[科普中国]-航空发动机试车台

相关背景

随着国家经济不断的发展，不论在民用还是军工上航空工业都起着举足轻重的作用。一架飞机要想遨游在蓝天，其必须有足够的动力才能飞行，而为飞机提供动力的装置就是它的航空发动机，航空发动机是整架飞机的核心所在，没有它飞机将无法飞行。因此从一台航空发动机的性能上就能看出这架飞机的性能。航空发动机作为一种生活中必不可少的尖端产品，航空发动机的发展对国家的科技水平和国防领域起着重要性作用，它标志着一个国家科技、工业和国防的综合实力。

随着航空发动机不断的发展，不仅要提高它的推力，同时可靠性、寿命、对周围环境的适应性也同样重要。当我们要采用一种新技术开发时或对现役发动机进行更新、换代时，都必须对航空发动机展开试验。通过对发动机的测试能够得出许多理论计算得不到的性能指标，还可以获得外部环境对发动机主要技术参数的影响等。

随着科技的发展，当我们要研发一种新型号的航空发动机时，研发出的发动机必须具有高可靠性和高性能，因此设计出的航空发动机结构都比较复杂，材料也比较特殊。按照一般的研制过程，从方案设计到研制成功再到交付使用，发动机至少需要试验五年以上的时间，而且一台发动机上主系统的试验就需要数万小时以上，外加发动机各个子系统和零部件的试验时间，一台发动在试验台上所试验的时间就高达十万小时以上。因此在研制航空发动机时拥有一台先进的实验试车台是非常重要的。

航空发动机试车台是在研发发动机时所需要的重要设备，该系统能够对发动机进行定型、测量重要数据等试验，它能综合分析航空发动机的性能，是否达到其标准。而且到一台航空发动机损坏或者需要维护的时候，往往都需要修理完毕后送到试车台上进行测试，当测试合格后才能安装回飞机内部。研制航空发动机的试车台系统是一个相对复杂而且繁琐的控制系统，在整个系统中根据其作用不同，各个部分实现的功能不同，其中航空发动机试车台的燃油控制系统就隶属于其中的一个子系统。它也是试车台试验设备中的一个非常重要组成部分。

国内外研究现状当我们要研制航空发动机时，航空发动机试车台是必不可少的重要设备，它在试验中起到了关键作用，不论我们要对发动机研制、定型，还是测量重要数据等模拟试验中都离不开它，它能综合分析航空发动机的性能，是否达到其标准。由于航空发动机对自身的稳定性和精度要求较高，因此对试车台系统的复杂程度和精度程度也要求极高。航空发动机试车台的整个系统可分为许多子部分如:发电系统、燃油供给系统、滑油降温系统、数据采集系统、液压控制系统等。

我国航空发动机试车台的开发也经过了几十年的发展。1951年我国成立了专门的设计院，这也是我国最早从事中国航空工业设计的单位。其中就包括了对航空发动机试车台的设计和开发。我国在上世纪60年代时期与前苏联关系较为紧密，在当时为了研究发动机技术从前苏联引进了航空发动机试车台。航空发动机试车台的各部分控制系统由于当时并不具备先进的技术，设备相对落后，而且当时的测量仪表都为老式的指针式仪表，控制系统采用老旧的继电器来完成功能，而且各控制子系统之间没有联系。测试航空发动机时需要借助现场人员监视，通过人工用笔和纸记录试验数据，事后再通过人工计算来完成对发动机性能的评估。这样试验不仅效率非常低、需要经常维护，而且测试的周期也很长。

随着时代的发展，我国的第二代航空发动机试车台是在20世纪80年代左右开发出来的，当时国内的设计理念正逐渐的向欧美等发达国家学习，我国也对原有的航空发动机试车台进行了更新换代采用新技术。其部分控制系统采用了数字化控制系统，数字化控制系统工作与之前相比性能更加稳定可靠，控制测量系统的测量精确度高、稳定性强，提高了试验效率，得到广大用户认可。但是受到当时技术水平的制约，只能实现部分自动化功能。而且这些半自动化设备较为昂贵，操作繁琐使用起来也不方便。

随着可编程控制器技术和自动控制技术的发展，其己经在航空发动机试车台上得到了大范围的应用。现在的航空发动机试车台已经逐渐向具有通用性强、控制精度高的方向研发。航空发动机试车台上的各个子系统都已经实现了自动化，系统与系统之间也能够实现信息的交换，并依靠网络技术实现了集中管理控制。现在我国对航空业的发展越来越重视，研发的飞机机型也逐渐增多，因此适用于不同机型的发动机型号也增多，为了满足多种不同型号航空发动机进行试车，对航空发动机试车台的通用性、快速安装的要求也相应的提高。而且航空发动机在试车台上的安装也由原来费时费力的人工安装、到液压机械化安装，再到今天的快装快卸的安装模式，这样能够大大提高航空发动机试车台的工作效率。

目前国外对机试车台技术的研究也是各有千秋，美国作为世界上最发达的国家，从其具有的多种高性能战机就能看出，其航空发动机试车台技术也是最成熟和完善的。美国已经建成了多种型号的发动机试车台，能够适用于不同的工作环境。而且在试车台上还能够模拟飞机起飞、飞机着落、加减速等具体的工作过程;欧盟中的一些发达国家例如英国、法国和德国等，它们在发动机试车台上运用了CAT系统;俄罗斯作为一个军事大国，其也早在上世纪也很早就研制了一套全自动化的用于航空发动机的试车台控制系统，它可以自动完成整套的试验项目。1

主要校准方法不同国家有不同的发动机试车台校准方法，建立的试车台校准规范也不同，测试结果的修正方法也有差别。但是不管采用何种校准规范对试车台进行校准，最终得出的发动机性能数据应当是基本吻合的。

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已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。俄罗斯中央航空发动机研究院还对不同的发动机试车台建立模型进行研究。国内外试车台校准所采用的主要方法有：

（1）标准发动机传递试验校准

这种方法是用一台性能已知的标准发动机在不同的试车台上进行相同内容的试验，从而获取各个试车台上发动机主要性能参数的相对偏差来验证各试车台的测试准确度和测试结果。

国内黎明发动机公司曾经购买了俄罗斯的标准发动机，传递了一台自己的发动机作为标准来标定所有试车台。但是这种方法受标准发动机的状态、运输过程中发动机性能的变化、标定时的环境参数、燃油品质等多种因素影响，而且成本高(购买和维护标准发动机费用、校准试验费用等)，试验难度非常大。

（2）试车台计量标定与对比试验校准

该方法首先对试车台进行计量标定(即用标准的仪器、仪表在现场对测量系统重复进行配套校准，排除粗大误差，确定随机误差和系统误差，最终给出测量系统的总误差)，然后用同一台发动机在两个标定后的试车台上进行对比试验校准，确定试车台的推力、空气质量流量、燃油消耗率、压力、温度、湿度、转速、喷口面积等参数的数据准确度。

中国燃气涡轮研究院的SB101高空台曾经采用这种方法与俄罗斯中央航空发动机研究院的高空台进行过计量标定和对比试验校准，但是其它试车台之间的对比试验校准还没有进行，这对评定各试车台的性能数据带来了许多困难。

（3）用地面露天基准试车台，通过校准发动机对其它各类试车台进行校准

这种方法是用露天基准试车台或经过露天基准试车台校准的室内基准试车台，通过校准发动机对其它各种类型试车台进行校准，以确定被校准试车台的修正值(基准试车与校准试车发动机推力的差值)或修正系数(基准试车与校准试车推力的比值)。

燃油控制系统的总体设计在整个航空发动机试车台中其燃油控制系统起到了一个不可或缺的作用，它为航空发动机在试车台上的正常运行提供了保障。该系统主要实现的功能是给发动机提供一定温度的燃油，由于供给发动机的燃油必须要保持恒定的温度和压力，当供给燃油的温度过低时，发动机会由于达不到燃点导致发动机熄火或者无法启动。这样就会给发动机的寿命和正常工作带来影响，甚至会导致发生安全事故。

该系统应该具有一下的基本特点：

1)具有很高的安全性:由于该系统工作的特殊条件，需要给发动机供给的燃油进行加热，发动机燃油本来就是一种极易燃烧的液体，因此该系统的设计必须考虑安全性，应用安全的方法给燃油加温加压。该设计中采用了隔离加热的方法，将燃油从油箱中抽出，通过换热的形式提高燃油的温度，之后在通过循环油泵将燃油补回系统油箱中。

2)抗干扰能力强;为了保障发动机试车台燃油控制系统的运行稳定，又要保证具有足够高的控制精度，因此该系统必须具有较强的抗干扰能力和完善的抗干扰措施。例如安装AC-AC隔离电源、信号线路外加屏蔽层、强电与弱电之间加装隔离装置等。

3)可维护性强:由于航空发动机试车台燃油控制系统主要的任务是给发动机提供所需的燃油，因此只要试车台进行试验该系统就必须稳定的运行。一旦出现故障必须立马排除迅速完成维护修理，所以该系统必须具有较强的可维护性。这是系统从设计到运行所必须考虑的问题。

通过上述对系统的设计要求和设计的基本原则，最终确定发动机试车台燃油控制系统主要包括以下部分组成，如图所示为发动机试车台燃油控制系统原理图。

1)中央油箱:中央油箱主要负责为系统储存燃油，保证为发动机提供充足的燃油进行试验。油箱中加装了温度传感器，系统通过采集当前油箱温度来控制保持恒定温度。

2)加热循环管路:加热循环管路主要负责给燃油加温，当油箱内的燃油温度过低的时候，系统启动加热循环管路的循环油泵，将燃油从油箱中抽出，燃油将通过循环换热管路以换热的形式提高燃油的温度，这样保证了系统的安全性，最后在通过循环油泵将燃油补回系统油箱中，以达到循环加热的目的。

3)供油和回油管路:供油和回油管路主要负责给试车台上的发动机提供足够的燃油供给，燃油通过供油管路的供油泵提供燃油，系统通过采集当前管线的压力来控制保持恒定。回油管路将发动机用完剩余的燃油补回油箱，已达到回收作用。

4)补油管路:当系统油箱内储存的燃油不足的时候，系统将自动打开补油电磁阀，通过补油管线将燃油箱补满，燃油箱的液位将通过液位传感器采集出模拟量信号传输给PLC来实现自动控制。

图中的发动机所需要的燃油由中央油库供给，中央油库所供的燃油首先需要经过燃油过虑装置，将其中的杂物滤除掉、之后经过补油电磁阀将燃油从中央油库进入燃油箱，油箱上部连通大气，装有一台液位计，控制系统通过采集燃油箱上的液位传感器信号来控制液面高度。当燃油箱内的燃油量过低时，系统会自动启动补油电磁阀向油箱中补充燃油，直到补油补充到规定的位置后，系统关闭电磁阀，使油箱箱中的燃油始终保持恒定。

供油管线将为发动机提供燃油，燃油的压力也必须符合条件，因此需要控制供油泵来保持固定压力，供给发动机的剩余燃油有一部会分通过回流管线将燃油送回燃料箱。当需要加温燃油时，控制系统将会启动循环油泵，将燃油送入加温器里，并且启动加温器给燃油加热，通过燃油箱内的温度变送器来采集当前油箱内的温度，来控制加温循环管路，保证燃油加温精度和加温功率满足系统对温度的要求。2

噪声控制航空发动机台架试车是发动机研制过程中至关重要的环节，贯穿于发动机的预研、研制、生产和使用、改进和改型等全过程。因此，国内外对航空发动机试车台的设计十分重视，投人大量人力物力进行科研攻关，以满足不同类型、型号发动机试车试验要求。然而值得注意的是，在航空发动机试车台的选址和建造过程中，噪声控制俨然已成为试车台建设的一项十分重要的技术内容，以及试车台建设是否符合规范、设计是否先进的重要考核标准。这是由于国内外航空发动机试车台设计规范中，均对操纵间、准备待试间、进排气塔外场30.0 m等处的噪声限值有明确的规定。

航空发动机的噪声与一般声源产生的噪声不同，其具有强度大、声压级高、频谱(带)范围宽、危害广的特点，使得航空发动机试车台的噪声治理难度极大。随着我国对噪声污染问题的日益重视，加之新研制发动机向着流量大、推力高、叶尖马赫数大、喷流排气速度高等方向发展，必将使得航空发动机试车台的噪声控制难度加大，经费耗费巨大。据不完全统计，通常整个试车台降噪设施所需经费约占总基建投资的三分之一。如2007年罗·罗公司建设的58号大型试车台，采用了具有降噪功能的双层顶盖结构(包含11000立方米的混凝土结构及容量达1 000 t的进排气消声装置)，耗费巨大。而我国的上海航空发动机露天试车台和西安266号试车台，建成后因初期选址及论证等原因无法正常投入使用，使国家资源得不到充分合理利用。因此，噪声问题已逐渐在试车台论证初期引起国内外的关注，需要在设计之初就进行详细论证，有针对性地开展降噪设计。

对声源特性的准确把握和合理的降噪设计，是航空发动机试车台降噪的两个关键问题，国内对此进行了大量研究。1993年，张元周对停放在停机坪上的东方航空公司的飞机上的B1213发动机进行了远场噪声测试。1994年，606所对该机远场噪声信号进行了1/3倍频程频谱分析。金业壮等对航空发动机台架试车噪声进行了声压级测量，通过细化谱分析等定性和定量手段，获取了该发动机的声学特性。1996年，孙松岭等对航空发动机试车台试车时发动机产生噪声的机理及频谱特性进行了细致的分析和研究，得到了试车台噪声主要是呈现中高频频率特性、连续宽带的空气动力性噪声的结论。1999年，沙云东等结合涡喷发动机台架试验进行了声强测量和声源识别，讨论了该型发动机的噪声级、主要噪声源及其特征，并进一步指出:低转速时发动机噪声以压气机叶片通过频率处的离散纯音为主，随着转速的增加喷流声上升为主要成分，转速最大时压气机离散纯音在高频段仍有出现，但喷流噪声占绝对主导，喷流噪声峰值频带集中在250-1000 Hz，中间状态时最高声强级达150 dB，最大声功率达160 dB。2006年，黄晶晶等基于航空发动机试车台噪声的声功率谱分析技术，对涡桨发动机试车噪声的声功率谱进行了分析;2012年，王娜等为掌握涡扇发动机在室内试车时的噪声特性，并检验试车台建筑物和各项降噪设备的效果，对某新建试车台的声环境进行了现场测量，获取了试车台内、外环境噪声数据及各项降噪设备的降噪效果。在降噪设计方面，试车台的进/排气消声器是降低发动机噪声对外部污染的重要手段。其中阻性消声器适于降低中、高频噪声，抗性消声器适于降低中、低频噪声。牛延云等针对国内发动机台架试车过程中排气噪声抑制效果差的缺点，突破国内传统工艺，提出一种内插管扩张室消声器，并在606所A109试车台的排气消声塔上得到应用，获取了较好的效果。3