模量。

2 安裝節(jié)推力實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)試驗(yàn)

每個(gè)推力銷(xiāo)的最大校準(zhǔn)推力為11 t。剪力橋校準(zhǔn)曲線(xiàn)和方程如圖7所示，彎矩橋校準(zhǔn)曲線(xiàn)和方程如圖8所示。圖7、8中縱坐標(biāo)為橋路輸出應(yīng)變，單位為mv/V；橫坐標(biāo)為施加的推力，單位為t。

圖7 剪力橋校準(zhǔn)曲線(xiàn)和方程

圖8 彎矩橋校準(zhǔn)曲線(xiàn)和方程

從圖7、8中可以看到：

(1)當(dāng)加載力為1 t時(shí)，2個(gè)橋路的輸出都很小，剪力橋輸出僅為0.004 mv/V，彎矩橋輸出僅為0.007 mv/V。這說(shuō)明推力銷(xiāo)的剛度和強(qiáng)度很大，在1 t的作用力下，推力銷(xiāo)變形很小。

(2)當(dāng)加載力為11噸時(shí)，兩個(gè)橋路的輸出都很顯著，剪力橋輸出為0.509 mv/V，彎矩橋輸出僅為1.007 mv/V。這說(shuō)明在足夠大的推力作用下，推力銷(xiāo)會(huì)呈現(xiàn)較為明顯的變形。

(3)兩個(gè)校準(zhǔn)曲線(xiàn)都有截距。這個(gè)截距是由應(yīng)變橋路自身零位輸出帶來(lái)的。即在不加載推力的情況下，剪力橋自身有-0.046 mv/V的零位輸出，彎矩橋有-0.093 mv/V的零位輸出。

3 安裝節(jié)推力測(cè)量試車(chē)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

圖9為剪力橋和彎矩橋試車(chē)臺(tái)測(cè)試數(shù)據(jù)。從圖9中可以看出，剪力橋輸出明顯，發(fā)動(dòng)機(jī)全加力狀態(tài)時(shí)，剪力橋輸出最大值為0.3 mv/V，而彎矩橋基本沒(méi)有變化。

圖9 試車(chē)臺(tái)試驗(yàn)中剪力橋和彎矩橋數(shù)據(jù)對(duì)比

圖10為放大后的彎矩橋試車(chē)臺(tái)測(cè)試數(shù)據(jù)。從圖10中可以看出，彎矩橋跟隨油門(mén)桿也呈臺(tái)階性變化。但是由于最大值僅為0.000 6 mv/V，所以可以忽略不計(jì)。

圖10 放大后的彎矩橋試車(chē)臺(tái)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2 原因分析

從試驗(yàn)室推力校準(zhǔn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)看出，彎矩橋具有良好的推力校準(zhǔn)方程和曲線(xiàn)。但是在試車(chē)臺(tái)試驗(yàn)中卻出現(xiàn)了測(cè)量數(shù)據(jù)很小，幾乎不可用的現(xiàn)象。分析原因如下：

(1)彎矩測(cè)量的力學(xué)原理和基礎(chǔ)在于圓軸根部剛性固定，在橫向力的作用下，圓軸發(fā)生較為明顯的變形，這是試驗(yàn)室校準(zhǔn)具備的條件。

(2)試車(chē)臺(tái)條件下的安裝節(jié)傳力與試驗(yàn)室校準(zhǔn)條件下安裝節(jié)傳力不同。試車(chē)臺(tái)推力測(cè)量示意圖如圖11所示。試車(chē)臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)推力傳力路徑為：發(fā)動(dòng)機(jī)推力→主安裝節(jié)→動(dòng)架→彈簧板→推力傳感器。

圖11 試車(chē)臺(tái)安裝節(jié)推力傳遞示意圖

試車(chē)臺(tái)條件下，由于彈簧板的柔性支撐，在發(fā)動(dòng)機(jī)推力傳遞過(guò)程中，動(dòng)架和傳感器之間沒(méi)有固定約束，持續(xù)存在相對(duì)位移。試車(chē)臺(tái)安裝節(jié)的傳力模型如圖12a所示。在推力作用下，彎曲變形主要出現(xiàn)在如圖11中的動(dòng)架上方的彈簧板上，而推力銷(xiāo)上彎曲變形很小，因而不能通過(guò)推力銷(xiāo)上的彎曲變形來(lái)測(cè)得推力。

實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)試驗(yàn)中，主安裝節(jié)固定于安裝支座，整個(gè)支座是固定在臺(tái)架上不動(dòng)的，安裝節(jié)為剛性固支約束，力學(xué)模型如圖12b所示。

圖12 安裝節(jié)推力傳遞模型

由于試車(chē)臺(tái)與實(shí)驗(yàn)室的約束方式不同，導(dǎo)致彎矩測(cè)量結(jié)果差異較大。而對(duì)于剪力測(cè)量而言，不存在這種影響。

(3)發(fā)動(dòng)機(jī)推力銷(xiāo)的材料為超高強(qiáng)度合金鋼18Cr2Ni4WA，在發(fā)動(dòng)機(jī)推力作用下，變形很小。彎矩測(cè)量要求試驗(yàn)件在力的作用下有一定的變形量，而剪力測(cè)量恰恰不需要此條件，這也是剪力測(cè)量的優(yōu)勢(shì)所在。

4 結(jié)論

針對(duì)小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)推力測(cè)量中的應(yīng)變計(jì)布置方法，本文通過(guò)理論研究和試驗(yàn)分析，得出如下結(jié)論：

(1)基于剪力橋的測(cè)量方法效果好、精度高，滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)推力測(cè)量的要求，可以在試車(chē)臺(tái)和飛行試驗(yàn)中開(kāi)展發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)推力直接測(cè)量；

(2)基于彎矩橋的測(cè)量方法效果不明顯、精度低，無(wú)法在試車(chē)臺(tái)和飛行試驗(yàn)中開(kāi)展發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)推力直接測(cè)量。