航空发动机核心机试验验证方法研究

李富亮LI Fu-liang；徐佳汇XU Jia-hui；闫素银YAN Su-yin

（中国航发上海商用航空发动机制造有限责任公司，上海201306）

0 引言

核心机由航空发动机中的高压压气机、燃烧室和高压涡轮组成，在成熟的核心机基础上匹配不同的风扇、低压涡轮等低压部件以及控制、燃油、滑油等相关系统，可以派生发展出覆盖一定推力级别的发动机，利用核心机技术进行系列化派生发展极大地降低了航空发动机的研制风险，并加快了高性能发动机的研制进度[1]。近几十年以来，在核心机先行设计和试验的基础上派生发展整机已成为国内外航空发动机型号研制的一个突出特点。例如，GE 公司在军用涡扇发动机F101 核心机的基础上研制了世界上最成功的CFM56 系列民用航空发动机，又在E3 高效节能发动机研究计划的核心机基础上发展了GE90 系列民用航空发动机；在我国大型飞机重大专项工程中，军用大涵道比涡扇发动机在已设计定型的太行发动机核心机基础上进行研制，民用大涵道比涡扇发动机研制也采取了从部件、系统、核心机再到验证机的技术途径[2]。

核心机研究的基本方法包含数值分析和试验验证研究[3]，数值分析方法主要是建立核心机数学模型，在考虑冷却和传热效应基础上模拟核心机性能，因核心机工作时存在复杂的能量和质量相互交换，该方法建立的数学模型不能完全模拟实际工作情况，必须对核心机进行试验研究，在模拟核心机真实工作环境的试验结果基础上修正核心机的数学模型；核心机试验时，将高压压气机、燃烧室和高压涡轮作为一个系统进行评价，还可以提前对高压部件的性能匹配问题进行研究，减少新机研制过程中出现的各种技术问题；因此，在型号发动机研制前期，开展核心机试验验证研究具有十分重要的意义。

本文针对核心机试验验证过程中涉及的试验方法、测试技术和试验流程进行介绍，结合国内外发展情况提出未来发展建议。

1 试验方法

核心机试验时，通过研究总压比、总温比、循环功和循环功耗油率等参数与转子换算转速和进口空气流量的关系，验证核心机总体性能和机械运转情况。为了对核心机进行试验研究，需要在核心机三大部件的基础上匹配进气机匣、前承力机匣、后承力机匣、尾喷管等部件以及控制系统、燃油系统、滑油系统、空气系统等工作系统，形成一台可以独立试验的核心机试验件，相当于一台单转子涡轮喷气发动机。按照试验条件划分，核心机试验一般可分为大气进气试验、加温加压进气试验和高空模拟试验。

核心机大气进气试验的目的是进行起动和低转速运转、加工和装配质量考核、低转速部件及系统匹配考核和部分性能考核。在地面台进行大气进气试验时，核心机进口为环境大气，主要试验科目为起动、磨合运转、稳态性能试验等常规试验，以及喘振边界测量、高频振荡燃烧边界测量、VSV 角度控制优化等专项试验[4]。

核心机加温加压进气试验需要在专用的核心机试车台或者直接连接式高空台上进行，为了模拟核心机在整机上的进气条件，试车台需配置专门的加温加压进气系统，以对核心机进口气流温度和压力进行调节。试验科目主要包括：起动，在全程转速范围内进行三大部件和系统匹配考核，气动性能考核，强度可靠性、结构完整性考核，燃油控制系统、主动间隙控制系统等专项试验，动应力、轴向力、叶尖间隙、排气污染物等特殊测量试验[4]。

核心机进行加温加压进气试验的一般流程如下：

①启动压缩机组，进行进气管道预热、预充压并掺混调节至目标温度；

②在大气进气条件下执行核心机起动；

③进行大气进气切换至加温供气；

④进气系统按照进口温度和压力变化图谱进行调节，进行加温加压进气试验；

⑤完成加温加压进气试验后，进行进气降温和降压；

⑥进气温度和压力降至目标值后，进行加温进气切换至大气进气；

⑦核心机进行大气进气条件下运转和停车。

核心机加温加压进气试验过程中，为保证试验结果有效和核心机安全，加温加压进气系统需要根据试验工况点的需求，按照预先设置的控制算法控制系统管道中的各种调节阀门，以满足进气温度和压力的控制精度要求，当调节阀门等设备出现影响安全的故障时，系统还需按预设的故障处理策略进行相应的应急处置。

核心机在高空台进行高空模拟试验时，在模拟进口气流温度和压力的同时，还要保证核心机外部处于真实环境压力或者尾喷口处于临界状态；试验时，高空台进排气调节控制系统将气源站提供的高温气、中温气和冷却气，通过掺混、节流以及放气的方式调节，满足不同试验工况的进气需求，同时进排气调节控制系统中的抽气机组将进入试验舱和核心机的气流抽离，调节高空舱内的环境压力以建立高空条件。核心机高空模拟试验主要完成：风车特性试验、起动特性试验、节流特性试验、典型点性能考核试验和专项研究试验等[5]。

2 测试技术

核心机试验验证过程中，依靠各种可靠的测试技术，获取大量真实可信的试验数据，以对核心机的气动性能、强度可靠性、结构完整性进行验证和考核。试验过程中需布置大量测试设备和仪器，测量参数包括流道各截面的压力、温度等气动性能参数，零部件壁面温度、振动应力等结构强度参数，动态压力、叶尖间隙、轴向力等安全监测参数，单次核心机试验所有参数测点总计可达1000 个[6]。

随着核心机技术的持续发展，试验测量参数也随之增多，对测量速度、精度、范围和环境的要求也不断提高，因测试空间、测试位置和测试感应手段的限制，常规测试技术存在对测量参数的扰动和对核心机结构破坏等问题，迫切需要引入新材料、新工艺和新方法。下面简要介绍几种试验过程中常见的非接触式、特种测试技术。

2.1 叶片振动测量

核心机试验时叶片振动测量主要分为接触式叶片动应力测量和非接触式叶尖振幅测量。

进行叶片动应力测量的目的是为了研究叶片振动特性，获得叶片的振型、固有频率和共振转速等特征参数。典型叶片动应力测试系统由应变片、引线、信号传输装置（滑环引电器或遥测装置）、连接线路和数据采集系统组成。

叶尖振幅测量是一种新型的非接触式叶片振动测量方法，基于叶尖定时原理，通过计算叶片经过传感器的理论到达时间和实际到达时间的差值，将该时间差值进行分析获得叶片振动幅值。

2.2 叶尖间隙测量

叶尖间隙是指压气机和涡轮转子叶片叶尖到机匣的距离，当叶尖间隙过小时，叶片会与机匣发生碰磨；当叶尖间隙过大时，又会降低压气机和涡轮效率，增加耗油率。对叶尖间隙进行实时测量与监控，可以提前示警，防止叶片与机匣发生摩擦，保证核心机试验安全。叶尖间隙测量方法主要有电容法、火花放电法、涡电流法和超声波法等。

2.3 示温漆测量

示温漆是一种对温度敏感的涂料，当涂敷在核心机高温零部件表面时会随表面温度的变化而改变颜色，实现零部件表面温度的测量。示温漆的温度判读是进行示温漆测量的技术难点，当前主要采用精度较低的人工判读法，近年来国内外开展了大量的基于图像处理的温度自动识别方法研究，形成了基于颜色温度特性曲线、等温线温度识别和变色点区域分割等三种主要自动识别方法。

2.4 污染物排放测量

试验时，借用尾喷管上的温度压力测试接口安装燃气取样耙，收集尾喷管出口的排气排出物，将排气排出物通过输运管路传输至燃气分析仪，进行不同样气成分的浓度分析，获得HC、NOX、CO2、CO、O2、H2O 等污染物含量。

3 试验流程

按照系统工程的方法，整个核心机试验验证过程可以划分为试验策划、试验准备、试验实施和试验分析四个阶段[6]。

试验策划阶段，主要开展试验输入文件分析、试验设备能力评估、试验设备改造方案制定、测试方案设计、试验大纲编制等工作，完成试验大纲评审。试验准备阶段，按照试验大纲的要求从人、机、料、法、环、测六个方面开展准备工作，进行核心机试验件接收检查、上台安装和机械运转，完成试验放行评审。试验实施阶段，开展当日试验方案策划及工艺卡片编制、试验前检查与试验放行、试验实施、试验后检查、试验结果分析，直至试验科目全部完成或试验终止。试验分析阶段，开展试验件拆卸下台、试验资料整理存档、试验数据分析及报告编制，完成试验结果的评定，以试验报告评审通过为该阶段和整个试验任务结束的标志。

由于核心机试验涉及专业众多，应组织所有涉及的专业组建试验协同团队，对从试验件设计、制造、装配直至试验、测试的全流程进行沟通协作，确保试验任务高效完成。

4 结束语

①为了开展核心机大气进气、加温加压进气和高空模拟试验，完成各种不同的试验科目，需要提前建设相应的地面试车台、核心机试车台和高空模拟试车台，气源站也应具备相应的供气能力。

②随着核心机试验过程中测量参数的增多，常规测试技术已不满足试验需求，应引入新材料、新工艺和新方法，有效地提升在高温、高压和高转速情况下核心机试验参数获取能力。

③核心机试验过程应按照系统工程的方法，组建试验协同团队，以详细策划、精心准备、精细实施、全面总结，确保试验高质量完成。