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试车台如何让航空发动机“百炼成钢”?
来源:《中国民航报》2021-08-16 13:33:00

航空发动机被誉为“工业皇冠上的明珠”。合格的飞机“心脏”,不仅要在地面上,而且还要在飞行中接受一系列测试。而发动机的“试金石”——航空发动机试车台,无论是在发动机研制、定型,还是测量重要数据等模拟试验中都起着关键作用。

现代航空发动机如此先进,为何还要进行试车台测试?

航空发动机是一项涉及机械、自动控制、电子、空气动力学、工程热物理、传热传质等多学科的复杂的系统工程。航空发动机内部的气动、热力和结构材料特性非常复杂,以至于到目前,很多发动机的性能指标仍然需要依靠对发动机进行试车实验来获得。

航空发动机试车台是在地面模拟航空发动机运行环境,并对其加以测试的大型装置。在任何一台航空发动机正式投入使用(服役)前,都必须对其性能、功能、强度以及可靠性有充分的认识和了解,以便发动机能够安全、有效、合理地为飞机提供飞行动力,做到万无一失。在经历各种测试后,航空发动机试车台能综合分析发动机的性能是否达到标准要求。

长期以来,试车台都是先进航空发动机自主研发过程中必不可少的一个关键装备。早在1947年,美国的刘易斯飞行试验推进实验室就建设了世界上第一个真正的高空试车台。20世纪40年代末,涡轮喷气发动机的诞生和发展使飞机突破了音障,美、英、法、俄(苏联)等航空大国吸取了早期发动机研制中部件试验不足的教训,先后兴建了一批发动机部件试验设备。20世纪80年代,美国投资6.5亿美元,花了近10年时间建成了目前世界上最大的航空发动机高空试车台。20世纪90年代末,日本和印度也分别投资10亿美元启动了各自的航空动力装置试验基地建设计划。由此可见,航空发动机试车台在飞机发动机研发和测试中的重要作用和地位。

发动机试车要经过哪些严苛的测试?

由于航空发动机对自身的稳定性和精度要求较高,每一款发动机在正式投入使用前均需经过大量的地面测试和飞行测试。在这些测试中,发动机会在极限下运转,以确证其满足了官方要求的所有安全和可靠性条件。

一款新的发动机若想获得认证,需要对发动机上15个不同部件进行32种长达数千小时的测试。其中有一些是具有决定性作用的,如位于飞机发动机前端的风扇叶片飞脱试验。爆炸物被放置在其中一个叶片上,然后被引爆,以便使其从风扇上分离。这是一个令人震撼的测试,在这个试验中,必须要证明发动机能够抑制叶片碎片,并防止其造成严重损害,从而确保飞机和乘客的安全。再比如“耐久试验”。在这一试验中,飞机发动机需要在不同的功率和温度条件下运行150小时,以证明其坚固性以及在极端飞行条件下的耐久性。此外还有“结冰”试验,用来证明极寒天气不会影响发动机运行性能。另外,大大小小的冰雹也会被投射到发动机上用以模拟飞机在空中可能遇到的冰雹天气。然后还有一些其他测试,如吞鸟测试、灰尘测试、转矩测试、振动测试、腐蚀测试等诸多环节,直到达到测试标准,合格为止。

试车测试时会记录整个试验过程中的发动机参数变化情况,并在试验后分解发动机,分析结果和各部件的结构变形情况,为评估发动机的结构完整性和改进设计提供依据。

吞鸟测试时使用的是活鸟吗?

吞鸟测试主要是为了验证发动机在满功率运行时,是否能够承受一群较小的鸟类的撞击。一般人可能认为,体型小重量轻的鸟类,与钢筋铁骨的飞机发动机相撞应该是以卵击石。而事实是,一只7公斤的飞鸟撞在时速960公里的飞机上,冲击力将达到144吨,能把一台发动机撞坏甚至造成机毁人亡的惨剧。那么试车台的吞鸟测试是怎样进行的呢?有传言说做这项试验时,用的是冷冻的鸡,但事实上,试验中用的是鹅或海鸥,因为它们能更准确地呈现鸟类的肌肉组织。从正规渠道收集的鸟类尸体通过压缩被制成空气炮,按一定的速度和位置一只只地射向工作中的发动机。此外,除了认证和最终设计阶段测试,人们已经发明了以明胶为基础的弹丸来取代鸟类做实验。

航空发动机试车台测试发动机过程中,是不是会产生震耳欲聋的噪声呢?飞机发动机像巨型吸尘器那样工作,每秒吸入约500立方米的空气。正因为如此,在航空发动机试车台的选址和建造过程中,噪声控制是一项十分重要的技术内容。噪声控制还是考核试车台建设是否符合规范、设计是否先进的重要标准。国内外航空发动机的试车台设计规范,均对操纵间、准备待试间、进排气塔外场30米等处的噪声限值有明确的规定。如今的航空发动机试车台,多具有多重先进的消音设计,可大幅降低测试发动机最大推力时所产生的噪声,能够满足一般工业区噪声规范。(中国民航网 通讯员古月)

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