直连式高空台试验中真空度与次流作用力校准的一种新方法

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国燃气涡轮研究院 作者:刘志友

  针对某发动机高空台试验难以用加装堵板的常规方法测定真空度与次流作用力系数的情况,通过高空舱内冷却空气流动与高空舱内外压差对发动机测力系统作用的分析,介绍了高空舱内真空度和次流对发动机台架测量推力影响的作用机理,并从真空度作用力和次流作用力与发动机总推力的关系出发,经理论推导提出了一种确定真空度与次流作用力系数的新方法。该方法使用限制条件少,试验经济性好,具有较强的工程应用参考价值。

1、引言

  直连式高空台试验在先进航空发动机研制中有着不可替代的重要作用,除了能在地面上模拟航空发动机全包线、全天候工作环境并获知其空中工作性能/特性外,还能确定与评估航空发动机的性能,尤其是确定与评估飞行推力。如何有效地确定和评估发动机推力,一直是高空台建设和发动机高空模拟试验技术研究的重要内容。由于发动机推力是一个很复杂的间接测量参数,受许多因素影响。试验中直接测量的台架推力既不是发动机总推力,也不是发动机净推力,因此需要对直接测量推力结果进行修正,才能得到与发动机实际工作情况相符的推力。其中,反映发动机高空工作环境对测力系统零位影响的真空度作用力,和高空舱内冷却气流流动对测量推力示值影响的次流作用力,是直连式高空台上推力测量结果修正的重点研究内容。

  半个多世纪以来,人们对高空舱真空度和次流作用力的概念与作用机理进行了广泛研究,并形成了较为成熟且通行的经典校准方法。该方法是一种静态校准方法,即在试验前关闭发动机来流管道上的闸阀或在发动机来流管道中加装堵板,阻止气流通过发动机内流道,使发动机转子在真空度与次流作用力(系数)校准过程中保持静止状态,通过改变高空舱真空度(环境压力)和二股流开度(流量),完成其影响系数的测试和校准,进而利用该系数评估和修正真空度与次流作用对发动机试验测量推力的影响。但当前的静态校准方法对某些发动机高空台试验,尤其是有特殊要求的高空台试验而言,显得乏力或非常棘手,如某型发动机要求在我国高空台上进行全包线范围内带可移动插板的压力畸变发生器的进气压力畸变试验。按可移动插板畸变发生器的安装要求,我国现有高空舱内发动机篦齿封严环前的工艺进气道上难以甚至无法加装堵板,当前成熟、规范的真空度与次流作用力校准方法无法运用。即使能运用,也会因拆装堵板时间长而导致效率非常低。因此,针对该情况需要研究与之适应的真空度与次流作用力校准方法。基于此,在深入分析真空度和次流作用力及其与发动机总推力内在联系的基础上,提出了不用加装堵板的动态校准法。

2、常规确定方法

  2.1、次流作用力理论分析

  为保证测试传感器和电气线路等正常工作的温度环境,高空台试验中必须向高空舱内引入适量的冷却空气。而高空舱内冷却空气的流动,会与发动机外壁、支架、测试管线及台架测力系统(图1)发生相互作用,并对试验发动机推力的测量示值产生影响,这种影响就是次流作用力,如图2所示。

高空舱内支架与管线示意图

图1 高空舱内支架与管线示意图

高空台真空度与次流作用力示意图

图2 高空台真空度与次流作用力示意图

4、两种方法对比

  (1) 使用限制条件

  现有常规方法要求在发动机进口封严篦齿环的上游工艺进气道中加装堵板,因而作用力系数的校准必须在气源抽气和发动机静止状态条件下单独进行,且要求在发动机高空试验前完成。而本文提出的方法是在发动机试验中进行(实际上也可在发动机不工作状态下进行),只要求发动机状态稳定即可,不受试验进程影响,可在试验中随时加以校验和测试。并且由于没有堵板加装要求,在一定程度上降低了工艺进气道结构设计和布局的复杂程度。

  (2) 试验经济性

  现有常规方法完成真空度与次流作用力系数校准一般需2.5~4.0 h(其中1.0~1.5 h 为堵板拆除与设备恢复进入发动机高空校准试验的时间),且不包括试验前加装堵板时间。而本文提出的方法,只需0.25~0.50 h即可完成,且可结合发动机暖机时间进行,每次作用力系数校准可节约直接的水、电消耗成本在10~20 万元以上。鉴于发动机每台次高空台试验,都要在发动机高空校准试验前测定真空度与次流作用力系数,因而试验的经济效益较为显著。

  (3) 工程应用

  现有常规真空度与次流作用力系数校准方法已得到广泛使用和认同,且建立了相应的标准(企标)和规范。而本文提出的方法,由于高空舱内流动的复杂性、发动机工作条件的宽泛性,尽管是经过严密理论推导提出的简便易行方法,但还需要一定时间的实践检验,不断完善并最终规范。

5、结束语

  基于当前发动机对带可移动插板式压力畸变发生器的高空压力畸变试验的特殊要求,本文从真空度和次流作用力对台架测量推力结果的影响及其与发动机总推力的关系出发,经理论推导提出了一种确定其影响系数的新方法。该方法属于动态测试法,不需要在发动机进口篦齿封严环上游的工艺进气道中加装堵板,在发动机试验中即可完成作用力系数的测定和校验。相对现有常规方法而言,系数测定的使用限制条件少、试验经济性好,尽管其工程应用的技术成熟度尚需检验,但可肯定其在发动机高空模拟试验中推广应用的潜在价值。

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