贺孝涛，刘 峰，黎秋瑾

(1.中国解放军海军装备部 装试组，西安 710021；2.中国航发西安航空发动机集团有限公司 第二装试厂，西安 710021)

航空喷气发动机地面试车台校准技术及状态保持方法研究

贺孝涛1，刘 峰2，黎秋瑾2

(1.中国解放军海军装备部 装试组，西安 710021；2.中国航发西安航空发动机集团有限公司 第二装试厂，西安 710021)

为解决缺少露天试车台而不能对地面试车台进行校准问题，对影响室内试车台推力测量的因素进行了分析，通过气动测量校准的方法，得到了试车台推力修正值，并使用某型号发动机的国外基准试车台进行了交叉对比校准，结果表明测试精度达到了室内基准试车台要求。使用该基准试车台对其它生产试车台进行了交叉对比校准，解决了生产试车台的校准问题。依据某型号发动机的多年交叉对比校准和批产试车经验，提出的交叉校准过程中的注意事项以及试车台状态保持和监控方法，可有效确保试车台持续满足交付试车的要求，研究结果对我国批产发动机试车台校准技术的进步具有重要意义。

航空喷气发动机；试车台；交叉对比校准；推力修正；进气冲量阻力;状态保持

发动机在研制、生产和维修过程中，都需要通过地面室内试车台对发动机性能进行评定，其中发动机推力是性能评定的关键参数之一。准确录取航空发动机性能是保证飞机飞行安全的重要手段。但是由于室内试车台和露天试车台的差异，同一台发动机在室内试车台和露天试车台录取的性能是不一样的。即使在不同的室内试车台进行试车，由于试车台台架结构、进气道、试车间环境和试车台测试系统的不同，所录取的发动机性能也存在差异。这种差异给评定发动机性能带来很多不便，也给飞机的飞行安全带来了隐患。因此，国军标要求，生产、科研用各型航空发动机试车台必须定期进行校准，以确定试车台的修正值或修正系数[1]。但是我国因缺乏露天基准试车台，使得发动机室内试车台不能完全按照国军标的要求实施校准。

本文一方面通过分析室内试车台推力测量的影响因素，利用气动测量校准方法，得到试车台推力修正值；另一方面利用国外基准试车台对校准试车台进行交叉对比，得到推力修正曲线。结合两种校准方法的结论，准确得到了某型发动机试车台架的基础数据，建立了该型发动机的室内基准试车台。在实际生产过程中，使用该基准试车台对其它试车台进行交叉对比校准，解决了某型发动机室内生产试车台的校准问题,并根据实践经验，提出了一套试车台状态保持及监控的方法，实现了对试车台状态的动态控制。

1 国内外发展现状

国外发达国家建有大量的航空发动机试车台，美国波音公司、英国罗·罗公司和俄罗斯航空发动机研究院都建立了航空发动机基准试车台(包括室内基准试车台)，同时也定期进行基准台、高空台、飞行台的认可与比对工作。例如，美国机动车工程师学会早在20世纪60年代就有《关于改善涡轮发动机试车台的交叉比对校准的一些分析和建议》，并发布了标准ARP741《燃气涡轮发动机试车台的交叉比对校准》；德国MTU和英国罗·罗公司的试车台在首次用于某种型号发动机性能验收试车前，必须使用该型号发动机与基准试车台进行交叉比对试车；俄罗斯也规定，各试车台必须定期用校准发动机进行校准，保证每个试车台测试结果的准确性。

国内20世纪80年代在上海曾建有露天基准试车台，建成后曾对多台引进的原型发动机和国产发动机进行了海平面性能标定试车，后由于噪音扰民问题停用。国内曾与俄罗斯中央航空发动机研究院开展过地面试车台间的气动标定试验，为我国试车台校准和比对积累了一定的经验。除此之外，在引进АЛ-31Ф发动机修理线时引进其试车台校准规定，但是该规定是为了统一各试车台试车数据，并不能保证每个参比试车台都能够获得准确的发动机性能。

总体来说，西方发达国家在发动机试车台交叉校准的工程实践、标准规范等方面均有较丰富的成果，国内在这方面还有相当的差距。

2 试车台分类及相互关系

根据欧美航空发达国家相关标准，试车台可分为以下5类：

(1)露天试车台——推力的原始基准，图1是露天试车台；

(2)“金”标准试车台——针对某型号发动机，“金”标准试车台的推力校准需要与露天试车台进行交叉校准试验完成，即室内基准试车台，图2是室内试车台；

(3)“银”校准试车台——针对某型号发动机，“银”校准试车台的推力校准需要与“金”标准试车台进行交叉校准试验完成；

(4)“铜”校准试车台——针对某型号发动机，“铜”校准试车台的推力校准需要与“金”标准试车台或“银”校准试车台进行交叉校准试验完成；

(5)功能性试车台——不需进行校准，试车台只进行功能性和耐久性试验，性能参数只作为指示性，不用于性能评价。

各种试车台之间的关系如图3所示。从图3中可以看出不同等级的试车台在交叉校准工作中的作用。一般来说，直接与“金”标准试车台交叉校准的推力结果不确定度要优于经过“银”校准试车台校准的结果。对于某一个型号的发动机，一般有数个交付发动机用的生产试车台，生产厂一般有一个经露天试车台校准的室内基准试车台，但是不可能所有的试验都在基准试车台进行。为了保证在其它试车台上进行试验时发动机性能数据准确并与基准试车台一致，需要使用“金”标准试车台进行交叉比对校准，通过交叉比对校准，可以获得被校准试车台相对基准试车台的修正系数。在试车台气动条件未发生变化的情况下，获得的系数可以用于该型号后续的验收试车，当然修正系数仅能用于该试车台和该特定型号发动机。

图1 露天试车台

图2 室内试车台

图3 试车台分类与相互关系

3 推力测量修正分析

发动机在露天试车台进行试验时，由于大气环境下无消音设备、进气设备以及台架阻力、排气回流等因素的影响，可近似认为空气流速为零，测量的推力最接近发动机真实推力。但在室内试车台进行试车时，由于受进气冲量、迎风阻力和发动机喷口附近负压等的影响，所测推力比发动机的实际推力低[4]，也就是说试车时得到的推力存在一个由于气动附加阻力引起的系统误差，图4为影响室内试车台推力测量因素的示意图。在对发动机试车台的研究中发现，在室内试车台上，小流量发动机的推力修正值约为1%～2%，大流量发动机的推力修正值可能高达5%，甚至更大。由此可见，如果室内试车台的测量推力不做修正，其结果与发动机真实推力相比可能存在很大的系统误差，远高于国军标规定推力测量数据精度为测得值的±1.0 %的要求[2]。

图4 试车台推力测量影响因素示意图

4 室内基准试车台校准

通过对产生与推力测量负载传感器方向相反的阻力的3个分量进行直接测量和计算，得出室内试车间的气动推力修正。这些分量是进口动量阻力、迎风阻力和基体阻力(喷口附近负压所致)，这种方法有效地将封闭的试车间与真正的露天“自由场”相联系。以某型发动机室内基准试车标定过程为例，进行如下阐述。

4.1 进口动量阻力

它是受进气冲量影响造成的阻力，采用测量发动机进气道前方气流近似速度来计算。由式(1)表示[3]

FI=W×V0

(1)

其中：FI为进气动量阻力，单位N；W为实测的发动机进口空气质量流量，单位kg·s-1；V0为风速仪的平均速度，单位m·s-1。W是发动机固有特性，因此试车台内气流流速V0直接决定进气动量阻力的值[4]。测量时使用装于十字架上的5个带罩风速仪，这些风速仪轴向位于进气道喇叭口前唇上游的2～3倍进气道喉部直径处，其中一个位于发动机中心线上，其它4个位于0.75倍进气道喉部直径的径向位置上，并且以90°周向递增。图5显示了使用标准发动机试车风速仪测量的近似平均气流速度。

图5 风速仪测量的近似平均气流速度

发动机进口空气流量的测量较为简单，这里不再详述，将测量获得的实测发动机进气空气流量和风速仪的平均速度代入计算公式(1)，即可以计算进气动量阻力。

4.2 迎风阻力

这个阻力是通过对作用在推力台架所有“活动”和移动部分(包括相连的构件)前阻塞面上的试车间吸入气流的压力载荷进行计算而推导出来的。可表示为

FT=ΔP×Acrad×Cdcrad

(2)

其中：FT为迎风阻力，单位N；ΔP为压力载荷，单位Pa；Acrad为推力台架前几何阻塞总面积，单位m2；Cdcrad为推力台架前阻塞总面积的平均阻力系数。要计算出ΔP，则可使用7个在台架和相连构件上分布的带罩风速仪测量临近这些前阻塞面(从端面边缘到风速仪中心线约152.4 mm)的气流速度来实现。图6是台架活动和移动部分连接的示意图，图6中标出了7个风速仪位置(标记10～16)，并着重显示了推力台架“活动”和移动部分连接的前阻塞面的总几何面积Acrad，此阻塞面并不是完全平坦的，因此将某些圆形和平面形面考虑在内，用Hoerner的流体动力阻力值作为参考值计算出平均阻力系数Cdcrad，计算结果列入表1中。由表1中的数据可以算出

Acrad=前部支架截面+中部支架截+后部支架截面+后部支架截面+发动机支撑结构+构架+进气道挂架=1.765+1.765+0.929+1.394+0.581+0.495=6.929 m2；

Cdcrad=(6处截面积×各处阻力系数Cd)之和=(1.765×2.0+1.765×2.0+0.929×2.0+1.394×2.0+0.581×1.17+0.495×1.17)/6.929=1.87

图6 台架活动和移动部分连接的示意图

截面描述尺寸/m截面数量面积/m2阻力系数Cd前部支架截面57912×030481176520中部支架截面5791×030481176520后部支架截面15240×030482092920发动机支撑结构30480×015243139420构架152400×0038110581117进气道挂架97536×0050810495117

压力载荷ΔP的计算公式可以表示为

(3)

其中：Pcell为试车间静压，单位Pa；Vcrad风速仪的平均速度，单位m·s-1。Vcrad使用图6所示的7个风速仪进行测量。图7显示了使用标准发动机试车期间测量的7个风速仪平均速度。

Pcell采用装在试车间墙壁上的静压测压孔进行测量，测量较为简单，这里不再详述。将测量获得的Pcell和Vcrad代入公式(3)，即可以计算迎风阻力。

4.3 基体阻力

作为试车间吸入气流加速通过发动机混合收敛排气喷口外罩，进入排气消音器的结果，这一阻力是通过测量排气喷口外罩上的平均静压降(相对于试车间静压而言)来计算的。计算公式可以表示为[3]

Fs=(Pnozzle-P0)×(A1-A9)

(4)

其中：Fs基体阻力；A1为发动机轴向进口截面面积，该型发动机为0.942 m2；A9为喷口面积，该型发动机为0.785 m2；Pnozzle为发动机喷口外部气流静压；P0为试车间静压。

图7 测量的7个风速仪平均速度

为方便工程测量，将该公式变为

Fs=ΔP×(A1-A9)

(5)

其中ΔP=试车间静压-4个排气喷口罩静压的平均值。ΔP使用一台6腿“共用腔”水测压计测量，其中一条腿连接试车间后部静压，4条腿与加在排气喷口外罩上的静压相连。图8显示4个位置测量的平均外部静压降ΔP。

图8 全功率范围内测取的平均静压降ΔP

4.4 总阻力

总阻力F是进口动量阻力、台架阻力和基体阻力，用公式表示为

F=FI+FT+Fs

(6)

图9显示了按前面3个分量之和计算出的平均总推力修正值。值得注意的是，进气冲量对推力修正值的影响最大，占发动机总推力的2%～3%[4]，实际获得的最大军用状态下进气动量阻力大约占总阻力的74%，而在加力运转范围内，随着发动机喷口面积的增加，发动机的推力随之增大，但试车间内的平均速度却随之减小，阻力也随之减小。

图9 计算获得的某型发动机室内基准试车台推力修正曲线

将采用气动测量校准获得的推力修正值与罗·罗公司该型号发动机室内基准试车台进行交叉对比校准时获得的推力修正值进行比较，在最大军用和最大加力两个测量点上的误差不超过±0.1%。

5 室内生产试车台的对比交叉校准

建立“金”标准室内基准试车台后，其它试车台就没有必要使用气动测量校准或者与露天试车台进行交叉对比的方法进行校准，可以利用“金”标准试车台进行定期的交叉对比校准，可以大大降低成本和校准难度。但是其校准过程必须严格遵守相应的方法和要求，才能达到预期的校准效果。

交叉对比校准试车过程中，一般把在“金 ”标准室内基准试车台进行的试车称为基准试车，把在被校准试车台进行的试车称为校准试车，基准试车和校准试车应遵循以下原则：

(1)基准试车和校准试车应在天气晴朗的条件下进行，大气湿度基本相当，大气温度应在15 ℃附近，两次试车的温差应≯5℃[1]，从某型发动机多次交叉对比校准的经验看，基准试车和校准试车的大气温度温差应≯3 ℃为宜，这是基于发动机在不同温度下试车，发动机热效率发生变化的考虑，发动机热损失的其中一项就是通过发动机壁面向外界散失的热量[6]，当温差过大时，发动机本身热效率发生了变化，对校准不利。

(2)应使用经过评定且性能稳定的发动机作为传递发动机，也叫标准发动机。

(3)基准试车和校准试车前应对试车台测试系统进行详细的校验，确保测试系统准确。

(4)在正式进行录取基准试车和校准数据前，应录取发动机主要状态的性能点(如最大军用状态、最大连续状态等)，确认试车台测试系统和发动机工作是否正常。

(5)基准试车和校准试车性能数据点应该从低转速到高转速平均分布8～10个点，数据采集时应进行双扫描采集，即一个状态点的数据应在间隔30秒时间采集两次，以消除误差。

(6)在试车稳态的稳定时间内录取性能时，不允许对油门杆进行上下的重复调整，以免引起测量误差的增加。

(7)基准试车完成后，应尽快进行校准试车，不应将发动机长时间放置，防止发动机性能变化。

(8)交叉对比校准试车直接测量参数误差应控制在0.5%以内。

图10是采用室内基准试车台对某生产交付试车台进行交叉对比校准获得的推力修正量，与图9的推力修正曲线相比，在40 000 N以上时，推力修正值大约高出90 N，这是两个台架的结构不完全一致的结果。采用这种交叉对比的方法，可以实现对该型发动机生产试车台的首次校准和定期校准工作，其精度可以满足发动机生产交付试车的要求。

6 试车台状态保持及使用过程监控

试车台校准合格后，在使用过程中应保持试车台状态，并实时监控试车台状态有无异常变化，确保试车台持续满足发动机交付试车的要求。

图10 交叉对比校准获得的生产试车台推力修正曲线

经过校准合格的发动机试车台，应严格控制下述项目，以确保试车台状态不变。

(1)确保发动机试车间内的所有气动布局不发生改变，包括不增加或减少工具箱、堆放物和材料等。

(2)保持排气消音器阻尼比不变，例如某型号发动机经校准确定的阻尼比为50%。

(3)监控排气消音器至发动机喷口的距离，确保不发生变化。

(4)试车性能分析软件应作为试车台配置软件进行管理，不允许对其进行随意修改。

(5)大气温度和试车间压降是进行性能换算的关键参数，在试车间前、后压降差值高于某个规定数值时，应进行检查，例如某型发动机规定前、后压降差值大于1.5 mm水柱时，应进行检查。应在进气分离器和防尘网入口同时测量大气温度，并规定其最大允许差值。例如，某型号发动机规定进气分离器和防尘网入口同时测量大气温度差值高于1 ℃时，应进行检查。

通过监控交付发动机试车性能数据变化趋势的方法来监控发动机试车台状态是否发生变化，这种监控应根据发动机的交付验收特点进行。例如某型发动机在交付试车时需要验收50 kN下的涡轮前T4温度和47 kN下的发动机耗油率，则需实时监控这两个参数随发动机序列号的变化情况。

图11是某年年初监控到的50 kN下的涡轮前T4温度随发动机序列号的变化情况，图12某年年初监控到47 kN下的耗油率随发动机序列号的变化情况。可以看出在编号10以后的发动机其涡轮前T4温度和耗油率均有明显的下降，在发动机未采取改进措施的情况下，这种情况的发生值得怀疑，为此将在这个时间段交付过发动机的3个台架进行了分类对比分析。图13是涡轮前T4温度的对比结果，图14是耗油率的对比结果，可见编号为3的试车台交付发动机的涡轮前T4温度和耗油率均偏低。

图11 监控的50 kN下的涡轮前T4温度随发动机序列号的变化情况

图12 监控到的47 kN下的耗油率随发动机序列号的变化情况

为此对该台架的状态进行了分析和检查，结果发现燃油流量计测量值偏低，造成了计算的发动机涡轮前T4温度和耗油率均偏低。

图13 不同台架交付发动机涡轮前T4温度对比图

图14 不同台架交付发动机耗油率对比图

7 结论

(1)将与推力测量负载传感器方向相反的阻力分为进口动量阻力、迎风阻力和基体阻力3个分量，并进行直接测量和计算，得到了试车台推力修正值，并使用某型号发动机的国外基准试车台进行了交叉对比，对比结果表明校准结果达到了室内基准试车台要求，其方法便于工程应用。

(2)使用气动校准合格的基准试车台对其它生产试车台进行了交叉对比校准，解决了新建生产试车台的首次校准和定期校准问题。

(3)采用控制试车台状态和监控发动机交付试车性能变化趋势的方法，可以及时掌握试车台状态的变化，有效保证了试车台持续满足交付发动机的要求。

(4)提出的气动测量校准方法，交叉比对校准过程中的注意事项以及试车台状态保持和监控方面的经验对我国批产发动机试车台校准技术的改进具有重要意义。

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Researchoncalibrationtechnologyandstateretentionmethodofgroundtestbenchforajetengine

HE Xiao-tao1，LIU Feng2，LI Qiu-jin2

(1.Assembly Test Group,China PLA Navy Equipment Department,Xi′an 710021,China；2.Second Test Assembly Factory，AECC Xi′an Aero Engine Group Co.Ltd.,Xi′an 710021,China)

To solve outdoor test bench′s lack and its calibration problem,factors affecting thrust measurement of indoor test bench were analyzed in the paper to obtain thrust correction value of the test bench using a gas dynamic calibration method.The test bench was crosswise calibrated with the foreign datum of a certain engine test bench.The results show that accuracy of the test meets the requirements of indoor benchmark test.The calibration method of new test bench can solve the calibration problem during production process of the new test bench using the benchmark test bench.According to the data of cross-correlation calibration for a certain engine and the experiences for producing the test bench,the announcements during production process of the test bench and the state retention and monitoring method of the test bench can effectively ensure to continuously meet production requirement of the test bench as a product,which has a significant meaning for developing calibration technology of the test bench in China.

aviation jet engine;test bench;cross calibration;thrust correction;inlet impulse resistance；state retention

2016-06-07

贺孝涛(1975-)，男，陕西西安人，工程师，主要研究方向：航空发动机技术质量监督，E-mail:41949947@qq.com。

2095-1248(2017)05-0049-08

V263.4

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2017.05.007

(责任编辑：吴萍 英文审校：赵欢)