航空发动机推力测量台架动架支撑方式研究

王润明，罗毅

(中国燃气涡轮研究院航空发动机高空模拟航空科技重点实验室，四川成都610500)

航空发动机推力测量台架动架支撑方式研究

王润明，罗毅

(中国燃气涡轮研究院航空发动机高空模拟航空科技重点实验室，四川成都610500)

为提高发动机推力测量精度，从推力测量台架设计和推力测量系统校准角度出发，首先介绍了影响航空发动机推力测量精度的主要因素及推力测量台架；然后分析了不同动架支撑方式对台架刚度系数的影响，及发动机推力、动架支撑方式和台架刚度系数三者之间的内在联系，阐明了不同校准方式对动架支撑方式的决定性影响；最后总结了推力测量台架设计应遵守的优选原则。

航空发动机；试车台；推力测量台架；动架支撑方式；刚度系数

1 引言

推力是涡喷/涡扇发动机最为重要的技术指标。对发动机不同工作状态或飞行状态下的推力进行准确测量，是航空发动机试车台设计、发动机试验与测试的重要内容。为此，航空发动机试车台设计、试验及测试专家，对减小或消除影响推力测量误差的各种因素进行了大量研究[1～5]。

影响发动机推力测量准确性的因素很多，但主要有：试验舱或试验间的气动特性，台架迎风面积，台架类型、结构形式和台架刚度系数，发动机工艺和测量管线阻力，台架校准精度，推力测量系统本身的精度等。其中，试车台台架类型、具体结构形式和台架刚度系数对发动机推力测量的准确性有着至关重要的影响。本文对推力测量台架动架的支撑方式进行了深入研究。

2 推力测量台架

涡喷/涡扇发动机推力测量台架是布置在试验舱或试验间中，用于固定发动机，实现发动机推力、空气流量等参数测量的重要设备。推力测量台架主要由动架、定架、弹簧片、推力测量与校准系统、发动机安装架等组成(图1)。

图1 台架校准状态Fig.1 Test bench calibration

在发动机推力测量台架设计方面，国内没有专著，有关设计手册和标准也不够系统、全面。为便于理解，特作以下定义：

动架支撑方式是指动架通过弹簧片在定架上的安装(支撑)形式。

台架刚度系数指在发动机轴线方向动架发生单位位移时，全部弹簧片对动架施加的阻力，N/mm。其不包含测量管线阻力，包含弹簧片和测量管线阻力在内的台架总刚度系数称作台架阻力系数[6]。

弹簧片刚度系数指在发动机轴线方向动架发生单位位移时单块弹簧片对动架施加的阻力，N/mm。总体而言，弹簧片刚度有纵向、横向和侧向之分，纵向和侧向刚度主要在台架强度计算时使用，横向刚度主要在试车台设计和静态校准时使用。本文弹簧片刚度系数指弹簧片横向刚度系数。

在只测量发动机轴向推力的单分力测量试车台上，都使用了板式弹簧片(图2)。其总刚度与弹簧片的几何尺寸和纵向作用力N密切相关。

图2 弹簧片简图Fig.2 Sketch of leaf spring

由弹簧片特性可知，弹簧片固有刚度k1为弹簧片几何尺寸的函数，与材料弹性模量E成线性关系：

作用力附加刚度k2与N成线性关系，并与N的作用方向和弹簧片几何尺寸相关：

弹簧片总刚度k为弹簧片固有刚度和作用力附加刚度之和：

式(1)～式(3)中：h代表弹簧片的几何尺寸和几何形状(微观不平度和不平行度等)。式(3)中，弹簧片受压时N取正值，弹簧片受拉时N取负值。

在台架设计时，必须充分利用弹簧片的上述特性进行平衡设计，在保证弹簧片具有足够的纵向和侧向刚度的前提下，力求横向刚度系数最小。

3 动架支撑方式对台架刚度系数的影响

航空发动机推力测量台架有悬挂式台架和支撑式台架两种[7]。露天台中普遍使用悬挂式台架，高空模拟试验舱中普遍使用支撑式台架。动架支撑方式是影响发动机台架推力测量精度的主要因素。

根据静态(发动机停车状态)时前后弹簧片受力的不同，可将动架的支撑方式分为全挂式(四块弹簧片均受拉力)、全支式(四块弹簧片均受压力)、前挂后支式(前面两块弹簧片受拉力，后面两块弹簧片受压力)和前支后挂式(前面两块弹簧片受压力，后面两块弹簧片受拉力)四种类型，如图3所示。

图3 动架支撑方式Fig.3 Diverse supporting methods for movable stand

3.1 从静态看动架支撑方式的选取

假设弹簧片材料、几何尺寸、前后弹簧片间距等其它条件不变。由前文可知：静态时全支式台架刚度系数最小，全挂式台架刚度系数最大。因此，仅从静态角度讲，台架设计应首选全支式。

3.2 发动机推力对动架支撑方式的影响

当发动机处于工作状态时，发动机推力的作用结果，相当于对台架施加了一个翻转力矩。该力矩在前弹簧片中转化为附加压力，在后弹簧片中转化为附加拉力。因此，推力的作用将减小前面两块弹簧片的刚度系数，增加后两块弹簧片刚度系数。若前、后弹簧片的材料和几何形状完全一致(至目前为止，在实际应用中，除存在微观的几何差别外，完全符合)，发动机推力对台架刚度系数的影响与动架的支撑方式密切相关。

当动架支撑方式为全支式或全挂式时，发动机推力的有无及大小，并不改变台架刚度系数。因为翻转力矩加在前弹簧片的压力和加在后弹簧片的拉力大小相等、方向相反，四块弹簧片的几何形状确定后，k1和作用力附加刚度项f2(h)均相等。所以忽略弹簧片刚度系数个体差异后，台架刚度系数为：

式中：ΔN为翻转力矩加在弹簧片的力，Nq、Nh分别为静态时单块前弹簧片和单块后弹簧片受到的纵向作用力。这些力包括发动机、动架、发动机安装架和空气流量管等重力作用的总和。显然，台架刚度系数与ΔN无关。

同理，当动架支撑方式为前支后挂式时，台架刚度系数为：

当动架支撑方式为前挂后支式时，台架刚度系数为：

因此，若只考虑发动机推力的影响，为减小台架刚度系数，动架支撑方式应首选前支后挂式。

3.3 从静态校准看动架支撑方式的选取

图1示出了在支撑式台架上采用平行校准方式的一种台架布置方案。该方案中，动架通过弹簧片与定架相连，航空发动机通过发动机安装架固定在动架上。当发动机试验时，发动机产生的推力F通过测力传感器进行测量。

当台架受发动机推力作用后，动架及发动机在推力作用方向上有一位移(位移大小取决于测力传感器和系统的刚性，一般在0.5 mm内)，从而导致弹簧片和工艺测量管线在该方向上对动架施加反作用力。为消除或减小该作用力对发动机推力测量的影响，目前采取的措施主要有两种，一是尽量减小弹簧片和工艺测量管线的阻力，二是在发动机试验前用一标准力(图1中校准传感器的读数)对推力测量系统进行校准，提高发动机推力测量精度。发动机试验时，加载装置要与校准传感器脱开。

静态校准方式主要有平行校准和中心校准两种。平行校准是指用于静态校准的标准力与发动机推力位于同一铅垂面内，且两个力的作用线相互平行但有一定距离，推力测量传感器的轴线往往与标准力同轴，见图1。中心校准是指静态校准时的标准力与发动机轴线(推力)位于同一直线上。

从前文分析可知，当动架支撑方式为全支式或全挂式时，标准力或发动机推力的作用并不改变台架刚度系数，即全支式或全挂式台架适合任何一种静态校准方式。

当动架支撑方式为前支后挂式或前挂后支式时，标准力或发动机推力的作用，对台架刚度系数影响显著。若采用平行校准，即使标准力与发动机推力相等，由于标准力的作用位置与发动机推力的作用位置存在差异，校准时的台架刚度系数与发动机工作时的台架刚度系数完全不同，因此校准无意义。若采用中心校准，由于标准力的作用位置与发动机推力的作用位置完全相同，校准时标准力可完全模拟发动机推力，因此适合各种动架支撑方式。但从精细化设计角度考虑，当采用中心校准方式时，动架支撑方式应优先选择前支后挂式。

4 结论

(1)在航空发动机推力测量台架中，联接动架与定架的弹簧片刚度系数，与弹簧片的几何尺寸及纵向作用力密切相关。

(2)动架支撑方式对台架刚度系数有着本质影响，为提高发动机推力测量精度，台架设计时要综合考虑。

(3)发动机推力对全支式或全挂式台架的刚度系数无影响，但对前支后挂式或前挂后支式台架的刚度系数影响巨大。

(4)静态校准方式对动架支撑方式的选择具有决定性作用。采用平行校准时，动架支撑方式必须选择全挂式或全支式；采用中心校准时，动架支撑方式不受限制。

(5)从精细化设计角度考虑，采用平行校准时，应优先选择全支式；采用中心校准时，应优先选择前支后挂式。

(6)无论采用何种动架支撑方式或如何设计台架，台架刚度系数的大小都是检验台架设计好坏的重要指标，航空发达国家在行业标准中都明确规定了最高限制。

[1]杨志军，陈建民.高空台推力测量的标定及发动机飞行推力的确定[J].燃气涡轮试验与研究，1995，8(2)：26— 30.

[2]朱青，徐建阳.CS-01高空台推力测量和校准装置研制[J].燃气涡轮试验与研究，2002，15(3)：38—42.

[3]杨生发，樊丁，李元业.发动机推力测量新型校准装置研制[J].西北工业大学学报，1997，15(3)：338—342.

[4]焦献瑞.航空发动机试车台架推力测量误差[J].航空技测技术，1995，15(2)：20—22.

[5]黄知涛，胡正峰，郭伟民.W2P1微型涡喷发动机地面试车台推力测量系统[J].测控技术，1999，18(9)：40—41.

[6]HB6882-1993，涡喷涡扇发动机试车台架推力测量系统校准[S].

[7]陈益林.航空发动机试车工艺[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.

Supporting Methods for Movable Stand of Aero-Engine Thrust Measurement Test Bench

WANG Run-ming，LUO Yi
(China Gas Turbine Establishment，Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Aero-Engine Altitude Simulation，Chengdu 610500，China)

To improve the thrust measurement accuracy,based on the design and calibration of thrust mea⁃surement test bench,major factors that affect the thrust measurement accuracy for aero engine and thrust measurement rig were introduced firstly,then the impact of different movable stand support on rig rigidity coefficient was analyzed,and the relationship between engine thrust,support of movable stand and rigidity coefficient of test bench was discussed.In addition,the influence of test bench rigidity coefficient by vari⁃ous supporting method were clarified.In the end,an optimal design principle for thrust measurement test bench was summarized based on these analyses.

aero-engine；test rig；thrust measurement test bench；supporting method for movable stand；rigidity coefficient

V211.73

A

1672-2620(2013)01-0009-03

2012-08-07；

2013-01-18

王润明(1962-)，男，四川蓬安人，研究员，硕士，主要从事试验设备设计和航空发动机整机试验。