一种民用航空涡扇发动机在露天试车台下的吸雹试验方法

摘要

本发明公开一种民用航空涡扇发动机在露天试车台下的吸雹试验方法，内容包括发动机吸雹试验点确认，冰雹速度、冰雹数量确认方法，冰雹速度测量、冰雹撞击位置准确度测量及确认方法，发动机吸雹试验流程和符合性判据。该吸雹试验方法适用于民用涡扇发动机露天试车台吸雹试验，吸雹试验分为单次吸雹试验、连续吸雹试验；单次吸雹试验为发动机吸入单个大冰雹的演示验证试验，连续吸雹试验为发动机连续吸入大量小尺寸冰雹的演示验证试验。采用该吸雹试验方法可以满足适航取证(合格审定)吸雹试验的要求，且该试验方法安全、可靠，发动机状态考核全面，符合CCAR‑33要求。

说明书

技术领域

本发明涉及但不限于发动机的环境吞咽技术领域，尤指一种民用航空涡扇发动机在露天试车台下的吸雹试验方法。

背景技术

飞机在实际飞行过程中，难免会遇到冰雹环境的恶劣天气，飞机如果遭遇这类恶劣环境，其配装的发动机必定会吸入大尺寸冰雹或大量小尺寸冰雹。大尺寸冰雹进入发动机，撞击风扇叶片，会对叶片结构强度造成影响，以下简称为单次冰雹。连续小尺寸冰雹进入发动机后，会对发动机热力循环稳定性造成影响，造成发动机工作不稳定，甚至引起发动机喘振熄火等事故，影响飞行的安全，以下简称连续冰雹。因此，发动机在设计研制和审定定型阶段必须要考虑吸入冰雹的影响，进行冰雹吸入的考核验证试验，以确定其能够满足和应对环境因素的异常变化，保证飞机和机上人员的安全。

发动机在吸入冰雹后其工作特性的改变是及其复杂的，因此单纯依靠仿真模拟、理论分析的手段来难以表明其适航条款的符合性，因此，需要通过试验的方式，来检验考核发动机的抗吸雹能力，验证其能否达到适航的要求。

目前，民用航空发动机在国内尚未进行过发动机的吸雹取证试验，发动机的吸雹取证试验方法在国内的应用尚属空白。

发明内容

本发明的目的：本发明创造的目的是提供一种民用航空涡扇发动机在露天试车台下的吸雹试验方法，满足适航取证(合格审定)吸雹试验的要求。。

本发明的技术方案：本发明实施例提供一种民用航空涡扇发动机在露天试车台下的吸雹试验方法，包括：

步骤1，确定发动机吸雹试验的试验点，所述试验点为发动机状态最恶劣的工作点；

步骤2，确定单次吸雹试验中的试验参数，所述试验参数包括单次冰雹的速度、大小及相应的数量；

步骤3，确定连续吸雹试验中的试验参数，试验参数包括连续吸雹试验中的连续冰雹量；

步骤4，通过步骤2确定出的试验参数进行单次吸雹试验，发动机进行单次吸雹试验的方式为：发动机起动并在试验点下稳定工作后，依据步骤2确定出的试验参数，通过单次抛雹装置将单次冰雹抛投到发动机进气道；

步骤5，通过步骤3确定出的试验参数进行连续吸雹试验，发动机所进行的连续吸雹试验包括：稳态连续吸雹试验、加速连续吸雹试验和减速连续吸雹试验；

步骤6，对单次抛雹试验和连续吸雹试验进行符合性判定。

可选地，如上所述的民用航空涡扇发动机在露天试车台下的吸雹试验方法中，所述步骤1包括：

建立试验发动机仿真模型，通过仿真计算，得到发动机在吸雹时，将发动机状态最恶劣的工作点作为试验点；

其中，步骤1中所确定的吸雹试验的试验点包括单次吸雹试验的试验点和连续吸雹试验的试验点。

可选地，如上所述的民用航空涡扇发动机在露天试车台下的吸雹试验方法中，所述步骤4中发动机进行单次吸雹试验的过程包括：

步骤41，发动机按照正常工作流程起动，发动机在试验点下稳定工作；

步骤42，启动单次抛雹装置，并以步骤3调试得到的试验指标运行单次抛雹装置，依据步骤2确定出的试验参数，在1s内将单次冰雹抛投到发动机进气道；

步骤43，抛投冰雹结束后，发动机保持油门杆位置不变，稳定工作1min～3min后，发动机按照正常工作流程停车。

可选地，如上所述的民用航空涡扇发动机在露天试车台下的吸雹试验方法中，所述步骤5中的稳态连续吸雹试验的过程包括：

发动机按照正常工作流程起动，发动机在试验点稳定工作，进行30s连续吸雹试验，吸雹结束后，发动机保持油门杆位置不变，稳定工作1min～3min后，发动机按照正常工作流程停车。

可选地，如上所述的民用航空涡扇发动机在露天试车台下的吸雹试验方法中，所述步骤5中的加速连续吸雹试验的过程包括：

发动机按照正常工作流程起动，发动机在试验点稳定工作，启动连续抛雹装置，在连续吸雹过程中，在1秒内推动油门杆将发动机从空慢状态调整至起飞状态，推动油门杆的过程中持续吸雹，吸雹量为试验点对应的吸雹量，持续吸雹30秒后，关闭连续抛雹装置，吸雹结束后，发动机保持油门杆位置不变，稳定工作1min～3min后，发动机按照正常工作流程停车。

可选地，如上所述的民用航空涡扇发动机在露天试车台下的吸雹试验方法中，所述步骤5中的减速连续吸雹试验的过程包括：

发动机按照正常工作流程起动，发动机在50％起飞状态稳定工作，启动连续抛雹装置，在连续吸雹过程中，1秒内拉回油门杆将发动机从50％起飞状态调整至试验点，拉回油门杆的过程中持续吸雹，吸雹量为试验点对应的吸雹量，持续吸雹30秒后，关闭连续抛雹装置，吸雹结束后，发动机保持油门杆位置不变，稳定工作1min～3min后，发动机按照正常工作流程停车。

可选地，如上所述的民用航空涡扇发动机在露天试车台下的吸雹试验方法中，所述步骤4之前，还包括：

步骤2a，通过步骤2确定出的试验参数对用于进行单次吸雹试验的单次抛雹装置进行调试，并在调试中测量单次抛雹装置的试验指标，试验指标包括测量单次冰雹速度，以及测量单次冰雹撞击位置的准确度；

所述步骤4包括：通过步骤2确定出的试验参数和步骤2a中调试得到的试验指标进行单次吸雹试验；其中，在启动单次抛雹装置后，以步骤2a调试得到的试验指标运行单次抛雹装置。

可选地，如上所述的民用航空涡扇发动机在露天试车台下的吸雹试验方法中，所述步骤5之前，还包括：

步骤3a，通过步骤3确定出的试验参数对用于进行连续吸雹试验的连续抛雹装置进行调试，并在调试中确定连续抛雹装置在30s抛雹过程中的冰雹抛射量；

所述步骤5包括：通过步骤3确定出的试验参数和步骤3a中调试得到的冰雹抛射量，进行连续吸雹试验；其中，在启动连续抛雹装置后，以步骤3a调试确定出的冰雹抛射量运行连续抛雹装置。

可选地，如上所述的民用航空涡扇发动机在露天试车台下的吸雹试验方法中，所述步骤6包括：

在每次吸雹试验结束后，对发动机进行以下项目的判定，并根据判定结果确定发动机是否符合预制的吸雹试验要求。

可选地，如上所述的民用航空涡扇发动机在露天试车台下的吸雹试验方法中，步骤6中符合性判定包括以下判定内容：

确定发动机不熄火、不降转、不发生持续的喘振或失速、不发生不可恢复的喘振或失速，且不失去加速和减速的能力。

确定发动机没有不可接受的机械损坏；

确定发动机不可接受的功率或推力损失或其他不利的发动机异常情况。

本发明的优点：本发明实施例提供的一种民用航空涡扇发动机在露天试车台下的吸雹试验方法，内容包括发动机吸雹试验点确认，冰雹速度、冰雹数量确认方法，冰雹速度测量、冰雹撞击位置准确度测量及确认方法，发动机吸雹试验流程和符合性判据。该吸雹试验方法适用于民用涡扇发动机露天试车台吸雹试验，吸雹试验分为单次吸雹试验、连续吸雹试验；单次吸雹试验为发动机吸入单个大冰雹的演示验证试验，连续吸雹试验为发动机连续吸入大量小尺寸冰雹的演示验证试验。采用该吸雹试验方法可以满足适航取证(合格审定)吸雹试验的要求，且该试验方法安全、可靠，发动机状态考核全面，符合CCAR-33要求。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1为本发明实施例提供的一种民用航空涡扇发动机在露天试车台下的吸雹试验方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的吸雹试验方法中发动机单次吸雹试验的原理示意图；

图3为本发明实施例提供的吸雹试验方法中发动机稳态连续吸雹试验的原理示意图；

图4为本发明实施例提供的吸雹试验方法中发动机加速连续吸雹试验的原理示意图。

图5为本发明实施例提供的吸雹试验方法中发动机减速连续吸雹试验的原理示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

CCAR-33《航空发动机适航规定》第33.78条款中要求，民用发动机在取得适航认证时，需要进行发动机吸雹试验考核。为满足适航取证的要求，目前急需建立一套民用航空发动机吸雹试验方法。本发明实施例在露天试车台的试验条件下，通过发动机吸雹试验，验证发动机是否满足适航要求。

本发明实施例一种民用航空涡扇发动机在露天试车台下的吸雹试验方法，包括：确定发动机吸雹试验点，确定单次冰雹速度、大小和数量，测量单次冰雹速度、以及测量单次冰雹撞击位置的准确度，确定连续冰雹量，根据上述确定的参数执行单次吸雹试验和连续吸雹试验，并在吸雹试验后对发动机进行符合性判据。本发明实施例提供的吸雹试验方法应可以用于民用航空涡扇发动机露天试车台吸雹试验中，用于考核发动机是否满足CCAR-33《航空发动机适航规定》中33.78条款要求。

本发明提供以下几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

本发明实施例提供的一种民用航空涡扇发动机在露天试车台下的吸雹试验方法，该吸雹试验方法可以包括如下步骤：

步骤1，确定发动机吸雹试验的试验点，该试验点为发动机状态最恶劣的工作点；

步骤2，确定单次吸雹试验中的试验参数，试验参数包括单次冰雹的速度、大小及相应的数量；

步骤3，确定连续吸雹试验中的试验参数，试验参数包括连续吸雹试验中的连续冰雹量；

步骤4，通过步骤2确定出的试验参数进行单次吸雹试验，发动机进行单次吸雹试验的方式为：发动机起动并在试验点下稳定工作后，依据步骤2确定出的试验参数，通过单次抛雹装置将单次冰雹抛投到发动机进气道；

步骤5，通过步骤3确定出的试验参数进行连续吸雹试验，发动机所进行的连续吸雹试验包括：稳态连续吸雹试验、加速连续吸雹试验和减速连续吸雹试验；

步骤6，对单次抛雹试验和连续吸雹试验进行符合性判定。

图1为本发明实施例提供的一种民用航空涡扇发动机在露天试车台下的吸雹试验方法的流程图。如图1所示，以下分别对本发明实施例中的各步骤的具体实施方式进行说明。该吸雹试验方法包括如下步骤：

步骤1，确定发动机吸雹试验的试验点，该试验点为发动机状态最恶劣的工作点，该试验点也称为临界点。

该步骤1中确定试验点的实施方式为：建立试验发动机仿真模型，通过仿真计算，得到发动机在吸雹时，将发动机状态最恶劣的工作点作为试验点，工作点表示发动机的推力状态或功率状态。

需要说明的是，该步骤1中所确定的吸雹试验的试验点包括单次吸雹试验的试验点和连续吸雹试验的试验点。

步骤2，确定单次吸雹试验中的试验参数，该试验参数包括单次冰雹的速度、大小及相应的数量。

单次冰雹速度通过民航飞机在4500m高空的典型飞行速度进行确认，单次冰雹数量按照CCAR-33中规定，按照发动机进气道面积进行确认。例如，对于某型发动机进气道，确定出的单次冰雹大小包括:直径为25mm和50mm两种大小的冰雹，根据进气道面积可以确定出单次冰雹的数量，例如，对于截面为0.3m

步骤3，确定连续吸雹试验中的试验参数，该试验参数包括连续吸雹试验中的连续冰雹量，该连续冰雹量为瞬态冰雹质量流量。

该步骤3中，确定发动机连续吸雹试验中的连续冰雹量，需考虑发动机在高空中飞行时的集水系数、高空中冰雹水含量、高空中的空气密度的影响。所确定的连续吸雹试验中连续冰雹量的计算方法为：

其中，K为气动系数，对应空气来说取常量，K＝0.04042，p

其中，γ为比热比，γ为常数，取值为γ＝1.4。

本发明实施例在实际应用过程中，在执行步骤4的单次吸雹试验前，还可以执行步骤2a。

步骤2a，通过步骤2确定出的试验参数对用于进行单次吸雹试验的单次抛雹装置进行调试，并在调试中测量单次抛雹装置的试验指标，包括测量单次冰雹速度，以及测量单次冰雹撞击位置的准确度。

在发动机进气道正前方布置高速摄像机对冰雹撞击过程的影像进行记录，在侧方布置高速摄像机对冰雹离开炮管后在空中飞行轨迹的影响进行记录。通过标校技术对单次冰雹抛射运动中的空间点坐标进行校准，结合记录影像测量单次冰雹速度及单次冰雹撞击位置的准确程度。

步骤4，通过步骤2确定出的试验参数和步骤2a中调试得到的试验指标进行单次吸雹试验，发动机进行单次吸雹试验的流程包括如下步骤：

(1)发动机按照正常工作流程起动，发动机在试验点(临界点)下稳定工作后进行发动机的性能录取；

(2)启动单次抛雹装置，并以步骤2a调试得到的试验指标运行单次抛雹装置，依据步骤2确定出的试验参数，在1s内将单次冰雹抛投到发动机进气道；

(3)抛投冰雹结束后，发动机保持油门杆位置不变，稳定工作1min～3min后，发动机按照正常工作流程停车。

如图2所示，为本发明实施例提供的吸雹试验方法中发动机单次吸雹试验的原理示意图。

本发明实施例在实际应用过程中，在执行步骤5的连续吸雹试验前，还可以执行步骤3a。

步骤3a，通过步骤3确定出的试验参数对用于进行连续吸雹试验的连续抛雹装置进行调试，并在调试中确定连续抛雹装置在30s抛雹过程中的冰雹抛射量，该冰雹抛射量为在30s抛射过程中的累积冰雹量。

在具体实现中，通过在冰雹抛射管出口布置冰雹收集装置，在抛射过程结束后，对所收集的冰雹进行称重。

步骤5，通过步骤3确定出的试验参数和步骤3a中调试得到的冰雹抛射量，进行连续吸雹试验，发动机所进行的连续吸雹试验的包括以下几个方面的试验内容：

(1)稳态连续吸雹试验：发动机按照正常工作流程起动，发动机在试验点(临界点)稳定工作后进行发动机的性能录取，启动连续抛雹装置，进行30s连续吸雹试验，吸雹结束后，发动机保持油门杆位置不变，稳定工作1min～3min后，发动机按照正常工作流程停车。如图3所示，为本发明实施例提供的吸雹试验方法中发动机稳态连续吸雹试验的原理示意图。

(2)加速连续吸雹试验：发动机按照正常工作流程起动，发动机在试验点(临界点)稳定工作，启动连续抛雹装置，在连续吸雹过程中，在1秒内推动油门杆将发动机从空慢状态调整至起飞状态，该推动油门杆的过程中持续吸雹，吸雹量为试验点(临界点)对应的吸雹量，持续吸雹30秒后，关闭连续抛雹装置，吸雹结束后，发动机保持油门杆位置不变，稳定工作1min～3min后，发动机按照正常工作流程停车。如图4所示，为本发明实施例提供的吸雹试验方法中发动机加速连续吸雹试验的原理示意图。

上述加速连续吸雹试验的过程中，在发动机稳定工作后进行发动机的性能录取，通常为30s，并在性能录取过程中，1秒内推动油门杆将发动机从空慢状态调整至起飞状态，随后，在持续吸雹30开始前，将发动机重新调整至空慢状态。

(3)减速连续吸雹试验：发动机按照正常工作流程起动，发动机在50％起飞状态稳定工作，启动连续抛雹装置，在连续吸雹过程中，1秒内拉回油门杆将发动机从50％起飞状态调整至试验点(临界点)，该拉回油门杆的过程中持续吸雹，吸雹量为试验点(临界点)对应的吸雹量，持续吸雹30秒后，关闭连续抛雹装置，吸雹结束后，发动机保持油门杆位置不变，稳定工作1min～3min后，发动机按照正常工作流程停车。如图5所示，为本发明实施例提供的吸雹试验方法中发动机减速连续吸雹试验的原理示意图。

上述减速连续吸雹试验的过程中，在发动机稳定工作后进行发动机的性能录取，通常为30s，并在性能录取过程中，1秒内拉回油门杆将发动机从50％起飞状态调整至试验点，随后，在持续吸雹30开始前，将发动机重新调整至50％起飞状态。

需要说明的是，上述步骤5的多种连续吸雹试验过程中，在启动连续抛雹装置后，以步骤3a调试确定出的冰雹抛射量运行连续抛雹装置。

步骤6，对单次抛雹试验和连续吸雹试验中的发动机进行符合性判定；

在每次吸雹试验结束后，对发动机进行以下项目的判定，并根据判定结果确定发动机是否符合CCAR-33《航空发动机适航规定》中第33.78条款对吸雹试验的要求。符合性判定包括以下几方面判定内容：

确定发动机不熄火、不降转、不发生持续的喘振或失速、不发生不可恢复的喘振或失速，且不失去加速和减速的能力。

确定发动机没有不可接受的机械损坏；

确定发动机不可接受的功率或推力损失或其他不利的发动机异常情况。

以下对本发明实施例提供的吸雹试验方法的各步骤的一些可能的实施方式进行说明。

在步骤1所确定出单次吸雹试验的试验点为发动机最大连续工作状态，连续吸雹试验的试验点(临界点)为发动机的空中慢车状态。

在步骤3中，使用高速摄像机记录影像，需在静态条件下对单次冰雹抛射运动中的空间位置进行标校。

在步骤4中，为了简化连续冰雹量的计算过程。可以将连续吸雹量设定为发动机空气流量的2％。

在步骤5、步骤7中的试验流程中包含发动机起动、吸雹和停车过程，未包含发动机起动后的暖机过程。

在步骤7中的连续吸雹试验，连续冰雹的直径一般为12.5mm～13.0mm。

在步骤1中建立模型还可以使用性能仿真模型，评估发动机最恶劣的工作状态。

在步骤1中所述最恶劣工作点包括喘振、熄火、结构损伤。

在步骤1中数值仿真计算具体为使用Fluent、CFX等软件进行仿真计算。

以下通过一个具体实施示例对本发明实施例提供的民用航空涡扇发动机在露天试车台下的吸雹试验方法的实施方式进行说明。

在民用航空发动机适航取证“吸雨吸雹”中，在露天试车台安装试验发动机，首先进行发动机的性能录取试验。然后按照本专利试验方法，将人工制作冰雹通过单次抛雹装置，将单次冰雹抛射进入到发动机进口；通过连续抛雹装置，将连续冰雹抛射至发动机进口。试验发动机在吸雹过程中，发动机不熄火、不降转、不发生持续或不可恢复的喘振或失速，或不失去加速和减速的能力。试验的同时，试车台架采集记录发动机吸雹时的性能参数，结合前期录取的发动机性能，判定发动机是否满足适航要求。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。