航空發動機室內臺架推力測量修正方法研究

楊福剛，陳 宇 ，常 誠

（中航工業沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司，沈陽 110043）

航空發動機室內臺架推力測量修正方法研究

楊福剛，陳 宇 ，常 誠

（中航工業沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司，沈陽 110043）

為解決缺少標準發動機而不能對試車臺進行定期校準來確定試車臺推力修正值的問題，通過數據統計分析方法，得到臺架的發動機推力修正值；通過臺架氣動流場參數測試，計算出氣動沖量、噴口負壓和迎風阻力等對發動機推力的影響,并根據驗證統計數據，分析了推力修正值的合理性。

臺架校準；氣動參數測試；推力修正系數；航空發動機；試車臺

0 引言

目前，航空發動機研制先進國家均建有露天試車臺，很容易實現室內試車臺架的推力修正。根據國軍標要求，科研、生產用各型航空發動機試車臺必須定期進行校準，以確定試車臺的修正值或修正系數[1]。長期以來，中國因缺乏室內試車臺校準用發動機標準件的露天基準試車臺，使發動機室內試車臺的校準工作一直處于有規定、難實施的局面。而形成校準用的發動機大多由國外試車臺產生，國產發動機與其相比，在臺架結構、氣動布局和測試系統等方面均存在較大差異，導致發動機技術狀態評定困難和性能評價不準確等，影響了發動機的修理和使用。

本文通過數據統計分析得出各試車臺架的發動機推力修正系數，以解決無校準發動機校準臺架問題，進而實現對航空發動機性能的準確評定。

1 臺架推力實施方案

1.1 臺架試車數據分析

通過對各試車臺在所有最大和全加力狀態下穩態性能推力統計、分類和歸納，分析出發動機推力與大氣溫度的變化關系。利用理論推力和推力換算系數曲線得到在最大和全加力狀態下理論推力的公差[2]，通過擬合方法，繪制出其推力范圍曲線，并將在各溫度下所統計的發動機測量推力繪制到上述曲線中，通過分析推力損失影響因素，最后得到各臺架合適的推力修正系數。

1.2 臺架氣動參數測試

在室內試車臺上進行發動機試車時，由于受進氣沖量、迎風阻力和發動機噴口附近負壓等影響[3]，所測推力比發動機的實際推力低。為了獲得科學準確的臺架修正系數，對試車臺架進行氣動參數測試，以分析推力損失的主要影響因素，為試車臺推力修正系數的確定提供參考依據。

2 實施結果

2.1 臺架數據分析結果

通過收集試車臺在所有最大和加力狀態下的穩態性能參數，對數據進行分類分析和總結，將發動機轉速、推力和大氣壓力與大氣溫度的變化關系繪制成曲線，分析和研究發動機在各穩定狀態下主要參數隨大氣溫度的變化規律。

首先，研究關于推力換算的計算方法，分別用在最大和加力狀態下的推力換算系數計算出對應大氣溫度下的理論推力測量值；然后，按照最大和全加力狀態下推力限制值公差，繪制出2種狀態下的理論推力公差曲線,如圖1、2所示。

將試車臺的推力測量值按發動機進口溫度，分別繪制到圖1、2中，得到臺架發動機在最大和加力狀態下測量推力隨大氣溫度的變化曲線，如圖3、4所示。

從圖3、4中可見，發動機測量推力與發動機進口溫度變化關系符合理論曲線變化趨勢，但明顯低于理論推力值。這是因為臺架氣動參數影響使發動機推力損失。因此，需要通過測量臺架氣動參數進行分析。

2.2 氣動參數測試結果

按照臺架氣動參數測試方案，對各試車臺架進行氣動參數測試，測試內容包括試車間進氣壓力降、空氣平均流速、發動機進氣截面和排氣截面靜壓差，以及發動機試車間排氣系統有無回流等。車間測試如圖5所示。

經測試，其結果符合國軍標要求。

2.2.1 氣動沖量和迎風阻力修正

發動機在室內試車臺上試車時,由于氣流通過試車臺進氣系統時有壓力損失，并且對發動機有一定的迎面速度產生進氣沖壓,使其地面靜止條件未得到滿足；外流沿發動機長度的靜壓變化和摩擦阻力會引起測量推力損失,試車臺排氣系統造成的尾噴口處環境靜壓降也會引起測量推力損失[4]。因此，需要對臺架氣流場進行測試，研究試車間內的流場狀況，計算各臺架氣動沖量和迎風阻力對推力的影響。通過對氣動影響量進行測試分析，可以計算出氣動參數對推力的修正值，對該修正值可通過以下方法進行修正

式中：F為發動機實際推力，N；Fcl為測量推力，N；ΔFr為進氣沖量修正，N；ΔFn為迎風阻力修正，N；ΔFp為噴口范圍負壓引起的修正。

2.2.1.1 迎風阻力對推力的影響

由于推力測量平臺動架、發動機吊架和各連接管路均受到2股氣流的作用，如果已知受2股氣流作用部件的形狀、阻力系數和2股氣流參數，就可以對這些部件的阻力進行估算。

單個部件的迎風阻力為

式中：Cx為部件的迎風阻力系數，該值取決于迎風部件的形狀和雷諾數[5]；Ami為計算的投影面積。

式中：ρ為空氣密度；vn為部件迎風氣流速度；dm為部件中部截面或直徑；μ為氣動黏性系數。

取臺架各部件迎風阻力系數為1，按照公式對迎風阻力修正值進行估算后可知，迎風阻力對發動機推力影響相對很小，可以忽略不計。

2.2.1.2 氣動沖量對推力的影響

在試車時，由于氣流通過試車臺進氣系統時有壓力損失，并且對發動機有一定的迎面速度,產生進氣沖壓,使發動機的“地面靜止”條件未得到滿足，相當于發動機在地面飛行，從而對發動機推力產生影響。

進氣沖量使發動機進氣裝置的推力降低，可表達為

式中：G0為試車間的總空氣流量,可由G0=ρvmA計算獲得；v′m為試車間截面的平均風速，m/s；G1為發動機空氣流量，kg/s；v′m為試車間外流道平均風速，m/s；Ps為進氣道滯止區靜壓，Pa；P0s為試車間進氣截面靜壓，Pa；A 為試車間截面積，m2。

通過對臺架進行氣動參數測試與計算，得到臺架氣動沖量對推力的影響。

2.2.1.3 噴口負壓對推力的影響

通過噴口附近負壓對推力的影響進行ΔFp修正，即 ΔFp=（P1-P0）*（A1-A9）。

發動機排氣的引射作用在試車間內形成流動，受引射氣流影響，噴口對發動機測量推力產生影響。引射筒大小及其與發動機噴口的距離決定引射流量和噴口處的靜壓。試驗時在發動機噴口與試車間地面間布置2支壓差傳感器，測量噴口處無負壓，說明噴口對發動機推力影響很小，可以忽略不計。

根據各臺架氣動參數測試結果，從迎風阻力對發動機推力影響、進氣沖量推力修正值和噴口負壓對推力的計算分析看，進氣沖量對推力修正值的影響最大，占發動機總推力的2%～3%，修正量占總修正量的90%以上。

3 綜合數據分析

通過各試車臺現有推力修正系數統計，按發動機臺數加權平均得出了各試車臺架的平均推力修正系數。將各試車臺架在最大和加力狀態下的推力乘以平均推力修正系數后，得到臺架發動機修正后推力與大氣溫度的關系曲線，如圖6、7所示。在最大和加力狀態下的推力基本在發動機理論推力范圍內。

發動機測量推力散度驗算如下。

（1）為了便于發動機理論推力曲線線性常用段分析，該段曲線方程為

（2）為了對比分析，取與試車臺氣動結構相近的試車臺測量推力值進行計算。試車臺的測量推力按線性進行曲線擬合所得到的曲線方程為

（3）按上述方法得到加力狀態理論方程為

（4）測量推力擬合曲線方程為

計算得到公差帶內的樣本比例分別為93.10%和95.63%，可以判定試車臺氣動參數相對穩定。

從試車臺數據分析計算得到的推力平均修正系數，在最大狀態下的小于1.5%，在加力狀態下的為2%～3%。這與進氣沖量對推力影響占發動機總推力的比例基本吻合。臺架測量推力數據分布集中穩定，驗證了統計分析計算得到的各臺架推力平均系數的可行性。

4 結論

（1）通過對各試車臺在所有最大和全加力狀態下穩態性能推力進行統計、分類和歸納，分析出發動機推力與大氣溫度的變化關系。將在各溫度下所統計的發動機測量推力繪制成理論推力范圍曲線，可計算得到各臺架推力修正系數。

（2）對各試車臺架進行進氣壓力降、空氣平均流速、發動機進氣截面和排氣截面靜壓差，以及發動機試車間排氣系統有無回流等氣動參數測試，可以分析得出室內臺架發動機推力損失原因。

（3）通過氣動參數測試，計算試車間迎風阻力、進氣沖量和噴口負壓對發動機推力影響可知，進氣沖量對推力修正值影響最大，占發動機總推力的2%～3%，占修正量的90%以上。

（4）氣動沖量修正量與統計分析計算得到的各臺架推力修正系數基本吻合，驗證了該方法的可行性。

（5）本文進行的推力測量修正方法應用研究，可大大減少使用校準發動機校準試車時引起的性能不穩定情況。

[1]陳代富.某型渦扇發動機地面試車臺校準 [C]//中國航空學會第七屆動力年會論文集.北京：中國航空學會，2010：1-3.

[2]陳益林.航空發動機試車工藝[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010：256-261.

[3]宋寶玉，于文懷.航空發動機裝配試車技術[M].北京：科學出版社，2002：207-241.

[4]Martin J G,Stephen R J.An integrated approach to propulsion and power for unmanned vehicles[R].AIAA-2003-6527.

Correction Methods of Thrust Measurement for Aeroengine Indoor Bench

YANG Fu-gang， CHEN Yu，CHANG Cheng
（AVIC Shenyang Liming Aeroengine group corp.LTD,Shenyang 110034,China）

Due to no standard engine,an aeroengine test bench could not be calibrated periodically to determine thrust correction factor.The thrust correction value was obtained by statistical analysis method.The effect of pneumatic impulse,nozzle negative pressure and wind resistance on the engine thrust was calculated by the aerodynamic flow parameter test.The rationality of thrust correction value was analyzed by statistical data.

bench calibration;aerodynamic parameter test;thrust correction coefficient,aeroengine;test bench

楊福剛（1973），男，高級工程師，從事航空發動機試車研究工作。

2011-06-20