中國大涵道比渦扇發動機整機試驗驗證規劃研究

王 海

（中國人民解放軍93128部隊，北京100076）

0 引言

大涵道比渦扇發動機具有推力大、耗油率低、壽命長、可靠性高、污染低、噪聲小等特點，廣泛應用于民用客機、運輸機、加油機、預警機、無人機等。在《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》和“十一五”規劃綱要中，大型飛機被列為重大專項工程，其中包括大型軍用運輸機和大型民用運輸機，要求配裝具有自主知識產權的大涵道比渦扇發動機，這也是必須實現的國家戰略目標，該重大專項工程為中國發展大型飛機動力裝置提供了前所未有的契機。

目前國內大涵道比渦扇發動機的研制已經取得了一定的成果，開展了整機試驗，不過與國際上先進的同類發動機相比，在試驗依據、試驗方法、試驗時數等方面仍在一定差距[1-4]。

本文在理清思路、查找不足的基礎上，制定了較為合理的整機試驗驗證規劃，以提升試驗技術水平，為加快中國大涵道比渦扇發動機研制提供有力支撐。

1 試驗驗證依據

1.1 民用標準

民用大涵道比渦扇發動機的研發以保證安全性為最基本的原則，其設計和驗證以滿足適航條例為目標，確保研制的產品在預期的環境中能持續安全地使用。國際適航條例主要包括美國聯邦航空局的FAR33《航空發動機適航規定》、CS-E歐洲航空安全局《發動機合格證規范》及加拿大運輸部的適航規定等[5-6]。民用發動機從研制伊始，就制定了滿足上述適航審定基礎要求的取證計劃，并在部件試驗器、整機試車臺、高空臺、露天臺、飛行臺等試驗臺上開展大量試驗，以證明發動機的性能、功能、強度、可靠性、耐久性等特性滿足安全使用要求。

1.2 軍用標準

軍用大涵道比渦扇發動機的研制一般以國家軍用標準為主要依據，確保研制的產品滿足軍方和用戶的需求，例如美軍標JSSG 2007B《航空渦噴渦扇渦軸渦槳發動機聯合使用規范指南》[7]。隨著對安全性重視程度的不斷提高，世界主要軍事大國逐步認識到軍機適航安全性的問題，將軍機適航性審查體系納入研制過程，并制定了相關的軍機適航標準，如美國MIL-HDBK-516C《國防部手冊軍用航空器適航性審查準則》[8]和英國Def Stan 00-970《軍用飛機設計和適航性要求，11部-發動機》[9]。目前中國軍用發動機研制主要以相關的國家軍用標準為依據，尚無軍用發動機適航的專用標準。

2 試驗分類及特點

2.1 試驗分類

大涵道比渦扇發動機整機試驗主要驗證發動機的性能、功能、可靠性、安全性、結構完整性和環境適應性等，對于不同類別的試驗項目，關注的重點有較大區別。

（1）可靠性、耐久性類試驗。如持久試車、可靠性累積試車，重點關注試車載荷，包含發動機狀態、工作時間、循環數等，同時應重點關注試車中出現的問題、解決方式及對后續發動機使用的影響。

（2）性能調試類試驗。如新機調試、起動、全流程參數測量等試驗，重點關注發動機技術狀態、性能滿足情況、穩定性、參數測量等。

（3）功能性能試驗。如飛機引氣、功率提取等試驗，重點關注功能滿足情況及實現該功能后發動機穩定工作情況。

（4）穩定性試驗。如側風、進口氣流畸變等試驗，重點關注畸變模擬條件、發動機穩定性、穩態及瞬態性能。

（5）結構完整性試驗。如高循環和低循環疲勞、轉子結構完整性、包容性、振動和應力等試驗，重點關注試驗條件、發動機狀態和載荷等。

（6）環境和吞咽類試驗。如高原起動、環境結冰、吞鳥、吞冰、吞砂、吞雨等試驗，重點關注試驗環境條件、試驗方法、撞擊位置、吞咽物的量和速度等關鍵參數，另外需關注發動機的性能變化和結構損傷情況。

（7）高空試驗。一般包含飛行試驗、高空臺試驗，重點關注發動機在全包線范圍內的功能、性能，根據2個平臺的特點和能力，對試驗結果進行相互補充和相互印證[10]。

2.2 試驗特點

大涵道比渦扇發動機結構形式與小涵道比發動機的有一定差異，裝配對象多為客機、運輸機、加油機或特種飛機，具有長壽命和高可靠性的特點，因此其整機試驗具有如下特點。

（1）試驗考核標準參照適航要求。現今國際上普遍采用的大涵道比渦扇發動機整機試驗考核標準均參照適航要求進行，適航規定與通用規范有顯著區別，適航是保證航空器安全性的最低標準，即是強制性標準。適航標準在全球范圍內適用較廣，隨著對安全性認識逐漸提高，各國不僅在民用領域按照適航標準制定試驗考核標準，同時也將適航理念引入軍事領域，制定了相關的軍用適航標準。

（2）試驗時數長。由于大涵道比渦扇發動機具有長壽命的特點，先進的大涵道比發動機在翼工作時間可以超過上萬小時，使其研制過程中試驗、試飛的時數長。在發動機投入使用后，仍持續進行“取證后加速循環試驗”，如PW4000發動機取證后在2年內利用8臺發動機繼續進行PACER試驗；CF6發動機的PACER試驗進行20000個循環，投入航線運營時已完成3600個，相當于正常航班運行2年。

（3）試驗方法獨特。大涵道比渦扇發動機具有風扇直徑大、噴管不可調節、VBV及VSV調節的特點，結合其配裝對象用途和裝配的方式，使其有自身獨特的試驗方法。例如，由于直徑大、配裝進氣道較短，進氣畸變試驗一般采用模擬網、模擬板畸變發生裝置進行；由于配裝的飛機飛行姿態較平穩，吞水試驗一般采用均勻噴水的方式；由于具有在翼工作時間長的特點，如果按照正常載荷進行可靠性、耐久性試驗，則試驗周期將長達數年，一般采用加速模擬試驗方法的等效考核以縮短試驗周期。

（4）試驗設備要求高。大涵道比渦扇發動機由于涵道比大，風扇直徑大，需要試驗器尺寸較大，以滿足其大推力、大進排氣流量要求。同時大涵道比發動機一般都需配裝反推力裝置，要求試驗臺具備正、反向推力測試能力及正、反向排氣能力。參照適航標準，試驗臺架還應能滿足大涵道比渦扇發動機特種試驗需求。

3 國外先進大涵道比渦扇發動機整機試驗

3.1 國外大涵道比渦扇發動機發展

目前，在大涵道比渦扇發動機國際市場上，GE、RR和PW3大公司經過幾十年的發展，發動機實現系列化，推力范圍覆蓋95kN～490kN[11]。在發動機研制過程中開展了大量的科研試驗和適航取證試驗，隨著發動機技術的不斷進步，整機試驗驗證方法和測試方法等逐步成熟完善。

3.2 國外大涵道比渦扇發動機典型試驗

3.2.1 可靠性壽命類試驗

可靠性壽命類試車是耗時最長、對發動機全面考核最充分的1項試驗[12]，例如初始維修檢查試車。國外發動機在進行適航取證時，均開展初始維修檢查試車以驗證發動機的可靠性、耐久性等。不同的發動機公司對相同試驗的考核方式存在一定的差異。

PW4000發動機初始維修檢查分3個階段完成，共計3208次加速循環及128次轉速遞減循環，程序時間約為910.0 h，總累計試車時間為927.8 h，等效外場8020.0 h的載荷試驗，載荷加速系數為8.8。試驗包括90%“滑跑起飛”加速飛行循環、10%“急躍”加速飛行循環和40個轉速遞減循環，加速飛行循環用于模擬時長2.5 h的典型飛行循環的低周疲勞和高溫持久蠕變載荷，40個轉速遞減循環用于模擬爬升和巡航段的高周疲勞載荷。

CFM56發動機也采用加速任務循環試驗方法來確定發動機首次維修時限，其加速任務試車循環又叫“C”循環，每個“C”循環用于模擬1個典型商用飛行循環。每個循環的運行時間為20 min，總計運行750個循環，共計約250 h，以此來模擬首次維修時限，大大縮短試驗周期。

2型發動機初始維修檢查試車譜的對比分析見表1。2型發動機均采用加速試車的方式進行考核，加速系數相當，均針對低周疲勞和高溫持久蠕變，由于考核的側重點不同，2型發動機大狀態停留時間、循環數、總等效時間均有較大差別。

表1 2型發動機初始維修檢查試車譜對比分析

3.2.2 吞咽環境適應性試驗

根據適航要求，各航空發動機公司均開展了大量的吞鳥、吞水等吞咽類試驗，來驗證發動機結構強度和吞咽后的穩定工作能力[13-14]。

3.2.2.1 吞鳥試驗

GE、CFM56等系列發動機，針對發動機吞鳥能力，均開展了相應部件、整機試驗。GE發動機地面吞鳥試驗場景如圖1所示。

3.2.2.2 吞水試驗

國外先進大涵道比渦扇發動機均開展吞水試驗，CMF56發動機吞水試驗如圖2所示。按照適航要求，完成了穩態及過渡態吞水試驗，吞水量滿足不低于發動機進口空氣流量4%的要求。

圖1 GE發動機露天臺吞鳥試驗場景

圖2 CFM56發動機露天臺吞水試驗場景

3.2.2.3 側風試驗

為評估大涵道比渦扇發動機在逆風和側風引起進氣畸變條件下的性能和穩定性，需在露天試驗臺利用側風試驗裝置對側風試驗條件進行模擬，CF6-50發動機在18～20.6 m/s（30～40節）的側風條件下對發動機穩定工作能力進行了評定，如圖3所示。

圖3 CF6-50發動機側風試驗場景

4 中國在整機試驗方面的差距

4.1 試驗標準和規范需完善

中國正在開展大涵道比渦扇發動機的研制，并完成了大量的整機試驗，在試驗驗證中，考核方案以目前現有的標準和規范為基礎，并引入適航理念，吸取了大量適航方面的經驗，加嚴了對發動機的考核，取得了一定的成果。但由于中國首次引入適航標準進行大涵道比渦扇發動機研制，尚未走完適航取證的全過程，仍需對適航標準的研究進行經驗積累與總結。同時由于中國國軍標是以美國相關標準為藍本制定的，不能完全適用于對大涵道比渦扇發動機的考核，因此，現已開展部分國軍標的修訂工作，考慮大涵道比渦扇發動機的研制特點，完善相應的標準及規范。針對目前中國的大涵道比渦扇發動機研制的現狀，在設計和試驗驗證中，應繼續堅持將國軍標與適航標準相結合的方式，相互補充。

4.2 試驗方法需積累

隨著中國大涵道比渦扇發動機的研制不斷深入，開展了多個國內首次的整機試驗研究與驗證，如穩定性試驗、噪聲試驗及特種試驗等，開創性地填補了國內大涵道比渦扇發動機整機試驗領域的多個空白，積累了一定的試驗方法與經驗。但同時還應看到，在試驗的系統性和有效性方面還有待提高，研究性、摸底性試驗還需要加強。

國外航空發動機試驗技術經歷了長期的技術積累與發展，對試驗方法進行了不斷的研究與探索，形成了成熟的試驗方法理論與驗證體系，滿足了未來軍民用航空發動機先進技術發展的需要。中國在大涵道比渦扇發動機整機試驗方法上仍需加強研究與探索，在穩定性逼喘試驗、可靠性壽命累積加速模擬試驗、整機旋轉部件應力測量試驗及特種試驗等方面，持續開展試驗方法的深入研究，充分利用國內外資源，不斷地總結和積累，為大涵道比渦扇發動機研制奠定基礎。

4.3 試驗能力待提高

各航空強國投入巨資，建立了規模龐大的試驗基地，擁有大量高水平試驗測試及研究設備，而中國大涵道比渦扇發動機整機試驗設備在數量和技術水平上仍有較大差距。僅以美國GE公司為例，目前其在伊文代爾、皮勃爾斯、溫尼伯共建有室內、高空及露天試驗臺共計20余座。最近在溫尼伯露天臺測試的GE9X發動機推力達568kN。美國空軍阿諾德工程發展中心高空模擬試驗艙直徑達8.5 m，最大推力為441kN，進氣流量達1250kg/s。在飛行試驗臺方面各大公司多采用成熟客機如波音747、空客A380等進行改裝，可測量參數更多，噪聲水平更低，航程更遠，飛行包線更廣，可開展更大推力級大涵道比渦扇發動機試飛驗證。在數據采集和處理上，國際上先進的整機試驗臺測量通道多達3500個，動態采樣速度可達每秒20萬個點[15]。

中國經過幾十年的發展，建設了室內、露天、高空及飛行試驗臺，基本具備功能性能、可靠性壽命、環境適應性、穩定性、結構完整性及高空試驗的能力，初步建立了大涵道比渦扇發動機整機試驗驗證體系。但同時應看到，中國在大涵道比渦扇發動機整機試驗能力上與國際先進水平相比仍有一定差距[16-17]，不能滿足后續多型號研制的發展需求，仍需加大投入進行研究與建設。

5 試驗規劃的原則

5.1 在試驗標準上，應以適航要求為基礎，全面貫徹國軍標要求

中國大涵道比渦扇發動機整機試驗在驗證標準上，應充分參考目前已有的研制基礎，結合國內技術現狀，以適航要求為基礎，全面貫徹國軍標要求，堅持將國軍標與適航要求相結合，相互補充，對于國軍標和適航要求均包含的試驗考核項目，應結合型號使用特點加大考核力度，盡早暴露發動機潛在問題，加速發動機成熟進程。

5.2 在試驗規劃上，應先加大考核時數，積累數據和總結經驗

中國大涵道比渦扇發動機試驗規劃應結合國內研制特點充分借鑒國際上成熟經驗，加大考核時數，積累數據和總結經驗。可視情增加發動機樣本數量，確保考核試驗全面性及準確性，提前暴露潛在問題，確保交付的產品安全可靠，同時將各類試驗有效結合，盡可能保證各臺發動機物盡其用。

5.3 在試驗方法上，應融合軍標適航要求，確保考核系統有效

針對目前國內已掌握的試驗方法，應加強總結與提升，同時在立足自主研制的基礎上積極開展對外合作，學習國外先進航空發動機整機試驗方法及試驗經驗，鼓勵支持多做一些開創性的前瞻課題研究與探索，加速提升國內試驗技術水平。

6 建議重點關注的問題

6.1 試驗設施

在試驗設施上，目前室內、露天、高空及飛行試驗臺可基本滿足在研型號的需求，也建立了一些能夠滿足適航要求的試驗設施設備，為了完全滿足適航要求，需開展整機臺架、設備設施和測量等方面的建設。

6.2 驗證標準

目前國內民用航空發動機設計和驗證按照適航要求開展設計和驗證，軍用發動機在研制過程中引入適航理念，將適航要求與國軍標要求相融合，在設計、試制和試驗中貫徹，建議開展軍用發動機適航性體系建設并建立標準，以滿足后續軍用發動機研發的需要。

6.3 驗證方法

應重點關注目前國內型號研制急需的整機試驗驗證方法，如全壽命加速模擬試車，特種試驗等，在研制進程中不斷總結完善。

6.4 關鍵技術

目前中國已基本掌握了小涵道比渦扇發動機的設計及整機試驗驗證技術，可以為大涵道比渦扇發動機的設計及試驗驗證提供參考，但由于涵道比以及發動機的用途不同，在關鍵技術方面也存在一定的差異。大涵道比渦扇發動機開展整機試驗驗證需掌握的關鍵技術包括[18-19]：

（1）整機試驗仿真技術。如虛擬樣機裝配仿真、整機性能試驗仿真等。

（2）試驗測試技術。如非接觸式發動機轉子振動載荷監測、轉子部件參數測試及信號傳輸、整機振動測試及診斷技術等。

（3）試驗數據分析技術。如可置信度數據智能選取等。

（4）試驗結果評定技術。如特種試驗結果評定技術等。

（5）持久試車載荷譜設計技術。如等效載荷加速設計技術等。

（6）專項試驗關鍵技術。如整機包容試驗葉片斷裂技術等。

7 結束語

（1）大涵道比渦扇發動機具有高可靠性及長壽命的特點，使得整機試驗時數及周期較長，其試驗方法與其他渦扇發動機的有一定差別，需要專用的試驗設備，為充分保證發動機安全可靠，目前國際上普遍采用適航標準進行整機試驗考核，適航標準要求較高，整機試驗難度大。

（2）在未來國內試驗標準制定或修訂時，應以適航要求為基礎，全面貫徹國軍標要求，完善相關規范及標準，同時在試驗考核時堅持國軍標與適航要求相結合，互為補充。

（3）試驗規劃應全面科學合理，對新研制型號應加大樣本數量及考核時數，充分暴露潛在問題，同時對試驗技術狀態應進行科學預測，合理利用資源避免浪費。

（4）加強國內試驗設施建設及試驗能力提升，重點關注目前研制急需的試驗設備，堅持國內自建與國際引進相結合的原則，為后續大涵道比渦扇發動機整機試驗驗證體系建設奠定基礎。

（5）堅持自主研制，對已掌握的試驗方法及關鍵技術做好總結與提升，同時積極開展對外合作，學習國際上先進的試驗方法及適航取證經驗，縮短研制周期，加速提升試驗技術水平。