国外核心机试验评估方法及启示

肖 蔓

(中国航空动力机械研究所，湖南 株洲 412002)



国外核心机试验评估方法及启示

肖 蔓

(中国航空动力机械研究所，湖南 株洲 412002)

从核心机试验的意义和目的、测试项目及其测点布局、试验技术状态控制、试验结果评估等方面，结合国外新型航空发动机核心机的一些试验情况，对国外核心机试验评估方法进行了探讨，在此基础上，提出了开展新研核心机试验研究的几点启示。

核心机； 气动性能；机械性能；结果评估

1 引 言

核心机试验是为了在接近真实发动机环境下对已取得一定突破的单项技术和部件技术进行集成验证，以降低整机工程研制的风险。在发动机寿命期内，核心机处于承上启下的位置，在发动机的研究和发展中起到关键作用[1]。

20世纪80年代初，GE公司为了给下一代大型运输机发动机提供技术储备，由NASA主持实施了一项高效节能发动机(E3)的研究计划，E3核心机对其在民机市场中的迅速崛起发挥了巨大作用。2008年，GE公司启动了一项新型eCore核心机计划，并在eCore1、eCore2和eCore3核心机试验的基础上，成功研制出3种型号的LEAP发动机。当今，几乎每一款新型航空发动机的研制均缺不了核心机的试验。

本文针对全新研制的核心机，从核心机试验目的、测试项目及其测点布局、试验技术状态控制和试验结果评估等方面对国外核心机试验评估方法进行了探讨，并提出了国内开展核心机试验研究的几点启示。

2 核心机试验的意义和目的

从技术成熟度角度，核心机试验就是在接近真实发动机的相关环境下，对技术成熟度TRL=3-4的部件单项技术或组合技术进行试验验证，使技术成熟度达到5-6。从研制成本角度，产品全寿命周期的成本很大程度上取决于设计的好坏。如果部件技术没有在核心机试验阶段得到充分验证，在后期再解决新出现技术问题的代价将非常高[2]。核心机试验是权衡技术风险和成本风险的一种最佳选择，其意义在于有效降低发动机工程研制的技术风险、成本风险以及进度风险。

核心机试验的主要目的：获得核心机总的机械运转情况和总体性能，获得采用新方法、新材料、新工艺或新结构的特定零部件在核心机中的运转信息，获得设计仿真工具校核、验证和确认所需的相关详细测试数据。

3 核心机测试项目及其测点布局

核心机试验需通过试验调试获得以下数据信息：验证核心机总体性能和机械运转情况，各部件和系统在接近发动机真实条件下的工作情况，以及各部件和系统最佳匹配的技术状态。例如E3核心机测试项目包括：气动性能、二次流、间隙、机械性能、振动和运行特性等；eCore核心机测试项目侧重于压气机性能、TAPS II燃烧室技术和涡轮效率[3]。

为了全面验证和评估核心机及其部件和系统的综合性能，国外核心机试验的测试点通常以1000为量级，如GE公司的3台eCore核心机试验，每台核心机均有2000多个不同的发动机参数的测量；E3核心机布有1400个测点以获得发动机参数；普惠公司的PurePower GTF发动机核心机的测试包括1200余项测量。为全面和准确获得发动机工作状态数据，核心机试验应详尽和精准以得到核心机及其内部的各项性能。E3核心机主要测点分布如表1所示[4]。

表1 E3核心机主要测点分布

4 核心机试验技术状态控制

试验过程的可控性和可追溯性是十分重要的，必须对发动机从上台、开车前检查、启动、试车、停车到发动机下台全过程的相关信息进行详细地记录和管理。

对于核心机试验来说，应对每次试验内容进行合理地安排，对核心机、车台和测试布局的变化进行严格地控制，以保证整个试验的高效有序开展。例如，E3核心机试验针对规定的试验项目安排了12轮试验，并对每轮试验的具体内容及技术状态的变动均有明确的规定。E3核心机试验验证了采用先进技术的核心机能够无故障稳定工作，未出现热力学或机械等方面的问题。eCore核心机是通过eCore1、eCore2和eCore3三种技术状态的核心机逐步进行试验验证，每种核心机试验都有详细的试验具体目标和相应的试验测试项目，国外核心机试验过程体现了高质量的过程控制和试验技术状态管理水平。

5 核心机试验结果评估

核心机试验结果的评估应与试验目的、试验内容相呼应。核心机试验评估内容通常包括：核心机总体性能和机械运转情况的评估、各部件和系统在核心机中的工作情况评估以及各部件和系统最佳匹配调试结果的技术状态评估。

评价核心机有效性的特征参数主要包括单位循环功、单位循环功耗油率、核心机压比、核心机温比等。GE公司采用专用软件进行核心机试验的综合性能评估。核心机试验过程中，采用DMS Phase I软件进行核心机性能评价。该软件既可对直接测试结果进行计算，也可以将测试结果与试验前的预估性能进行比较，有助于在测量下一个数据测量点之前识别测量中的异常情况以及评估核心机状态。核心机试验后，采用DMS Phase II软件的“核心机”模态进行试验数据分析，还可以在循环平台上进行模拟来改进不同的部件，并通过求解一个系统的模拟方程以匹配试验数据的测量结果。

如果核心机试验总测量数只有200～300个点，就不能获得核心机内部详细的测量数据，也就无法评估核心机部件和系统的气动和机械性能，一旦出现核心机性能不达标等问题时，就难以开展针对性的分析和改进工作。而E3核心机试验，有1400个详细测点布局，其所获得的试验结果不仅包括详细和准确的核心机总体综合性能数据，而且也包括核心机工作环境条件下各部件和系统详细的机械性能、热力学性能和气动性能，这样有利于有的放矢地分析和改进工作。

6 结 论

通过前述核心机试验研究的相关介绍，可以得到以下几点启示：

(1)获取核心机工作时内部详尽的试验数据是全面准确评估核心机综合性能的关键；

(2)专用的试验评估软件是核心机综合性能评估的有效手段；

(3)良好的试验过程控制和技术状态管理是优质高效试验的质量保障；

(4)核心机试验评估方法需与试验测试技术协同发展。

[1]方昌德.航空发动机的发展研究[M].北京:航空工业出版社,2009:190-191.

[2]系统工程手册[M].张新国,译.北京:机械工业出版社,2013:32-33.

[3]GE Aviation Press Center. LEAP eCore 1 Successfully Completes First Phase of Testing[EB/OL].[2009-11-15] http://www.geaviation.com/press/cfm56/leap-x/leap-x_20091115.html.

[4]E.M. Stearns. E3 Core design and performance report[R].NASA CR-168069,1982:122-498.

Evaluation Method and Revelation of Foreign Core Engine Test

Xiao Man

(China Aviation Powerplant Research Institute, Zhuzhou 412002, Hunan, China)

Evaluation methods of core engine test are discussed in several aspects, such as test purpose, measurement items, quantities and positions of instrumentation, testing process, configuration management, and test result evaluation based on the foreign core tests of some new aero-engine development projects. Some revelations about the research of new core engine test are gained.

core engine; aerodynamic performance; mechanical performance; result evaluation

2016-08-24

肖 蔓(1965-)，女，湖南株洲人，本科，副研究馆员，研究方向：科技情报。

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B

10.3969/j.issn.1674-3407.2016.03.014