国内首套腐蚀敏感性试验系统诞生,详解航空发动机试验全过程

国内首套腐蚀敏感性试验系统诞生,详解航空发动机试验全过程

日前,由中国航天科技集团一院702所及所属航天瑞莱公司研制的国内首套腐蚀敏感性试验系统顺利完成了某型航空发动机腐蚀敏感性考核试验,性能指标满足试验需求,填补了国内腐蚀敏感性试验领域的空白(www.60396.cn)。

腐蚀敏感性试验是什么?

腐蚀指的是材料或其性能在环境的作用下引起的破坏或变质。绝大部分腐蚀发生在大气环境中,大气中含有氧气、湿度、温度变化和污染物等腐蚀成分和腐蚀因素。

腐蚀试验是检测金属或其他材料因与环境发生相互作用而引起的化学或机械与化学损伤过程的材料试验。腐蚀试验是掌握材料与环境所构成的腐蚀体系的特性,了解腐蚀机制,从而对腐蚀过程进行控制的重要手段。

腐蚀敏感性试验系统主要用于模拟航空发动机在工作和贮存状态下的盐雾环境,同时可根据发动机的运行状态提供温度、湿度、盐雾浓度等复合环境。

研制出国内首套发动机腐蚀敏感性试验系统

航空发动机是重要的精密军用装备,其运行环境相当复杂,外界腐蚀因素的作用会影响其使用安全性和可靠性。航空发动机腐蚀是飞机发动机压气机和涡轮转子及静子叶片主要的表面失效形式。表面腐蚀的发生会使叶片的形状尺寸产生变化,如出现蚀点、蚀沟、掉块等,从而降低发动机性能和使用寿命。海航飞机因为长期在盐雾腐蚀介质下飞行和停放,发动机叶片的腐蚀十分严重,己成为影响发动机性能、寿命、成本和安全的主要问题之一。

此前由于国内缺乏腐蚀敏感性试验系统,导致航空发动机整机抗腐蚀性试验及考核无法进行,只能使用现有盐雾试验箱开展零部件的相关试验。

702所准确捕捉市场需求,迅速开展相关设备研发,用一年时间相继攻克了微量盐雾气溶胶的动态发生、动态微量盐雾含量检测、短距大流量加湿等关键技术难题,确保了试验的顺利完成。随着我国海上航空装备环境适应性及可靠性要求的不断提高,盐雾腐蚀敏感性试验需求也将逐渐增多,该系统的市场应用前景广阔。

公开资料显示,702所建于1956年,承担了中国航天各种型号运载火箭、卫星及其地面设备的强度、环境与可靠性研究、计算、分析和试验,取得了大量的研究成果,获得数百项和部级科技成果奖,为中国航天事业的开创和发展做出了重大贡献。天津航天瑞莱科技有限公司(以下简称“航天瑞莱”)成立于2009年07月,是由中国运载火箭技术研究院及北京强度环境研究所共同出资成立的专业第三方检测机构。

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一型航空发动机在正式定型之前,要经历大大小小、从地面到空中各种种类繁多的试验,试验累计时间长达几万小时,试验周期长达几年乃至十年左右。经历了各种磨砺之后,一型发动机才能作为一颗强劲而可靠的“心”推动飞机翱翔蓝天。那么,航空发动机的试验都有哪些项目呢,具体又是如何进行的呢?

为了了解清楚以上问题,特邀请了航空发动机专家刘大响院士为我们娓娓道来。

试验的重要性

记者(以下简称记):刘院士您好,我们了解到,一型航空发动机在投入正式使用之前要做各种试验,而且试验项目很多,试验时间很长。为什么航空发动机要做如此多、如此长的试验呢?

刘大响院士(以下简称刘):航空发动机是推动飞机飞行的动力,与地面、水面运输工具的动力装置不同,地面、水面运输工具动力装置出现问题时,可以停车或者停泊排除故障,而航空发动机其“工作岗位”是在数千上万米的空中。发动机一旦在空中出现问题,飞机将失去动力,就无法保持飞行高度和速度,轻则导致飞机无法完成任务,重则会造成机毁人亡的重大事故。同时,与其他机械装置相比,发动机结构十分复杂,零件数目达数万个,不仅如此,发动机主要零部件的工作环境十分恶劣,常常处于高温(可接近2000摄氏度)、高压(几十个大气压)和高速转动(转速可达每分钟几万转)的工作状态,任何一个零件出现问题,都可能导致发动机停车或破坏,并引发灾难性后果。因此,在任何一台航空发动机正式投入使用(服役)前,必须通过各种试验对其性能、功能、强度以及可靠性有充分的认识和了解,以便安全、有效、合理地使用。

另一方面,由于航空发动机的研制和发展是一项涉及空气动力学、工程热物理、传热传质、机械、强度、传动、密封、电子、自动控制等多学科的复杂的综合性系统工程,航空发动机内部的气动、热力和结构材料特性又是非常复杂,以至于到目前为止,仍然不能够从理论上给予详尽而准确的描述,只有依靠实际发动机的试验来获得。通过试验,可以验证设计的合理性、扩展已有的经验,并有可能促进对物理机理的进一步认识。此外,航空发动机设计能力的提高也主要依靠试验数据的不断扩大和完善、对已有经验的扩展以及理论分析的完善。近百年来国内外研制航空发动机的实践证明,新型航空发动机的诞生,发动机的改进、改型都离不开试验。航空发动机的发展史就是一个设计、制造、试验、修改、再制造、再试验…,一个不断摸索和反复完善的过程。甚至有人说发动机主要是靠试出来的。由此可见,试验在航空发动机研制过程中起着举足轻重的作用。

记:发动机的试验是如此重要,这种重要性在试验中是如何体现出来的呢?

刘:新型航空发动机研制强调走一步试验一步,从部件到整机要通过设计—试制—试验的几个循环才能达到实用阶段,甚至投入使用后仍在试验。以使设计的薄弱环节充分暴露,并予以改进。早在二十世纪七十年二.在英国一种新型发动机被批准定型投入使用前建造了20台进行试验,地面运转了一万余小时,飞行两千多小时。某型发动机的研制费用中,设计占10%,制造占40%,而试验要占50%。

由于重视研究试睑,航空技术发展就有坚实的科学基础,同时也保证了产品安全可靠。在美、英、俄三国军用发动机的研制中,用于地面试验和飞行试验的发动机最少需要51台,多则114台才能最后定型。发动机地面试验要上万小时,达16000小时以上,飞行试验需5000小时以上。

再如,二十世纪七十年代中期,发达国家在追求航空发动机高性能研制思想指导下,忽视了结构强度问题,结果在使用中产生了大量结构故障问题。据统计,1963〜1978年间,美空军战斗机发生了3824起飞行事故,其中由于发动机原因引起的有1664起,占43.5%,而43.5%中因结构强度和疲劳寿命方面问题导致的事故又占90%以上。美军方在总结单纯追求发动机高性能,而忽视可靠性与耐久性的沉重教训后,执行了一项“发动机结构完整性大纲”。该大纲有五项基本任务,而其中有三项就与试验有关,每项试验任务均包含着极其复杂而周密的试验项目、试验目的、考核指标等,这充分体现了发动机试验工作的重要性。

记:既然航空发动机的试验这么重要,那试验时的分工是不是非常之细?

刘:对。从航空发动机各组成部分的试验来分类,可分为部件试验和全台发动机的整机试验,一般也将全台发动机的整机试验称为试车。部件试验主要有:进气道试验、压气机试验、燃烧室试验、加力燃烧室试验、尾喷管试验、附件试验以及零、组件的强度、振动试验等。整机试验有:整机地面试验、高空模拟试验、环境试验和飞行试验等。

如果将一台发动机的设计看作是一个足球队的训练和培养,那么部件试验就相当于对每个队员能力的测试。其中部件性能测试相当于队员足球技术和基本功的测试,如带球、控球、传接球能力等;而零、组件的强度、振动试验就相当于队员的体能测试,如12分钟跑、往返跑等;发动机的各类整机试验则相当于全队的各种教学或模拟比赛,通过“比赛”来暴露和解决问题,而发动机一旦正式投入使用,就好比到了正式的比赛场上。“平时多流汗,赛时少流泪”,正如严格训练才能取得好成绩一样,只有以大量的试验为基础,才能保证发动机的各项指标满足设计要求,成为一个合格的产品。

部件试验

记:从航空发动机各组成部分的试验来看,进气道试验是如何进行的?

刘:一般先进行小缩比尺寸模型的风洞试验,主要是验证和修改初步设计的进气道静特性。然后还需在较大的风洞上进行1/6或1/5的缩尺模型试验,以便验证进气道全部设计要求。进气道与发动机是共同工作的,在不同状态下都要求进气道与发动机的流量匹配和流场匹配,相容性要好。

记:进气道后的一个重要部件就是压气机,压气机是如何进行试验的呢?

刘:压气机性能试验主要是在不同的转速下,测取压气机特性参数,如空气流量、增压比、效率和喘振点等,以便验证设计,计算是否正确、合理,找出不足之处,便于修改、完善设计。具体来说,压气机试验可分为压气机模型试验、全尺寸压气机试验以及在发动机上进行的全尺寸压气机试验。压气机模型试验是用满足几何相似的缩小或放大的压气机模型件,在压气机试验台上按任务要求进行试验。全尺寸压气机试验是用全尺寸的压气机试验件在压气机试验台上测取压气机特性,确定稳定工作边界,研究流动损失及检查压气机调节系统的可靠性。在发动机上进行的全尺寸压气机试验是在发动机上试验压气机,主要验证部件间的匹配等。

记:压气机试验后所进行的是什么部件的试验?

刘:压气机试验后所进行的是燃烧室的试验。这个试验在专门的燃烧室试验设备上,模拟发动机燃烧室的进口气流条件,包括压力、温度、流量,然后进行各种试验。主要试验内容有:燃烧效率、流体阻力、稳定工作范围、加速性、出口温度分布、火焰筒壁温与寿命、喷嘴积炭、排气污染、点火范围等。由于燃烧室中发生的物理化学过程十分复杂,目前还没有一套的设计计算方法。因此,燃烧室的研制和发展主要靠大量试验来完成。

与燃烧室试验有关的试验有:冷吹风试验、水力模拟试验、燃油喷嘴试验、燃气分析、壁温试验、点火试验。冷吹风试验是研究气流流经试验伴时的气动特性和流动状态。水力模拟试验是根据流体运动相似原理,以水流代替气流,研究试验件内部各种流动特性。燃油喷嘴试验是鉴定喷嘴的特性。燃气分析是对燃烧室燃烧后的气体的化学成分进行定性、定量分析。壁温试验是模拟燃烧室的火焰筒壁面冷却结构,对不同试验状态下的壁面温度和换热情况进行测量和分析。点火试验用来研究燃烧室点火和传焰性能。

记:除了燃烧室试验外,带加力燃烧室的发动机还有加力燃烧室的试验吧?

刘:是的。加力燃烧室的试验是研究加力燃烧室燃烧效率、流体损失、点火、稳定燃烧范围是否满足设计要求,以及结构强度、操纵系统与调节器联合工作等性能的试验。按设备调节可分为全尺寸加力燃烧室地面,高空模拟试车台和飞行台的加力试验。全尺寸加力燃烧室地面试验。

一般选用成熟合适的发动机作主机,以改型或新设计的全尺寸的加力室作试验件,进行地面台架状态或模拟状态试验。目的是确定加力燃烧室的性能及结构强度,为整机试验创造条件,缩短整机研制周期,在性能调整试验合格后再与原型机联试。加力燃烧室高空性能,如高空的推力、耗油率、飞行包线内点火和稳定燃烧的试验,则在高空模拟试车台和飞行台上进行。

记:最后一个大部件尾喷管的试验是如何进行的呢?

刘:尾喷管的试验是用全尺寸或缩尺模型尾喷管在试验设备上模拟各种工作状态,测取性能数据,考核尾喷管是否达到设计要求。尾喷管试验按试验内容又分为结构试验、性能试验。结构试验主要考验机械构件、调节元件、操纵机构的工作可行性。除用部件模拟试验外,还要在整机上对全尺寸尾喷管做地面试验、模拟高空试验及飞行试验。

其实除了以上主要部件的试验外,发动机部件试验还有很多,例如涡轮试验、附件试验、强度试验等。具体如叶片振动疲劳试验、叶片包容试验、涡轮叶片热冲击模拟试验、发动机超速试验、发动机超温试验、发动机低循环疲劳试验、外物吞咽试验、超转破裂试验等。

全机试验

记:部件试验完成以后应该就是整机试验了吧,整机试验是不是就相对简单一点了,现在只是把达到设计标准的部件整合在一起而已?

刘:部件试验完了后就是整机试验,整机试验项目也很多.像整机地面试验、高空模拟试验、环境试验和飞行试验等,而且大多数时间很长,因此并不简单。首先说一下整机地面试验。整机地面试验一般在专用的发动机地面试车台上进行,包括露天试车台和室内试车台两类,其中露天试车台又包括高架试车台和平面试车台。发动机地面室内试车台由试车间、操纵间、测力台架和试车台系统等组成。试车间包括进气系统、排气系统和固定发动机的台架。对于喷气发动机,涡轮风扇发动机,台架还包括测力系统;对于涡轮轴和涡轮螺旋桨发动机则包括测扭系统。试车间内要求气流速度不大于10米/秒,以免影响推力的测量精度;进排气部分还要力求做到表面光滑,气流流过时流动损失尽量少。整机模拟试验完成以后就是高空模拟试验。

航空发动机地面试车台

记:高空模拟试验从字面上理解应该就是把发动机放置在空中进行,而不是在地面上进行,如果要把发动机放置于空中进行试验,应该会借助于专门的高空试验设备吧?

刘:简而言之,高空模拟试验就是在地面人工“制造”高空飞行条件,模拟飞行状态,例如飞行高度、飞行马赫数,以及飞行姿态,像攻角、侧滑角,使安装在地面上的发动机如同工作在高空一样,从而验证和考核发动机的高空飞行特性,所以高空模拟试验需要借助专门的高空试验设备——高空模拟试车台。

记:高空模拟试车台是一种什么样的试验设备?

刘:高空模拟试车台,就是地面上能够模拟发动机干空中飞行时的高度、速度条件的试车台,它是研制先进航空发动机必不可少的最有效试验手段之一。高空模拟试车台是从飞机推进系统风洞逐步发展而来的。早在1928年,为了研究活塞发动机整流罩和短舱的阻力及冷却问题,美国就利用兰利机场的老式推进器研究风洞,对活塞发动机装置进行过开式吹风试验。为适应气冷活塞发动机的发展,美国于1943年在克利夫兰建成了世界上座真正意义上的发动机高空模拟风洞,模拟高度达到16000米,模拟速度达到225米/秒(810千米/小时),试验段直径6.1米,曾用于多种活塞发动机的高空试验。

记:为什么航空发动机一定要做高空模拟试验?

刘:随着飞机飞行高度、速度的不断提高,发动机在整个飞行包线,即发动机正常工作的速度和高度界限范围内的进气温度、压力和空气流量等参数有很大变化,这些变化对发动机内部各部件的特性及其工作稳定性,对低温低压下的点火及燃烧,对发动机的推力、耗油率和自动调节均有重大影响。另外,发动机在高空的性能与地面性能大不相同,影响发动机结构强度的最恶劣的气动、热力负荷点已不在地面諍止状态条件下,而是在中、低空高速条件下,如中空的2.5〜3.0马赫,接近地面的低空1.2〜1.5马赫。

在这种情况下,发展一台新的现代高性能航空发动机,除了要进行大量的零部件试验和地面台试车之外,还必须利用高空模拟试车台进行整个飞行包线范围内,以及各种模拟飞行状态下的部件和全台发动机试验。美国国防部和NASA(美国国家肮空航天局)联合调查组宣称,一个现代航空发动机的研制计划,在5〜6年的周期中,高空试验要进行5000多小时,并要用3〜4个试验舱。正因为如此,从二十世纪四十年代中期开始,美、英、苏、法等国家,均不惜花费巨额投资,进行了大量的试验研究工作,这对迅速提高发动机研制水平起了重大作用。

航空发动机高空模拟试车台

记:从理论上讲,将新研制的发动机装在其将要配装的飞机上直接进行试飞,就可以在发动机的全部飞行范围内考核其性能,为什么不采取这样更简单、直接的办法?

刘:理论归理论,但实际上,这样做有很多问题。首先,新研制的发动机将要配装的飞机一般也是新研制的,将全新的飞机和发动机放在一起进行试飞,其风险是很大的,飞机和发动机的问题纠缠在一起,将使试飞中的故障诊断和分析过程变得十分复杂和困难,会严重影响研制进度;而且,一般情况下,飞机和发动机的研制进度和周期是不相同的,发动机的研制进度往往落后于飞机,会造成飞机和发动机互相等待、牵制的局面。

因此,一般采用新飞机加现役发动机首先试飞的办法,先解决新飞机自身的问题。而对于新研制的发动机,在装新飞机之前,一般需先装在飞行试验台或现役飞机上进行试飞,但由于飞行试验台或现役飞机的性能往往不能达到新飞机的性能,这就使新发动机的性能不能得到充分的验证和考核。而高空模拟试验则可以方便、灵活地改变发动机的进、排气条件,完全模拟发动机在整个飞行范围内的工作状况,甚至可以模拟超出飞行范围的极限情况,进行广泛的试验研究。这是其他任何飞行试验台所无法做到的。

记:高空模拟试车台可不可以模拟现实飞行中很难遇到的恶劣的环境条件?

刘:当然可以。恶劣的环境条件有两个方面的含义,一方面是指在实际飞行中不可能出现、但有关发动机规范中要求的环境条件。如我国《航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范》规定,在发动机的某些试车阶段,要求发动机应在一定飞行高度和速度下可能出现的压力和温度下工作。事实上,实际飞行中,发动机进口的空气压力和温度值不可能同时出现值,但规范规定要在比实际情况更恶劣的条件下考核发动机。显然,这种现实中不可能出现的情况只能依靠高空模拟试验来达到。另一方面是指在实际飞行中可能会遇到、但很难在需要的时候出现的情况,典型的如地面高、低温和高原发动机起动加速试验。

我国幅员辽阔,地形和气候条件复杂,既有西部边陲号称“世界屋脊”的高原低压、低温气候,也有长江流域和南部沿海有“火炉”之称的高温、高湿气候。为了适应不同的飞行作战环境,保卫祖国的每一寸领土和领空,发动机就需要在高原、平原、海上和不同的气象条件下进行考核试验。但“老天爷”并不归发动机总设计师管辖,也不太理解发动机设计人员的艰辛和付出,不但不会在发动机试验最关键的时候助一臂之力,反而会与人们开一些大不小的玩笑。

如我国的某型发动机在定型试飞时,根据定型规范的有关要求,应在大气温度-54〜+74oC、海拔高度0〜4500米的范围内完成发动机起动和加速试验。为了寻找合置的气候条件,几十个技术人员带着发动机,为了“三抢”,即抢高寒、抢高温、抢高原,飞遍了祖国的大江南北,转战20多个机场,行程数万千米,先后忙乎了5个多月,结果只在黑龙江某机场。“抢”到了-23.4oC的低温,在长沙“抢”到了+41oC的高温,在西北某机场“抢”到了海拔2840米的高原。可见如果没有高空模拟试验,仅仅靠“天”搞发动机是很困难的。

记:高空模拟试验还有哪些好处?

刘:好处还有很多。

、可以使发动机试验在更加安全的条件下进行。相比于飞行试验,在地面进行的髙空模拟试验的安全性是不言而喻的。首先是人员的安全,至少不再需要勇敢的试飞员用生命去冒险;其次是发动机和设备的安全,在高空模拟试验中,一旦出现故障,容易发现和排除,也容易及时进行处理,完全可以防止机毁人亡的惨剧发生。

第二,可以提高试验水平。这主要体现在两个方面:一方面,高空模拟试验的发动机进口空气的压力、温度、流量等参数可以得到准确的控制,使试验可以多次重复,这对于发动机的故障复现和分析,对于研究孤立参数对发动机性能的影响等都具有重要的作用。而正如前面提到的,由于“老天爷”的不配合,要想在实际飞行中准确复现以前的工作状态几乎是不可能的。另一方面,由于受空间和重量等限制,在飞行试验中不可能采集和测量大量的试验参数,而在高空模拟试验中,由于没有这种限制,完全可以按照试验要求,自由地采集测量尽可能多的试验数据,并可以利用先进的数据处理系统,进行现场实时处理和分析,从而大大提高了试验水平。例如,通过发动机高空模拟试验一般可以测量1000〜2000个稳态参数、200〜400个动态参数,这是任何飞行试验所无法企及的。

第三,缩短新发动机研制周期,提高经济效益。高空模拟试验由于不受地点、天气、时间等因素影响,因而可以大大缩短试验周期,降低研制成本,提高经济效益。据英国的统计,两周的高空模拟试验工作量,相当于300次飞行试验。二十世纪五十年代,对于高空模拟试验和用飞机试验台进行试验还存在一些争议,当时正好英国在用“火神”轰炸机改造的飞行试验台进行某型发动机试验,因受试发动机着火而导致飞机坠毁,无奈之下,只好利用高空模拟试车台继续进行试验。本来计划要用几个月的时间来重复已在“火神”飞行试验台上进行1年多的试验项目,结果在英国国家燃气涡轮研究院第3号高空试验舱上只用了约1个月的时间就完成了全部试验项目,其中还包括设备改装时间在内。也就是说,完成同样的试验项目,在高空模拟试验台上可以只用不到1个月的时间,而在飞行试验台上就需要1年多的时间,其间的差距和潜在的经济效益是显而易见的。这也是导致后来各国纷纷大力发展高空模拟试验设备的原因之一。

记:我国是否也建有高空模拟试车台?

刘:我国的航空发动机高空模拟设备的建设和高空模拟试验技术的研究,起步不算太晚。早在1958年就着手进行航空涡轮发动机高空模拟试验设备的建设;1959年曾与苏联协作,规划建设以航空涡轮发动机高空模拟试验设备为核心的航空发动机试验基地;1964年正式规划并着手建设大型连续式气源的航空涡轮发动机高空模拟试验设备,即髙空模拟试车台。在当时特殊的政治环境下,1965年,选定在四川西部的秦岭山区建设了我国的SB101连接式高空模拟试车台。1995年,SB101高空模拟试车台顺利通过国家验收,并与俄罗斯中央航空发动机研究院高空模拟设备的U—4H高空试验舱进行了对比试验,完全可以满足我国现在和将来航空涡轮发动机研制和发展的需要。SB101高空模拟试车台的设备规模在世界上是继美、俄、英、法后居第五位,在亚洲目前是位,因此被称为“亚洲台”。

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