涡轴发动机吞鸟试验方法及试验验证

2022-07-05王庆平赵海凤

航空发动机 2022年2期

王庆平，王飞，赵海凤

（1.中国航发湖南动力机械研究所，湖南株洲 412002；2.南昌航空大学飞行器工程学院，南昌 330063）

0 引言

随着航空技术的快速发展，鸟类对飞行器的危害不断凸显，鸟撞事件呈增加的趋势。据美国空军统计，1956~1973年发生航空发动机鸟撞事件112次；1985~1998年平均每年因鸟撞造成3500万美元的损失。因此，开展发动机吞鸟试验研究非常有意义。

自20世纪70年代至今，国外进行了大量航空发动机吞鸟试验研究。Howard等对GE公司开展的大涵道比涡扇发动机吞鸟试验进行了总结，分析并讨论了开展吞鸟试验的理由、试验台架设计、空气炮和高速摄像机的布局及试验流程；Shorr等利用有限元软件MSC.Dytran建立了“软”、“硬”2种鸟体模型并进行了鸟撞的数值模拟分析，与试验结果的对比表明2种模型均能较好地模拟质量约为1.8 kg的鸟撞击对风扇叶片的影响；Kermanidis等针对采用张量蒙皮设计的机翼前缘开展了鸟撞的非线性有限元分析，提出了相应的有限元建模方法和分析步骤，数值模拟与试验结果吻合较好；Meguid等利用LS-Dyna软件分析了鸟体大小和形状对撞击力的影响，发现鸟体和叶片的初始撞击面积对最大撞击力影响较大，而鸟体的宽高比对撞击力几乎没有影响；Demers探讨了鸟撞对发动机设计准则的影响。在大量理论研究和试验的基础上，国外相继在FAR-33部及CS-E中提出民用航空发动机吞鸟适航要求，并于80年代将适航理念引入军用航空器的研制，适航吞鸟要求成为军用航空发动机研制必须考虑的问题。中国亦针对军用航空发动机吞鸟开展了相关研究。陈伟等利用LS-Dyna开展了发动机叶片鸟撞击瞬态响应的数值模拟分析；刘建明等基于MSC.Dytran分析了鸟体密度、体积以及叶片材料参数对撞击力的影响；张海洋等采用SPH方法分析了鸟撞对旋转风扇叶片的损伤并进行了试验验证；张永飞等针对某型涡轴发动机开展了吞鸟对发动机性能影响试验；晏祥斌等、刘涛等开展了涡扇发动机吞鸟适航符合性验证研究。在大量研究的基础上，中国相继制定了国军标《航空发动机吞鸟试验要求》（GJB3727-1999）、《航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范》（GJB241A-2010）、《航空涡轮螺桨和涡轮轴发动机通用规范》（GJB242A-2018）。

但上述吞鸟试验的研究、规范和要求主要侧重于涡轮喷气和涡轮风扇发动机，针对涡轴发动机的很少，仍未形成系统的试验方案和试验流程。本文根据国军标对航空发动机吞鸟试验的要求，结合典型涡轴发动机的结构特征，提出一种典型涡轴发动机吞鸟试验方案，制定了相应的吞鸟试验流程，并通过地面台架试验进行了验证。

1 国军标对涡轴发动机吞鸟试验的要求

《航空涡轮螺桨和涡轮轴发动机通用规范》（GJB242A-2018）和《航空发动机吞鸟试验要求》（GJB3727-1999）对航空发动机吞鸟试验中鸟的质量、数量以及试验级别均作出了详细规定，见表1~3。

表1 鸟的质量级别

发动机完成吞鸟试验的判据为：在表3中的a、b、c 3项条件下，虽然可能造成发动机某些零件损坏，但不能引起发动机停车。发动机应不熄火，并能在规定的时间内恢复到吞鸟前的工作状态。在d项条件下，发动机不应发生能导致飞机损坏的故障。

表2 吞鸟的数量级别

表3 涡轴发动机吞鸟试验级别

2 试验方案与流程

2.1 试验前准备工作

2.1.1 试车台和发动机的校准

在吞鸟试验前，试车台和发动机应按照相关程序校准，其中发动机的校准包括稳态性能和功率瞬态性能，记录校准试验数据。完成发动机校准试验后，将稳态性能试验数据换算成标准性能曲线；将功率瞬态性能试验数据按实测结果绘制成发动机参数与时间的关系曲线。

2.1.2 鸟的制作与投射位置的确定

根据发动机的进口面积，按照表1、2中的要求计算并确定发动机应吞入鸟的质量和数量。试验用鸟应尽量使用自然鸟，必要时中鸟和大鸟允许使用家禽，允许通过修剪翅膀和腿等方式对试验用鸟进行处理、称重；若使用人造鸟，建议使用20%的明胶和80%的水制作。此外，为便于后期分析鸟在发动机内的运行轨迹以及区分判断残骸来源，应将2只或2只以上的鸟染上不同颜色。

确定应吞入鸟的质量和数量后，根据制定的吞鸟试验程序图谱中吞鸟点发动机的状态，按照表3确定鸟的投射速度。鸟的投射位置应避开压气机第1级叶片前的静子支板，防止鸟卡滞在支板上；有2只或2只以上的鸟时，应尽量拉开其投射位置之间的距离，如图1所示。

图1 鸟的投射位置

2.1.3 试验设备布局与安装

吞鸟试验设备布局如图2所示。吞鸟试验专用投鸟设备为气体炮，按规定向发动机进口投射试验用鸟。同时至少利用3台高速摄影设备记录鸟的运行轨迹和撞击部位、试验件变形和碎裂过程，并对鸟的速度进行测量。考虑到典型涡轴发动机一般为功率前输出，在台架试验时功率轴需与测功器连接，所以投鸟设备以及高速摄影设备在安装时应与发动机轴线呈一定角度，从而避开测功器。具体角度应根据发动机在台架上的安装情况确定。此外，为了保证鸟体顺利进入发动机流道，发动机进口处应安装导流盆。

图2 吞鸟试验设备布局

2.1.4 制定吞鸟试验程序图谱

按照GJB242A-2018和GJB3727-1999的要求，结合涡轴发动机的特点制定吞鸟试验程序图谱，如图3所示。

图3 国军标要求的吞鸟试验程序图谱

2.2 试验测量参数

以国军标对航空发动机吞鸟试验的要求为基础，同时参考国内外航空发动机吞鸟试验研究成果，确定发动机吞鸟试验的主要测量参数及其精度，见表4。进行吞鸟试验时，测量参数除接入稳态数采系统外，还应选取部分测点进行动态示波，以便发现吞鸟试验过程中发动机可能出现的喘振、失速、振动超标等异常现象并及时实施应对方案。

表4 吞鸟试验主要测量参数及其精度

2.3 发动机性能录取

发动机应在鸟的残骸清除前、后（清理残骸并清洗发动机）分别进行性能录取，并将结果进行对比分析。残骸清除前应停车检查发动机进口流道及鸟的残骸分布，并拍照记录。若转子叶片变形严重，经结构强度评估确认安全后方可进行发动机性能的录取。性能录取状态点与投放鸟时发动机的状态点一致。

2.4 发动机的分解检查

完成性能录取后，应及时分解检测以确定鸟对发动机各零部件的损伤程度并进行记录。检测方法包括但不限于目视、磁力探伤、渗透检查、X射线、超声波。

2.5 吞鸟试验流程

基于国军标的相关要求及国内外航空发动机的吞鸟试验研究成果，提出典型涡轴发动机的吞鸟试验流程，如图4所示。

3 整机吞鸟试验

基于第2章中提出的试验方案和流程，对某型涡轴发动机开展了整机吞鸟试验以验证试验方案和试验流程的合理性和可行性。

3.1 试验用发动机

试验用发动机为功率前输出的涡轴发动机，由惯性式粒子分离器、压气机、燃烧室、燃气涡轮和自由涡轮等组成，其结构如图5所示。

图4 典型涡轴发动机吞鸟试验流程

图5 试验用涡轴发动机结构

3.2 鸟体参数以及试验程序图谱

为了掌握不同质量和速度的鸟体对发动机造成的损伤以及对发动机运行状况的影响规律，共进行了4次整机吞鸟试验。根据试验要求和该发动机的进口截面确定了4次试验使用的鸟体数量、质量和速度，见表5。

表5 吞鸟试验中鸟体的主要参数

基于国军标的相关要求，制定了吞鸟试验的程序图谱，如图6所示。试验过程中，当发动机在中间功率状态稳定工作3 min后投射鸟体并继续保持发动机在该状态运转5 min，同时记录发动机运行的相关参数。

图6 吞鸟试验程序图谱

3.3 试验数据分析

选取动力涡轮进口温度、测功器测量功率、燃气涡轮转速和动力涡轮转速4个参数与其最大值的百分比、、、来考察某型涡轴发动机吞鸟前后运行状态的变化情况。4次吞鸟试验各参数的变化曲线如图7所示，参数详细变化情况与国军标要求的对比见表6。

图7 试验中发动机主要参数变化曲线

表6 4次吞鸟试验发动机的主要参数变化与国军标要求的对比

分析图7和表6可知，除第1次吞鸟试验的吞鸟时间为1.2 s（吞鸟瞬间发动机功率降到最低值所用的时间），大于规定值（≤1 s）外，其余主要参数在吞鸟前后的变化均符合国军标的要求。

第1次吞鸟试验发动机停车后检查，发现2号鸟体（94.7 g）基本完整，卡滞在反旋叶片和清除流道进口之间，并未进入主流道，如图8所示。这也是导致吞鸟时间达到1.2 s的主要原因。此外，由于1号鸟体未进入发动机内部发生燃烧，所以升高并不明显，仅升高了2.9%（图7（a））。

经分析，投射角度的偏差导致了1号鸟体的卡滞。随后调整了鸟体的投射角度，适当增大鸟的质量进行第2次吞鸟试验。试验完成后停车检查发现，2号鸟体（110.4 g）约1/3的鸟体残骸卡滞在反旋叶片进口处，堵塞约2个主流通道，如图9所示。

图8 第1次吞鸟试验中2号鸟体残骸卡滞位置

图9 第2次吞鸟试验中2号鸟体残骸卡滞位置

通过第1、2次试验发现体型较大的鸟易卡滞在反旋叶片处，所以第3次试验采用2只偏小的鸟体。2只偏小的鸟体全部进入发动机主流道，明显升高，约升高4.4%（图7（c））；试验停车后检查未见鸟体卡滞，但压气机第1级叶片受损变形明显，变形区域约为18 mm×6 mm×6 mm，如图10所示。说明体型较小的鸟体对本文所研究的涡轴发动机的危害性更大。

图10 第3次吞鸟试验中压气机第1级叶片叶尖卷曲变形

为了验证鸟体速度对发动机的危害程度，将鸟体速度由之前的160 km/h提高至180 km/h进行第4次试验。2只鸟体全部进入发动机主流道并在发动机内部燃烧，使得升高约4.5%（图7（d））；试验停车后检查未见鸟体卡滞，但压气机第1级叶片进气边靠叶尖处有7处明显变形，最大变形区域约为3.0 mm×1.5 mm×0.5 mm，如图11所示。说明速度较快的鸟体对发动机危害性更大。