航空发动机验证机考核与评估标准研究

王伟生 代 冰 尹志华 刘 辰 肖金彪

（1. 中航工业航空动力机械研究所，湖南 株洲 412002； 2. 中航工业综合技术研究所，北京 100028）

航空发动机验证机考核与评估标准研究

王伟生1代 冰2尹志华1刘 辰1肖金彪1

（1. 中航工业航空动力机械研究所，湖南 株洲 412002； 2. 中航工业综合技术研究所，北京 100028）

分析了国内外发动机研制的验证机情况，提出了航空发动机验证机验收的技术考核指标和评估体系，可为航空发动机验证机验收考核及评估方法标准的制定提供参考。

航空发动机；验证机；标准研究

验证机通常分为技术验证机和型号验证机。技术验证机用来验证新技术在发动机整机条件下的适用性。型号验证机用来证明研制单位已经具备发展该型发动机能力的一种验证手段，验证发动机总体技术方案的可行性，是型号发展必不可少的技术基础和决策依据。

美国、欧洲、俄罗斯等航空发动机技术先进国家的主要型号研制都是通过验证机的技术积累后开展型号研制。我国多型发动机研制也经历了验证机研制，如某发动机就是经过十多年预研及验证机验证后才开展型号立项研制，最终定型。

但验证机的考核、验收指标、评估体系目前还缺少统一的标准。本文通过对国内、外验证机研制情况归纳、总结，分析了发动机验证机的考核、验收指标和评估体系。

1 国内外发动机验证机的研制情况

1.1 国外研制情况

1.1.1 美国研制情况

装备于F/A－18飞机的F404发动机是美国通用电气公司（GE）在YJ101基础上发展的低涵道比涡轮风扇发动机，YJ101发动机就是F404的验证机。1972年完成了核心发动机验证，1973年完成了飞行前合格试车，到1975年GE公司与美国海军正式签订了全面研制的合同为止，其验证机研究周期近5年。1979年12月F404发动机通过定型试车并批准投入生产，可见，F404发动机通过YJ101验证机的研制，大大缩短了型号研制周期。

1.1.2 欧洲的研制情况

EJ200发动机研制经历技术验证机——型号验证机——全尺寸发动机研制——预生产型发动机——最终生产型发动机的道路。

XG－40是EJ200发动机的验证机，1982年，英国国防部与RR公司联合投资开始了发动机验证机计划。XG－40是一种具有全新构形的验证机，它应用了RR公司以前的研究和部件验证计划的成果。

法国M88发动机研制是在M53发动机作为核心机的基础上，先进行部件试验验证，然后组成验证机，分两步验证后转入全尺寸研制，然后经飞行试验再进入系列生产的道路。

1.1.3 俄罗斯的研制情况

俄罗斯在新一代航空发动机研制中，同样采用了技术验证机的发展道路。由于条件所限，为验证燃气温度在1850K时的工作可靠性与匹配性，采用了由PД33发动机的压气机、改进的燃烧室与新设计的涡轮组成的核心机，进行全台发动机的试验验证。

1.2 国内研制情况

1.2.1 某发动机情况

某发动机是继承某发动机的气动、热力性能及保持主要零部件不变的轴改桨。主要验证项目有：

验证机部件试验。验证机零部件累计试验1432h，初步考核和验证了新设计零部件的结构强度和滑油燃油附件的功能。

整机试验。1986年8月整机点火一次成功，12月完成台架性能调试，转速和功率达到设计指标。整机试验完成的试验项目有：稳态性能试验；自由涡轮稳定工作范围试验；振动、应力、流程气动参数和表面温度测量；轴向进气系统试验；螺桨变矩、顺桨、反桨功能试验。

试验结果表明，验证机的方案是可行的，其性能指标能够满足飞机的使用要求，为发动机顺利完成适航考核打下基础。

1.2.2 某发动机研制情况

某发动机历时十多年的预研，其验证机经历了两个阶段。

某验证机主要目的是调试核心机与自由涡轮及发动机各系统工作的协调性，录取不带粒子分离器的型号验证机性能，进一步考核零部件的结构强度和工作的可靠性。通过验证试验主要解决了两大技术故障：

1）自由涡轮一级工作叶片从根部折断，叶片从榫槽脱出；

2）“三高”问题。即涡轮间燃气温度偏高、燃气发生器涡轮轴承座滑油回油温度偏高、自由涡轮前腔温度偏高。

某验证机的技术状态是型号验证机的最终状态。其试验分3个阶段进行：

第1阶段，带简易头部的某核心机试验，以校准流量和检查各大部件的工作协调情况。

第2阶段，带粒子分离器的某核心机试验，检查加装粒子分离器后，对压气机性能的影响。

第3阶段，带粒子分离器的核心机加装自由涡轮单元体，即某验证机整机试验，达到验收标准。

2 发动机验证机考核、验收指标探讨

根据我国目前的实际情况，通常是把验证机和原型机捆在一起立项。为了不延误研制进度，应结合国外的经验，慎重考虑验证机的考核、验收指标。

在确定验证机的技术要求时，既要考虑转入原型机的转型需要，又要考虑与技术发展的阶段相适应。当技术水平有较大的跨越时，对一系列新技术、新结构、新材料和新工艺（如整体叶盘结构、单晶叶片、粉末冶金盘、轮盘双热处理、复合材料、阻燃钛合金等）很可能要分阶段实施。此外，有些成附件也不能一次到位。因此，验证机的技术要求受其组成、设计技术成熟度、工艺水平和研制进度、经费等因素的限制，可分阶段实施。

2.1 验证机的技术要求分析

验证机的最终技术要求应最大限度地与原型机一致，根据当前我国的国情，它应分步实现。

第1步，进行验证机的设计点性能及加减速、起动等过渡态性能考核。根据经验，发动机验证机的地面台架设计点性能可在原型机要求的基础上适当降低；各种状态应能稳定工作；加速时间可以适当放宽，但加、减速过程中，不出现超出瞬态极限的超温、超转和不稳定工作；起动时间可以适当放宽，但台架状态冷、热起动应可靠。除这些应作为考核、验收指标外，还应根据验证机最需验证的关键项目规定其特有的考核、验收指标。

第2步，进行验证机工作包线内非设计点（包括边界点）的功能检查和性能摸底。验证机工作包线可比原型发动机适当减小，在选定的边界点上，应保证各种状态顺利切换，工作稳定、起动正常。在性能上暴露出的问题，有可能需要更改的结构允许更改。解决暴露问题后再行考核、验收。

第3步，进行寿命累计试车和专项试车。在试车期间，验证机应工作正常。这些虽不作为考核、验收指标，但暴露出的问题必须解决。

第4步，凡在原型机上要采用的新技术、新结构、新材料和新工艺，应在验证机上进行一定时间的试验。由于试验时间不可能充分，它们也可不作为考核、验收指标，但在原型机上不宜采用未经过任何试验的新技术、新结构、新材料和新工艺。

验证机的最终技术状态应该就是原型机的技术状态。

2.2 验证机的结构组成要求分析

验证机的总体结构实际上就是为实现原型机性能要求而设计的。所以，原则上它应与原型机相同，只是在设计新结构时由于材料或工艺问题，暂时不能实现，外部附件尚未开始研制，所以改用马上就能实现的结构和现成的代用附件，组成了 “验证机”。因此：

1）影响性能的流道结构应与原型机相同；

2）所有转动部件的结构、承力系统的关键部件，如中介机匣、中央传动齿轮和附件传动机匣等，应尽量接近最终结构，以便在试车中对其可靠性进行初步考核；

3）验证机组成零部件的结构设计应能满足其性能考核试车及其所需的寿命和可靠性要求，应进行足够的试验；

4）其余非关键部件，在条件不成熟时，可以简化和代用，只要满足功能需要，体积、重量及安装形式不作严格规定。

3 验证机的评估、验收体系分析

型号验证机是型号研制流程中的一个重要阶段，但不是一个产品，因此它的评估与验收主要是在研制体系内部，也就是说验证机验收评估体系与研制型号的评估、验收体系有所不同，但由于它对原型机研制中是否会出现颠覆性的问题，是否会延误型号研制进度的影响很大，所以对其的考核、验收及节点检查，尤其是暴露问题后的措施效果检查，使用部门应该参与。

3.1 验证机的评估与验收的划分

初步分析，验证机的评估、验收应分3个阶段实施：

1）第1阶段是验证机组装前的评估、验收，也就是验证机技术状态的评估，它包括对验证机设计资料的评估验收、对低压部件、系统及其部件的试验器试验评估及对核心机的评估验收；

2）第2阶段是验证机性能的地面台架考核验收，它包括设计点的稳态性能、加速性和起动性能等；通过考核验收后，即可进入原型机设计节点；

3）在进入原型机设计节点时，并同时开始验证机的第3阶段工作，在这一阶段中进行验证机工作包线内的性能检查及寿命、可靠性累计评估，包括发动机工作包线内典型状态点的高空台试验和验证机的累计试车、各专项试车和排故试车。在本阶段中，针对存在问题的排故措施应及时落实在原型机设计中。本阶段的评估按每项试验的进展情况随时进行评估。评估的组织者应为研制的总质量师系统，评估的参加者应根据评估内容而定，各项评估的文件包括试验报告和设计、计算分析报告。

3.2 验证机设计资料的评估与验收

评估、验收的验证机设计资料包括（但不限于）：

1）验证机的技术状态评审结论；

2）验证机性能计算报告，包括：

a）设计点性能计算；

b）在发动机调节规律初步确定的条件下，利用部件的试验特性来计算高度、速度特性；巡航特性；节流特性；

c）强度计算点的气动参数；

d）过渡（瞬）态性能计算；

e）发动机气动稳定性计算；

f）全机空气系统的计算；

3）转子动力学特性分析报告；

4）关键件强度计算报告。

3.3 地面试车评估

3.3.1 试验内容

1）台架点性能的全面测量，从慢车转速到最大转速之间的推力（或功率）和耗油率，同时测量空气流量、高、低压转速、排气温度、喷口面积以及燃油系统、滑油系统的有关参数，以便综合评定发动机的性能；

2）发动机台架起动试验，调整最佳起动参数；

3）功率瞬变试验，以此来考核发动机台架状态的工作稳定性；

4）进口畸变试验，获取发动机抗进口畸变的能力；

5）在上述各项试验中，录取有关参数，检查燃油系统、控制系统、滑油系统和空气系统的正常工作。必要时，应进行专项试车（如空气系统腔温、腔压测量；轴向力测量；发动机整机振动特性测量；压气机叶片和外部管路的振动应力和振动模态测量等）；

6）进行累计试验，验证发动机的工作可靠性；

7）进行排故试车，验证对发现问题采取排故措施后的效果。

3.3.2 主要考核指标

下列参数为主要考核指标：

1）起动过程：起动时间；低压涡轮后燃气温度；

2）慢车状态：推力或功率；低压涡轮后燃气温度；

3）过渡过程：加、减速时间；发动机工作稳定性；有无超温、超转信号；

4）中间状态：推力或功率；耗油率；

5）最大状态或最大连续状态：推力或功率；耗油率。

3.4 高空性能检查

3.4.1 试验内容

1）高空性能试验：在按要求选定的高空试验点上，录取规定状态下发动机的性能和特性。分别在慢车、最大连续、中间位置、最大功率位置，记录发动机的推力或功率、转速、温度和燃油流量随时间变化的关系，并按有关要求检验发动机的工作稳 定性；

2）推力或功率瞬变试验：在选定的试验点上，进行推力或功率瞬变试验，以验证有关规定的推力或功率瞬变性能和空气流量瞬变特性，确定最大引气和功率分出单独或同时作用时对发动机功率瞬变性能的影响；

3）功能试验：在发动机工作包线的极限状态运行发动机，验证发动机的工作包线；测量发动机的稳态和推力瞬变特性，并测定进气畸变对稳态性能和推力瞬变特性的影响；

4）起动、再起动试验：发动停车后，都应在工作包线范围内选定的起动点上进行空中起动、再起动试验。

3.4.2 主要观察、记录指标

验证机阶段对高空试验不作严格的指标要求，高空试验主要观察、记录发动机在高空条件下发动机总体气动和结构的可行性、各部件的工作协调性以及各个系统工作的满意性，以便及早发现问题，采取改进措施，在原型机研制中予以解决。如高空试验所测得的性能，不低于稳态性能计算值，并且在高空试验中测得的性能与海平面测得的性能之比值与规定值之差应不大于±5%，则认为验证机高空试验是满意的。

3.5 新材料、新工艺评估

原型机上需采用的新材料、新工艺在验证机阶段应分步进行评估：

1）首先对材料性能进行试验室评估和加工零件的工艺稳定性评估；

2）第2步对选用新材料、新工艺制成的零件进行试验室试验，评估其是否达到设计要求；

3）最终再在验证机上评估，若该零件在发动机上的数量较多，还可分步评估，即先大部分采用成熟材料和工艺的零件，少量采用新材料、新工艺构件，进行验证机试车，然后根据情况确定是否需要改进新材料、新工艺，再全部采用新材料、新工艺构件，进行验证机评估。

（编辑：劳边）

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C

1003–6660（2014）01–0007–04

2013-09-17