航空发动机压力畸变试验安全操作措施

邝文，吴锋，彭生红，田应维，文壁

(中国燃气涡轮研究院，四川江油621703)

航空发动机压力畸变试验安全操作措施

邝文，吴锋，彭生红，田应维，文壁

(中国燃气涡轮研究院，四川江油621703)

基于发动机压力畸变试验的重要性及高风险性，详细介绍了发动机移动插板压力畸变试验安全操作方案。为保障试验安全，制定了详细的控制措施，及需注意的安全监视参数和危机应急措施。发动机压力畸变试验结果表明，发动机压力畸变试验失稳时刻最明显的表现形式为尾喷口喷火，同时脉动压力剧烈波动；该安全操作措施有效、合理，能确保发动机移动插板压力畸变试验安全。

航空发动机；压力畸变试验；稳定性；喘振；压力脉动；安全操作措施

1 引言

现代高性能飞机的隐身、高机动性、短距起降、作战要求和机载武器的使用等，对发动机的气动稳定性提出了更高要求。研究表明，进气压力畸变对发动机气动稳定性往往起决定作用，是发生得最频繁的发动机失稳因子[1，2]。航空发达国家对发动机气动稳定性评定非常重视，把进发匹配作为飞机发动机一体化设计的重要研究内容和急切解决目标。为满足不断发展的飞机对发动机气动稳定性的要求，发动机压力畸变试验尤其是高空压力畸变试验，是飞机进气道/发动机相容性研究的一个重要组成部分，也是为发展、验证推进系统稳定性和为性能评估提供技术数据及资料的主要手段[3，4]。

发动机移动插板压力畸变试验属于高危试验科目，若降稳因子所要求的稳定裕度超过了发动机的可用稳定裕度，发动机将产生气动不稳定性，其表现形式为压气机失速、叶片颤振、复合振动、转子强迫振动及涡轮部件超温，严重时可导致发动机喘振、空中熄火停车，甚至结构损坏[5]。进气畸变会影响发动机的性能、可操纵性和耐久性，造成推力损失，导致风扇和压气机寿命减少。在发动机高空模拟试验舱进行发动机移动插板高空逼喘试验，对发动机和高空舱设备危害性极大，试验风险高，尤其是当发动机喘振时，移动插板易因高空负温结冰卡滞而无法及时回退到指定位置，以及试验过程中，发动机失稳时，轴向气流来回脉动振荡产生的气动力可能破坏

测试探针，造成测试受感部断裂。因此，必须采取措施降低试验风险。国内外对此公开发表、可供借鉴的经验极少。本文详细介绍了发动机移动插板压力畸变试验安全操作方案。

2 控制措施

为保障发动机进气压力畸变试验顺利进行，试验前须制定发动机移动插板压力畸变试验安全操作方案。

2.1 试验前控制措施

(1)最重要的是制定发动机失稳判断依据，主要包括发动机综调发出的喘振信号、确定发动机喘振A值限制值(A值为设计的与压气机后压力相关联的喘振判据，经数采系统交直流隔离变送器，分别采集得到的传感器交流有效值与传感器直流分量的比值)、风扇/高压后总压脉动量限制值及发动机振动、排气温度报警值等，并将实时试验结果显示在前台。

(2)对移动插板进行静态、动态调试，检查移动插板移动连续性功能；核查移动插板快退功能对喘振信号的响应，完善控制系统功能，满足控制插板运行速度要求。

(3)完成发动机和畸变试验装置检查，校准测试受感部强度，完成进气流量管内受感部检查并按畸变试验要求安装畸变板，保证畸变试验受感部安全有效；在测试受感部根部安装动应力贴片，试验过程中监视测试受感部工作情况。

(4)检查设备测试系统中脉动/振动受感部状态，确定满足畸变试验需求，且在逼喘过程中，确保能准确感受到压力波动和发动机振动信号，及时发出消喘指令。

(5)制定试验顺序。为保证高空畸变试验顺利进行、试验时数据的有效性，及减小气动失稳对发动机的危害，首先应进行高空小负荷的试验点，然后是大负荷试验点，并全程监视受感部动应力情况。

(6)制定试验过程中的插板操作程序：插板插入深度以小步长递进，在一定程度上规避发动机喘振时的能量及数量，试验过程中发动机任一次喘振后，均应对发动机进行全面检查，如有必要则应进行孔探仪检查，确保发动机安全工作。

2.2 试验应急措施

(1)在以下情况下，应把发动机油门杆拉到停车位置：①发动机进口处滑油压力降低至临界值时；②发动机系统或供油管路中发生燃油、滑油或液压油泄漏并有火灾危险时；③出现具有应急性质的不正常工作情况(如振动、排气温度急剧增大等)时。

(2)在出现喘振、总压受感部动应力超标、发动机振动超标、发动机滑油压力波动、金属屑信号灯闪烁及降转信号时，应将发动机在慢车状态冷却后再拉停。

(3)当发动机出现失稳且插板无机械卡滞现象时，降低发动机状态，同时插板退回零位，并在慢车状态检查发动机工作情况。当发动机在慢车状态仍未退出失稳状态或燃烧室熄火，则发动机停车。

(4)当发动机失稳且插板机械卡滞时，迅速将发动机拉回至慢车状态，同时插板尽快退回零位，并在慢车状态检查发动机工作情况。当发动机在慢车状态仍未退出失稳状态或燃烧室熄火，则发动机停车。

2.3 试验监视参数

压力畸变试验时，移动插板以正常慢速推进过程中，发动机转速将随空气流量、控制规律、涡轮后温度变化。发动机油门杆主操作人员主要监测：发动机综合调节器发出的喘振信号，这是发动机失稳时的最重要判断参数；风扇出口总/静压与压气机出口总/静压及发动机进口脉动总压时间历程，这是发动机失稳时的主要判断参数，也是监视发动机内部气流流动的最直接因素；发动机滑油压力波动及金属屑信号灯闪烁情况，这是判断发动机内部机械结构运转的特征参数。其它相应监测包括发动机进口截面(AIP界面)上总压受感部动应力情况，其反应了总压受感部工作状态是否正常；高空舱内发动机流量管外部气流流动状况，发动机进行高空压力畸变试验，空气温度为负温，试验中若流量管局部漏气，插板系统将可能因结冰而卡滞。此外，还需细致观测发动机振动、燃烧室出口壁面静压脉动、发动机排气温度变化及失稳临界时刻。

3 应用效果

1#发动机在高空舱进行移动插板逼喘过程中，没有结冰及机械卡滞现象，动应力情况显示试验时测试受感部工作可靠；测试系统中脉动/振动受感部状态良好，能准确感受压力波动和发动机振动信号。试验时发动机状态良好，发动机滑油压力稳定，发动机系统或供油管路中燃油、滑油或液压油没有出现泄漏现象，发动机工作正常。

1#发动机在飞行高度15 km、飞行马赫数0.75、低压换算转速87%状态、引气/加载条件下，插板相

对深度从31.3%缓慢上推至32.0%过程时，发动机尾喷口出现喷火(图1)，发动机本体上的脉动压力出现剧烈波动(图2)。油门杆主操作人员立即按试验安全操作措施执行(图3)。油门杆下拉至慢车状态后紧接着发动机综调发出喘振信号，该过程中发动机振动和排气温度变化不明显。

依据1#发动机高空压力畸变试验经验，制定发动机失稳判断依据时，增加考虑发动机尾喷口气流流动情况。在2#发动机高空压力畸变试验中，试验前控制措施同样确保了移动插板控制和测试受感部工作可靠。发动机滑油系统受本体结构设计限制，工作时间严重缩短，波动异常现象明显(图4)。在缺少发动机本体上的脉动压力测点时，严格监控了发动机进口截面上的六点脉动压力时间历程。

2#发动机在飞行高度18 km、飞行表速500 km/h、无引气、无功率提取条件下，低压换算转速92%状态时发动机尾喷口出现喷火现象(图5)。同时，发动机进口截面上的六点脉动压力出现波动(图6，失稳瞬时，发动机进口截面6点脉动压力最大平均脉动量为45%，限制值为35%)，油门杆主操作人员按试验安全操作措施执行(图7)。失稳时刻，发动机喘振A值明显变化，但未超过限制值，发动机振动和发动机排气温度变化不明显。

1#、2#发动机高空压力畸变模拟试验过程中，发动机均多次失稳，失稳时油门杆快速拉回至慢车状

态，同时移动插板快速回退，此时发动机工作状态稳定。试验后的校准试验表明，发动机技术状态未发生变化。试验后对流量管上的脉动压力受感部和总压受感部进行探伤检验，受感部表面无结构性破坏。以上表明，试验安全操作措施合理可行。

4 结束语

从发动机高空压力畸变试验结果看，发动机压力畸变试验控制措施和应急措施合理可行；发动机压力畸变试验失稳时刻最明显的表现形式为发动机尾喷口喷火，同时发动机上的脉动压力剧烈波动，发动机进口截面脉动压力平均脉动量不及发动机上的变化明显；通过对发动机喘振A值限制值，尤其是发动机振动和发动机排气温度报警值，来判断发动机失稳可能会滞后，建议在发动机高空压力畸变试验时严格制定喘振A值限制值和发动机进口脉动压力脉动量报警值。

[1]廉筱纯，吴虎.航空发动机原理[M].西安：西北工业大学出版社，2001.

[2]GJB 241A-2010，航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范[S].

[3]GJB 5028-2001，航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机高空模拟试验要求[S].

[4]HB/Z 281-95(HB 7081-94)，航空发动机故障模式、影响及危害性分析指南[S].

[5]刘大响，叶培梁，胡骏，等.航空燃气涡轮发动机稳定性设计与评定技术[M].北京：北京航空工业出版社，2004.

Safe Operation Measures for Aero-Engine Pressure Distortion Test

KUANG Wen，WU Feng，PENG Sheng-hong，TIAN Ying-wei，WEN Bi
(China Gas Turbine Establishment，Jiangyou 621703，China)

Based on the importance and high risk of the engine pressure distortion test,the safety operation scheme of the engine pressure distortion test on movable baffle was introduced.To ensure test safety,con⁃trol measures were drafted in detail before testing and the test parameters need to monitor and emergency measures were also set.Pressure distortion test results indicate that the most evident phenomenon of surge is nozzle flaming and engine pulsating pressure fluctuates intensively.It is proved that the scheme is effec⁃tive and reasonable,which could ensure safety of engine pressure distortion test.

aero-engine；pressure distortion test；stability；surge；pressure pulsation；safe operation measures

V263.3

：A

：1672-2620(2014)01-0053-04

2013-01-30；

：2014-01-13

邝文(1980-)，男，四川江油人，高级技师，中航工业飞机发动机试车工工种特级技能专家，中航工业发动机公司飞机发动机试车工工种首席技能专家，一直从事航空发动机整机高空模拟试验工作。