渦軸發(fā)動機(jī)吞鳥試驗(yàn)方法及試驗(yàn)驗(yàn)證

王慶平，王 飛，趙海鳳

（1.中國航發(fā)湖南動力機(jī)械研究所，湖南株洲 412002；2.南昌航空大學(xué)飛行器工程學(xué)院，南昌 330063）

0 引言

隨著航空技術(shù)的快速發(fā)展，鳥類對飛行器的危害不斷凸顯，鳥撞事件呈增加的趨勢。據(jù)美國空軍統(tǒng)計(jì)，1956~1973年發(fā)生航空發(fā)動機(jī)鳥撞事件112次；1985~1998年平均每年因鳥撞造成3500萬美元的損失。因此，開展發(fā)動機(jī)吞鳥試驗(yàn)研究非常有意義。

自20世紀(jì)70年代至今，國外進(jìn)行了大量航空發(fā)動機(jī)吞鳥試驗(yàn)研究。Howard等對GE公司開展的大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)吞鳥試驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)，分析并討論了開展吞鳥試驗(yàn)的理由、試驗(yàn)臺架設(shè)計(jì)、空氣炮和高速攝像機(jī)的布局及試驗(yàn)流程；Shorr等利用有限元軟件MSC.Dytran建立了“軟”、“硬”2種鳥體模型并進(jìn)行了鳥撞的數(shù)值模擬分析，與試驗(yàn)結(jié)果的對比表明2種模型均能較好地模擬質(zhì)量約為1.8 kg的鳥撞擊對風(fēng)扇葉片的影響；Kermanidis等針對采用張量蒙皮設(shè)計(jì)的機(jī)翼前緣開展了鳥撞的非線性有限元分析，提出了相應(yīng)的有限元建模方法和分析步驟，數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好；Meguid等利用LS-Dyna軟件分析了鳥體大小和形狀對撞擊力的影響，發(fā)現(xiàn)鳥體和葉片的初始撞擊面積對最大撞擊力影響較大，而鳥體的寬高比對撞擊力幾乎沒有影響；Demers探討了鳥撞對發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的影響。在大量理論研究和試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，國外相繼在FAR-33部及CS-E中提出民用航空發(fā)動機(jī)吞鳥適航要求，并于80年代將適航理念引入軍用航空器的研制，適航吞鳥要求成為軍用航空發(fā)動機(jī)研制必須考慮的問題。中國亦針對軍用航空發(fā)動機(jī)吞鳥開展了相關(guān)研究。陳偉等利用LS-Dyna開展了發(fā)動機(jī)葉片鳥撞擊瞬態(tài)響應(yīng)的數(shù)值模擬分析；劉建明等基于MSC.Dytran分析了鳥體密度、體積以及葉片材料參數(shù)對撞擊力的影響；張海洋等采用SPH方法分析了鳥撞對旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇葉片的損傷并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證；張永飛等針對某型渦軸發(fā)動機(jī)開展了吞鳥對發(fā)動機(jī)性能影響試驗(yàn)；晏祥斌等、劉濤等開展了渦扇發(fā)動機(jī)吞鳥適航符合性驗(yàn)證研究。在大量研究的基礎(chǔ)上，中國相繼制定了國軍標(biāo)《航空發(fā)動機(jī)吞鳥試驗(yàn)要求》（GJB3727-1999）、《航空渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)通用規(guī)范》（GJB241A-2010）、《航空渦輪螺槳和渦輪軸發(fā)動機(jī)通用規(guī)范》（GJB242A-2018）。

但上述吞鳥試驗(yàn)的研究、規(guī)范和要求主要側(cè)重于渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)，針對渦軸發(fā)動機(jī)的很少，仍未形成系統(tǒng)的試驗(yàn)方案和試驗(yàn)流程。本文根據(jù)國軍標(biāo)對航空發(fā)動機(jī)吞鳥試驗(yàn)的要求，結(jié)合典型渦軸發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)特征，提出一種典型渦軸發(fā)動機(jī)吞鳥試驗(yàn)方案，制定了相應(yīng)的吞鳥試驗(yàn)流程，并通過地面臺架試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 國軍標(biāo)對渦軸發(fā)動機(jī)吞鳥試驗(yàn)的要求

《航空渦輪螺槳和渦輪軸發(fā)動機(jī)通用規(guī)范》（GJB242A-2018）和《航空發(fā)動機(jī)吞鳥試驗(yàn)要求》（GJB3727-1999）對航空發(fā)動機(jī)吞鳥試驗(yàn)中鳥的質(zhì)量、數(shù)量以及試驗(yàn)級別均作出了詳細(xì)規(guī)定，見表1~3。

表1 鳥的質(zhì)量級別

發(fā)動機(jī)完成吞鳥試驗(yàn)的判據(jù)為：在表3中的a、b、c 3項(xiàng)條件下，雖然可能造成發(fā)動機(jī)某些零件損壞，但不能引起發(fā)動機(jī)停車。發(fā)動機(jī)應(yīng)不熄火，并能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到吞鳥前的工作狀態(tài)。在d項(xiàng)條件下，發(fā)動機(jī)不應(yīng)發(fā)生能導(dǎo)致飛機(jī)損壞的故障。

表2 吞鳥的數(shù)量級別

表3 渦軸發(fā)動機(jī)吞鳥試驗(yàn)級別

2 試驗(yàn)方案與流程

2.1 試驗(yàn)前準(zhǔn)備工作

2.1.1 試車臺和發(fā)動機(jī)的校準(zhǔn)

在吞鳥試驗(yàn)前，試車臺和發(fā)動機(jī)應(yīng)按照相關(guān)程序校準(zhǔn)，其中發(fā)動機(jī)的校準(zhǔn)包括穩(wěn)態(tài)性能和功率瞬態(tài)性能，記錄校準(zhǔn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。完成發(fā)動機(jī)校準(zhǔn)試驗(yàn)后，將穩(wěn)態(tài)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)換算成標(biāo)準(zhǔn)性能曲線；將功率瞬態(tài)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)按實(shí)測結(jié)果繪制成發(fā)動機(jī)參數(shù)與時(shí)間的關(guān)系曲線。

2.1.2 鳥的制作與投射位置的確定

根據(jù)發(fā)動機(jī)的進(jìn)口面積，按照表1、2中的要求計(jì)算并確定發(fā)動機(jī)應(yīng)吞入鳥的質(zhì)量和數(shù)量。試驗(yàn)用鳥應(yīng)盡量使用自然鳥，必要時(shí)中鳥和大鳥允許使用家禽，允許通過修剪翅膀和腿等方式對試驗(yàn)用鳥進(jìn)行處理、稱重；若使用人造鳥，建議使用20%的明膠和80%的水制作。此外，為便于后期分析鳥在發(fā)動機(jī)內(nèi)的運(yùn)行軌跡以及區(qū)分判斷殘骸來源，應(yīng)將2只或2只以上的鳥染上不同顏色。

確定應(yīng)吞入鳥的質(zhì)量和數(shù)量后，根據(jù)制定的吞鳥試驗(yàn)程序圖譜中吞鳥點(diǎn)發(fā)動機(jī)的狀態(tài)，按照表3確定鳥的投射速度。鳥的投射位置應(yīng)避開壓氣機(jī)第1級葉片前的靜子支板，防止鳥卡滯在支板上；有2只或2只以上的鳥時(shí)，應(yīng)盡量拉開其投射位置之間的距離，如圖1所示。

圖1 鳥的投射位置

2.1.3 試驗(yàn)設(shè)備布局與安裝

吞鳥試驗(yàn)設(shè)備布局如圖2所示。吞鳥試驗(yàn)專用投鳥設(shè)備為氣體炮，按規(guī)定向發(fā)動機(jī)進(jìn)口投射試驗(yàn)用鳥。同時(shí)至少利用3臺高速攝影設(shè)備記錄鳥的運(yùn)行軌跡和撞擊部位、試驗(yàn)件變形和碎裂過程，并對鳥的速度進(jìn)行測量?？紤]到典型渦軸發(fā)動機(jī)一般為功率前輸出，在臺架試驗(yàn)時(shí)功率軸需與測功器連接，所以投鳥設(shè)備以及高速攝影設(shè)備在安裝時(shí)應(yīng)與發(fā)動機(jī)軸線呈一定角度，從而避開測功器。具體角度應(yīng)根據(jù)發(fā)動機(jī)在臺架上的安裝情況確定。此外，為了保證鳥體順利進(jìn)入發(fā)動機(jī)流道，發(fā)動機(jī)進(jìn)口處應(yīng)安裝導(dǎo)流盆。

圖2 吞鳥試驗(yàn)設(shè)備布局

2.1.4 制定吞鳥試驗(yàn)程序圖譜

按照GJB242A-2018和GJB3727-1999的要求，結(jié)合渦軸發(fā)動機(jī)的特點(diǎn)制定吞鳥試驗(yàn)程序圖譜，如圖3所示。

圖3 國軍標(biāo)要求的吞鳥試驗(yàn)程序圖譜

2.2 試驗(yàn)測量參數(shù)

以國軍標(biāo)對航空發(fā)動機(jī)吞鳥試驗(yàn)的要求為基礎(chǔ)，同時(shí)參考國內(nèi)外航空發(fā)動機(jī)吞鳥試驗(yàn)研究成果，確定發(fā)動機(jī)吞鳥試驗(yàn)的主要測量參數(shù)及其精度，見表4。進(jìn)行吞鳥試驗(yàn)時(shí)，測量參數(shù)除接入穩(wěn)態(tài)數(shù)采系統(tǒng)外，還應(yīng)選取部分測點(diǎn)進(jìn)行動態(tài)示波，以便發(fā)現(xiàn)吞鳥試驗(yàn)過程中發(fā)動機(jī)可能出現(xiàn)的喘振、失速、振動超標(biāo)等異常現(xiàn)象并及時(shí)實(shí)施應(yīng)對方案。

表4 吞鳥試驗(yàn)主要測量參數(shù)及其精度

2.3 發(fā)動機(jī)性能錄取

發(fā)動機(jī)應(yīng)在鳥的殘骸清除前、后（清理殘骸并清洗發(fā)動機(jī)）分別進(jìn)行性能錄取，并將結(jié)果進(jìn)行對比分析。殘骸清除前應(yīng)停車檢查發(fā)動機(jī)進(jìn)口流道及鳥的殘骸分布，并拍照記錄。若轉(zhuǎn)子葉片變形嚴(yán)重，經(jīng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評估確認(rèn)安全后方可進(jìn)行發(fā)動機(jī)性能的錄取。性能錄取狀態(tài)點(diǎn)與投放鳥時(shí)發(fā)動機(jī)的狀態(tài)點(diǎn)一致。

2.4 發(fā)動機(jī)的分解檢查

完成性能錄取后，應(yīng)及時(shí)分解檢測以確定鳥對發(fā)動機(jī)各零部件的損傷程度并進(jìn)行記錄。檢測方法包括但不限于目視、磁力探傷、滲透檢查、X射線、超聲波。

2.5 吞鳥試驗(yàn)流程

基于國軍標(biāo)的相關(guān)要求及國內(nèi)外航空發(fā)動機(jī)的吞鳥試驗(yàn)研究成果，提出典型渦軸發(fā)動機(jī)的吞鳥試驗(yàn)流程，如圖4所示。

3 整機(jī)吞鳥試驗(yàn)

基于第2章中提出的試驗(yàn)方案和流程，對某型渦軸發(fā)動機(jī)開展了整機(jī)吞鳥試驗(yàn)以驗(yàn)證試驗(yàn)方案和試驗(yàn)流程的合理性和可行性。

3.1 試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)

試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)為功率前輸出的渦軸發(fā)動機(jī)，由慣性式粒子分離器、壓氣機(jī)、燃燒室、燃?xì)鉁u輪和自由渦輪等組成，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 典型渦軸發(fā)動機(jī)吞鳥試驗(yàn)流程

圖5 試驗(yàn)用渦軸發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)

3.2 鳥體參數(shù)以及試驗(yàn)程序圖譜

為了掌握不同質(zhì)量和速度的鳥體對發(fā)動機(jī)造成的損傷以及對發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀況的影響規(guī)律，共進(jìn)行了4次整機(jī)吞鳥試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)要求和該發(fā)動機(jī)的進(jìn)口截面確定了4次試驗(yàn)使用的鳥體數(shù)量、質(zhì)量和速度，見表5。

表5 吞鳥試驗(yàn)中鳥體的主要參數(shù)

基于國軍標(biāo)的相關(guān)要求，制定了吞鳥試驗(yàn)的程序圖譜，如圖6所示。試驗(yàn)過程中，當(dāng)發(fā)動機(jī)在中間功率狀態(tài)穩(wěn)定工作3 min后投射鳥體并繼續(xù)保持發(fā)動機(jī)在該狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)5 min，同時(shí)記錄發(fā)動機(jī)運(yùn)行的相關(guān)參數(shù)。

圖6 吞鳥試驗(yàn)程序圖譜

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

選取動力渦輪進(jìn)口溫度、測功器測量功率、燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速和動力渦輪轉(zhuǎn)速4個(gè)參數(shù)與其最大值的百分比、、、來考察某型渦軸發(fā)動機(jī)吞鳥前后運(yùn)行狀態(tài)的變化情況。4次吞鳥試驗(yàn)各參數(shù)的變化曲線如圖7所示，參數(shù)詳細(xì)變化情況與國軍標(biāo)要求的對比見表6。

圖7 試驗(yàn)中發(fā)動機(jī)主要參數(shù)變化曲線

表6 4次吞鳥試驗(yàn)發(fā)動機(jī)的主要參數(shù)變化與國軍標(biāo)要求的對比

分析圖7和表6可知，除第1次吞鳥試驗(yàn)的吞鳥時(shí)間為1.2 s（吞鳥瞬間發(fā)動機(jī)功率降到最低值所用的時(shí)間），大于規(guī)定值（≤1 s）外，其余主要參數(shù)在吞鳥前后的變化均符合國軍標(biāo)的要求。

第1次吞鳥試驗(yàn)發(fā)動機(jī)停車后檢查，發(fā)現(xiàn)2號鳥體（94.7 g）基本完整，卡滯在反旋葉片和清除流道進(jìn)口之間，并未進(jìn)入主流道，如圖8所示。這也是導(dǎo)致吞鳥時(shí)間達(dá)到1.2 s的主要原因。此外，由于1號鳥體未進(jìn)入發(fā)動機(jī)內(nèi)部發(fā)生燃燒，所以升高并不明顯，僅升高了2.9%（圖7（a））。

經(jīng)分析，投射角度的偏差導(dǎo)致了1號鳥體的卡滯。隨后調(diào)整了鳥體的投射角度，適當(dāng)增大鳥的質(zhì)量進(jìn)行第2次吞鳥試驗(yàn)。試驗(yàn)完成后停車檢查發(fā)現(xiàn)，2號鳥體（110.4 g）約1/3的鳥體殘骸卡滯在反旋葉片進(jìn)口處，堵塞約2個(gè)主流通道，如圖9所示。

圖8 第1次吞鳥試驗(yàn)中2號鳥體殘骸卡滯位置

圖9 第2次吞鳥試驗(yàn)中2號鳥體殘骸卡滯位置

通過第1、2次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)體型較大的鳥易卡滯在反旋葉片處，所以第3次試驗(yàn)采用2只偏小的鳥體。2只偏小的鳥體全部進(jìn)入發(fā)動機(jī)主流道，明顯升高，約升高4.4%（圖7（c））；試驗(yàn)停車后檢查未見鳥體卡滯，但壓氣機(jī)第1級葉片受損變形明顯，變形區(qū)域約為18 mm×6 mm×6 mm，如圖10所示。說明體型較小的鳥體對本文所研究的渦軸發(fā)動機(jī)的危害性更大。

圖10 第3次吞鳥試驗(yàn)中壓氣機(jī)第1級葉片葉尖卷曲變形

為了驗(yàn)證鳥體速度對發(fā)動機(jī)的危害程度，將鳥體速度由之前的160 km/h提高至180 km/h進(jìn)行第4次試驗(yàn)。2只鳥體全部進(jìn)入發(fā)動機(jī)主流道并在發(fā)動機(jī)內(nèi)部燃燒，使得升高約4.5%（圖7（d））；試驗(yàn)停車后檢查未見鳥體卡滯，但壓氣機(jī)第1級葉片進(jìn)氣邊靠葉尖處有7處明顯變形，最大變形區(qū)域約為3.0 mm×1.5 mm×0.5 mm，如圖11所示。說明速度較快的鳥體對發(fā)動機(jī)危害性更大。

圖11 第4次吞鳥試驗(yàn)中壓氣機(jī)第1級葉片變形

3.4 試驗(yàn)結(jié)果對比

完成每次吞鳥試驗(yàn)后，在發(fā)動機(jī)中間功率狀態(tài)下，在清除鳥體殘骸的前后分別進(jìn)行了性能錄取，具體結(jié)果見表7。在第4次吞鳥試驗(yàn)后，為了更清楚地掌握鳥體進(jìn)入發(fā)動機(jī)內(nèi)部的運(yùn)動痕跡，未做清除鳥體殘骸后的性能錄取，直接將發(fā)動機(jī)分解進(jìn)行檢查。

表7 吞鳥試驗(yàn)后發(fā)動機(jī)性能錄取結(jié)果

從表7中可見，第1、2次吞鳥試驗(yàn)均未造成壓氣機(jī)葉片的卷曲變形損傷，所以在清除鳥體殘骸前發(fā)動機(jī)的功率損失較小，在清除后功率基本無損失；第3、4次吞鳥試驗(yàn)均造成壓氣機(jī)葉片的卷曲變形損傷，所以在清除鳥體殘骸前發(fā)動機(jī)的功率損失較大，但在清除鳥體殘骸后功率損失較小。

4 結(jié)論

（1）在吞鳥試驗(yàn)過程中，發(fā)動機(jī)各參數(shù)均有明顯波動，波動持續(xù)時(shí)間約為4~6 s；

（2）對于典型的渦軸發(fā)動機(jī)，鳥體越小越容易進(jìn)入發(fā)動機(jī)主流道而造成壓氣機(jī)葉片損傷；

（3）鳥體速度越大，造成的壓氣機(jī)葉片損傷越嚴(yán)重，對發(fā)動機(jī)的危害也越大；

（4）大鳥容易卡滯在反旋葉片和清除流道進(jìn)口之間，對燃燒過程影響較小，升高約2.9%，發(fā)動機(jī)清理殘骸后功率幾乎無損失；吞小鳥導(dǎo)致升高約4.5%，清理殘骸前后發(fā)動機(jī)的功率損失約為0.6%，均大于吞大鳥的；

（5）在4次吞鳥試驗(yàn)過程中，發(fā)動機(jī)均未熄火、停車以及發(fā)生喘振、失速、振動異常等現(xiàn)象，發(fā)動機(jī)各項(xiàng)參數(shù)變化均滿足國軍標(biāo)要求，發(fā)動機(jī)清除鳥體殘骸后其最大性能衰減0.6%，說明該發(fā)動機(jī)具有較好的抗鳥撞能力。

本文研究成果可為同類型或其它類型發(fā)動機(jī)的吞鳥試驗(yàn)提供參考。