高空模擬試驗中真空度與次流作用力校準(zhǔn)方法的發(fā)展演變
真空度與次流作用力系數(shù)測定是發(fā)動機(jī)高空推力確定的重要內(nèi)容,其校準(zhǔn)方法仍在不斷發(fā)展與完善。介紹了我國真空度與次流作用力校準(zhǔn)方法的發(fā)展過程,依據(jù)作用力系數(shù)校準(zhǔn)時發(fā)動機(jī)是否工作和校準(zhǔn)結(jié)果適用范圍,提出了作用力系數(shù)校準(zhǔn)方法研究的三個發(fā)展階段,及其對應(yīng)的三種校準(zhǔn)方法——點校法、靜校法和動校法。探討了作用力系數(shù)測定方法的校準(zhǔn)過程及其特點,可供發(fā)動機(jī)高空臺試驗和作用力校準(zhǔn)研究參考與借鑒。
1、引言
確定與評估航空發(fā)動機(jī)飛行推力的最通行、最有效方法,就是在直連式高空臺上進(jìn)行發(fā)動機(jī)高空模擬試驗,但要在高空模擬試驗中準(zhǔn)確測量并評估發(fā)動機(jī)的飛行推力仍不容易。一方面,由于發(fā)動機(jī)工作包線范圍寬,同一臺發(fā)動機(jī)最大狀態(tài)推力在其包線范圍內(nèi)的變化可達(dá)10倍以上,使得高精度推力測量系統(tǒng)的構(gòu)建難度增加;另一方面,為模擬發(fā)動機(jī)高空工作環(huán)境并測量其工作特性,高空艙內(nèi)必然存在真空度和冷卻氣流,這將對高空臺推力測量系統(tǒng)及其測量結(jié)果產(chǎn)生影響。因此,高空模擬試驗中直接測量的臺架推力既不是發(fā)動機(jī)總推力,也不是凈推力,需修正才能得到與發(fā)動機(jī)實際工況相符的推力。發(fā)動機(jī)高空模擬試驗中推力確定的重要內(nèi)容之一,就是對真空度與次流作用力的校準(zhǔn)研究。
真空度和次流作用力,分別是由于高空艙內(nèi)外壓差和艙內(nèi)冷卻空氣流動對發(fā)動機(jī)推力測量系統(tǒng)作用而產(chǎn)生的力,二者隨模擬高空工況及臺架預(yù)載系統(tǒng)的差異而有所不同,其總影響在極限高空情況下可超過150 daN。因此,真空度與次流對發(fā)動機(jī)推力測量的影響及校準(zhǔn),是高空臺建設(shè)調(diào)試與使用維護(hù)中需要研究和解決的關(guān)鍵問題。經(jīng)過近半個世紀(jì)的探索實踐,我國在真空度與次流作用影響方面形成了較為成熟可行的校準(zhǔn)方法。從校準(zhǔn)工況一致性和校準(zhǔn)結(jié)果適用范圍看,筆者認(rèn)為作用力影響系數(shù)校準(zhǔn)方法可分為點校法、靜校法和動校法三種。本文旨在闡釋這些方法的應(yīng)用研究背景及我國真空度與次流作用力校準(zhǔn)方法的發(fā)展演變情況,為發(fā)動機(jī)高空臺試驗和作用力校準(zhǔn)提供參考。
2、校準(zhǔn)方法的發(fā)展歷程
2.1、點校法
點校法是點對點校準(zhǔn)方法的簡稱,即對真空度與次流作用力(當(dāng)時合稱為臺架附加阻力)校準(zhǔn)的結(jié)果僅適用特定工況高空性能試驗,其它點還得分別單獨校準(zhǔn)的方法。該方法根源于我國對高空模擬試驗技術(shù)和羅·羅高空臺試驗研究方面的認(rèn)識,是當(dāng)時(從我國高空臺建設(shè)伊始至上世紀(jì)80年代末90年代初)使用的真空度與次流作用力校準(zhǔn)方法。其工作原理見圖1。
圖1 高空臺次流作用力與真空度作用力點校法與動校法原理圖
在高空臺建設(shè)調(diào)試和高空模擬技術(shù)研究早期,雖認(rèn)識到高空艙內(nèi)外壓差與冷卻空氣流動對臺架測力系統(tǒng)有影響,但并不十分清楚其影響規(guī)律和差異。因此,對推力性能準(zhǔn)確度要求較高的高空性能試驗只能采取點校法,即在每個不同高度-速度性能試驗前,在發(fā)動機(jī)靜止和給定模擬高度及冷卻氣流條件下對推力秤進(jìn)行偏離零位的校準(zhǔn),并將該校準(zhǔn)值輸入數(shù)采系統(tǒng)對試驗的推力計算進(jìn)行修正。
點校法的主要步驟為:①用杠桿系統(tǒng)靜態(tài)校準(zhǔn)推力測量系統(tǒng);②試驗前(或校準(zhǔn)前)用杠桿系統(tǒng)預(yù)加載;③起動性能試驗需動用的有關(guān)設(shè)備;④發(fā)動機(jī)起動并暖機(jī)后,在某一中間功率狀態(tài)(一般在高壓轉(zhuǎn)速85%狀態(tài))運轉(zhuǎn);⑤調(diào)節(jié)調(diào)溫、調(diào)壓系統(tǒng)與次流調(diào)節(jié)系統(tǒng),建立高空性能試驗對應(yīng)的發(fā)動機(jī)進(jìn)口總壓、總溫和排氣壓力環(huán)境,穩(wěn)定工作約10 min直至進(jìn)氣管道、穩(wěn)壓室達(dá)到要求的溫度(即發(fā)動機(jī)進(jìn)口總溫),將Pc調(diào)壓系統(tǒng)和次流調(diào)節(jié)系統(tǒng)置為手動調(diào)節(jié),其它調(diào)壓系統(tǒng)處于自動調(diào)節(jié)狀態(tài);⑥發(fā)動機(jī)停車并慢全關(guān)Pc調(diào)壓系統(tǒng)的管路閥門,此時發(fā)動機(jī)進(jìn)口總壓與高空艙內(nèi)環(huán)境壓力相等;⑦記錄臺架測量系統(tǒng)讀數(shù)并計算與試驗前預(yù)加載時讀數(shù)之差(也稱為推力測量系統(tǒng)的零位漂移),該差值(負(fù)值)即為真空度與次流綜合作用于測力系統(tǒng)上的力;⑧用⑦中校準(zhǔn)結(jié)果對該高空條件下試驗測得的推力進(jìn)行修正,可補償真空度與次流作用對發(fā)動機(jī)推力測量的影響。為提高發(fā)動機(jī)性能試驗過程中推力測試結(jié)果精度,通常還要在該壓力條件下,在預(yù)期推力測量范圍內(nèi)對推力測量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn),方法同步驟①、②。
2.2、靜校法
靜校法是靜態(tài)校準(zhǔn)方法的簡稱,即在發(fā)動機(jī)不工作和內(nèi)部沒有氣流流動條件下對真空度與次流作用力(系數(shù))進(jìn)行校準(zhǔn)的方法。從上世紀(jì)90年代初到本世紀(jì)初,基本上都只采用靜校法。該方法根源于我國對高空模擬試驗技術(shù)的深入研究和我國高空臺與俄羅斯高空臺的對比標(biāo)定,是目前使用的規(guī)范方法(企標(biāo))。其工作原理見圖2。
隨著高空模擬技術(shù)研究的深入與發(fā)展,逐漸認(rèn)識到艙內(nèi)真空度與次流對發(fā)動機(jī)推力測量結(jié)果影響的作用機(jī)理不同。真空度作用力與艙內(nèi)外壓差呈線性關(guān)系,因而艙外壓力一定時,真空度作用力表現(xiàn)為與高度(艙內(nèi)壓力)呈線性關(guān)系,因此早期稱之為零位高度(作用);而次流作用力盡管為引起次流動量損失的一部分作用力的反作用力,但其表現(xiàn)為與艙內(nèi)次流的流速和流通面積直接相關(guān),因此早期稱之為高空艙迎風(fēng)阻力。盡管二者作用機(jī)理不同,但可采用相同方法和程序校準(zhǔn)其影響系數(shù)。
靜校法的主要步驟為:①用杠桿系統(tǒng)靜態(tài)校準(zhǔn)推力測量系統(tǒng);②試驗前(或校準(zhǔn)前)用杠桿系統(tǒng)預(yù)加載;③在工藝進(jìn)氣道上安裝堵板;④起動試驗需動用的供油設(shè)備、艙內(nèi)冷卻供氣設(shè)備及相應(yīng)的氣源抽氣設(shè)備和Pd調(diào)壓系統(tǒng);⑤將次流調(diào)節(jié)系統(tǒng)置零位(閥門全關(guān)),調(diào)節(jié)Pd調(diào)壓系統(tǒng),建立不同高空高度環(huán)境并記錄穩(wěn)態(tài)參數(shù),計算出真空度作用力系數(shù);⑥在相應(yīng)高度環(huán)境下,調(diào)節(jié)次流調(diào)節(jié)系統(tǒng),建立不同次流流量下的高空艙內(nèi)流動環(huán)境并記錄穩(wěn)態(tài)參數(shù),計算出次流作用力系數(shù);⑦調(diào)節(jié)Pd調(diào)壓系統(tǒng),使高空艙內(nèi)恢復(fù)地面大氣條件,開艙并拆除堵板,同時將真空度與次流作用力系數(shù)輸入數(shù)采和性能分析系統(tǒng)。
2.3、動校法
動校法是動態(tài)校準(zhǔn)方法的簡稱,即在發(fā)動機(jī)工作條件下對真空度與次流作用力(系數(shù))進(jìn)行校準(zhǔn)的方法。該方法根源于某發(fā)動機(jī)全包線范圍內(nèi)帶可移動插板的壓力畸變試驗需求,以及我國現(xiàn)有高空艙結(jié)構(gòu)在安裝可移動插板條件下難以實施靜校法的客觀現(xiàn)狀。2012年已完成其理論分析與推導(dǎo),并在積極探討該方法的工程適應(yīng)性,經(jīng)過一段時間的有效性驗證后,預(yù)期會對現(xiàn)有的規(guī)范校準(zhǔn)方法(靜校法)進(jìn)行補充和拓展。其工作原理見圖2。
圖2 高空臺次流作用力與真空度作用力靜校法原理圖
盡管靜校法已成為真空度與次流作用力(系數(shù))校準(zhǔn)的通用規(guī)范,但由于堵板的裝拆需要,使得工藝進(jìn)氣道的結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜且試驗效率低。同時,盡管次流作用力不大(對SB101高空臺現(xiàn)有1號艙試驗而言,發(fā)動機(jī)空氣流量120 kg/s 時一般也不到100 N,但相同次流流量在發(fā)動機(jī)靜止與工作條件下的艙內(nèi)流動圖譜顯然不同,因而需要探討次流作用影響的動態(tài)校準(zhǔn)方法。更為重要的是,隨著發(fā)動機(jī)研制對高空模擬試驗科目與內(nèi)容要求的拓展,尤其是某些特定科目試驗時,已有的靜校法就顯得乏力或非常棘手;诖,在對真空度和次流影響及其與發(fā)動機(jī)總推力內(nèi)在聯(lián)系深入分析的基礎(chǔ)上,發(fā)現(xiàn)并提出了不用加裝堵板的動校法。該方法不從作用機(jī)理著手,而從與臺架測量推力和發(fā)動機(jī)總推力的關(guān)系來分析研究真空度與次流作用力,即利用發(fā)動機(jī)在穩(wěn)定工作狀態(tài)下對應(yīng)的發(fā)動機(jī)推力不變和真空度與次流作用力只影響臺架推力測量結(jié)果的關(guān)系,就可在發(fā)動機(jī)工作過程中對其進(jìn)行動態(tài)校準(zhǔn)。
動校法的主要步驟為:①用杠桿系統(tǒng)靜態(tài)校準(zhǔn)推力測量系統(tǒng);②高空校準(zhǔn)試驗前用杠桿系統(tǒng)預(yù)加載,將真空度與次流作用力系數(shù)置為0;③起動高空校準(zhǔn)試驗需動用的有關(guān)設(shè)備;④發(fā)動機(jī)起動并完成暖機(jī),然后按程序調(diào)節(jié)調(diào)壓系統(tǒng)并置于自動狀態(tài),建立高空校準(zhǔn)試驗條件;⑤保持發(fā)動機(jī)狀態(tài)不變,改變次流流量(2~5個),在每個狀態(tài)記錄穩(wěn)態(tài)參數(shù),計算出次流作用力系數(shù);⑥保持發(fā)動機(jī)狀態(tài)不變,調(diào)節(jié)調(diào)壓系統(tǒng)改變校準(zhǔn)試驗的環(huán)境條件(1~3 次),記錄穩(wěn)態(tài)參數(shù),計算出真空度作用力系數(shù);⑦將真空度與次流作用力系數(shù)輸入性能分析模型與計算程序中,同時按程序完成高空校準(zhǔn)試驗的其它內(nèi)容。對同型號發(fā)動機(jī)再次高空臺試驗(指發(fā)動機(jī)車臺安裝結(jié)構(gòu)與氣動布局無變化)或非性能試驗而言,作用力系數(shù)的校準(zhǔn)(步驟⑤、⑥)還可簡化:保持發(fā)動機(jī)狀態(tài)和次流狀態(tài)不變,改變校準(zhǔn)試驗環(huán)境條件(1 次),記錄穩(wěn)態(tài)參數(shù),得到真空度作用力系數(shù);然后改變次流狀態(tài)(1~2次),記錄穩(wěn)態(tài)參數(shù),得到次流作用力系數(shù)。另外,為提高作用力系數(shù)校準(zhǔn)精度,推薦在發(fā)動機(jī)最大連續(xù)或非加力最大狀態(tài)下進(jìn)行校準(zhǔn)。
動校法不僅在發(fā)動機(jī)工作條件下對真空度與次流作用力進(jìn)行系數(shù)校準(zhǔn),保證了高空艙內(nèi)冷卻空氣流動特性在作用力系數(shù)校準(zhǔn)和在發(fā)動機(jī)試驗中的一致性,使得其結(jié)果更為真實、準(zhǔn)確,而且可隨時對作用力系數(shù)進(jìn)行動態(tài)校驗,確保臺架測力系統(tǒng)處于良好工作狀態(tài),后者的工程意義更為顯著。
3、校準(zhǔn)方法對比
點校法和靜校法是從真空度與次流作用機(jī)理著手,而動校法則從真空度與次流作用力對臺架測量推力和發(fā)動機(jī)總推力的影響來分析研究。下面從校準(zhǔn)的環(huán)境一致性、方法復(fù)雜性與約束條件、經(jīng)濟(jì)性、結(jié)果檢驗及應(yīng)用現(xiàn)狀方面探討三者的特點(表1)。
表1 作用力系數(shù)校準(zhǔn)方法的特點
3.1、一致性
動校法是在發(fā)動機(jī)工作條件下對作用力系數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn),其校準(zhǔn)環(huán)境與工作環(huán)境完全一致。點校法和靜校法在發(fā)動機(jī)靜止條件下進(jìn)行校準(zhǔn),此時由于沒有發(fā)動機(jī)排氣射流及其對艙內(nèi)冷卻空氣的引射作用,使得次流在發(fā)動機(jī)噴管出口到擴(kuò)壓器之間的流動圖譜與發(fā)動機(jī)試驗過程中的完全不同,即使在艙內(nèi)壓力和溫度一致的情況下也是如此。但由于發(fā)動機(jī)排氣噴管進(jìn)口下游的艙內(nèi)測試、電氣管線與工藝支架很少,流動圖譜的差異對次流作用力的影響不大,加之次流作用力很小,因而從艙內(nèi)冷卻空氣流動對推力測量臺架的作用而言,點校法與靜校法的艙內(nèi)流動環(huán)境與發(fā)動機(jī)實際試驗中的環(huán)境基本一致。但當(dāng)Pc調(diào)壓系統(tǒng)不具備氣路關(guān)斷功能或發(fā)動機(jī)進(jìn)口封嚴(yán)篦齒環(huán)上游穩(wěn)壓室中存在泄漏時,點校法的校準(zhǔn)環(huán)境與試驗工作環(huán)境的差異會變大,得到的作用力差異也會變大,使得過修正發(fā)動機(jī)推力。可見,從環(huán)境一致性而言,動校法最好,靜校法較好,點校法一般。
3.2、約束條件
點校法要求在對應(yīng)的發(fā)動機(jī)高空性能試驗前進(jìn)行。首先要求發(fā)動機(jī)在高空性能試驗對應(yīng)的高度-速度環(huán)境下穩(wěn)定運行,直至進(jìn)氣管道、穩(wěn)壓室達(dá)到求的溫度(性能試驗對應(yīng)的發(fā)動機(jī)進(jìn)口總溫),然后發(fā)動機(jī)停車并保持次流調(diào)節(jié)閥開度不變進(jìn)行作用力校準(zhǔn),并常在該條件下用杠桿系統(tǒng)靜態(tài)校準(zhǔn)推力測量系統(tǒng)。校準(zhǔn)結(jié)果只適用于一個特定的高度-速度試驗點,其它性能試驗點還得重新單獨校準(zhǔn)。該校準(zhǔn)方法復(fù)雜,并有進(jìn)氣管道與穩(wěn)壓室達(dá)到發(fā)動機(jī)高空試驗要求溫度、進(jìn)氣調(diào)壓系統(tǒng)有關(guān)斷功能(或截止閥)、進(jìn)口封嚴(yán)篦齒環(huán)上游穩(wěn)壓室中無泄漏、只能單點校準(zhǔn)等限制條件。
靜校法要求在發(fā)動機(jī)高空校準(zhǔn)試驗前完成。首先要求在發(fā)動機(jī)進(jìn)口封嚴(yán)篦齒環(huán)上游的工藝進(jìn)氣道上安裝堵板,然后分別校準(zhǔn)真空度和次流作用力系數(shù),校準(zhǔn)完成后拆除堵板。校準(zhǔn)結(jié)果具有通用性,一臺次發(fā)動機(jī)高空臺試驗期間只需進(jìn)行1次校準(zhǔn)。該校準(zhǔn)方法較復(fù)雜,并有在工藝進(jìn)氣道上安裝堵板的限制條件。
動校法要求在發(fā)動機(jī)高空校準(zhǔn)試驗中完成。該方法在發(fā)動機(jī)工作條件下進(jìn)行,只要求保持發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)不變,且可在非發(fā)動機(jī)高空校準(zhǔn)試驗中動態(tài)進(jìn)行。校準(zhǔn)結(jié)果具有通用性。該校準(zhǔn)方法簡單,可動態(tài)校驗。
可見,動校法簡單且無約束條件,點校法復(fù)雜且使用限制條件多,靜校法介于兩者之間。
3.3、經(jīng)濟(jì)性
點校法需要使用與發(fā)動機(jī)高空性能試驗完全相同的設(shè)備,因而動用的資源多,一般為靜校法和動校法的兩倍,甚至更多。一個性能點對應(yīng)作用力校準(zhǔn)的時間一般在0.5~1.5 h,具體視用零位漂移測定還是用杠桿系統(tǒng)靜校推力測量系統(tǒng)而定。但由于點校法的結(jié)果只適用于單一的高空性能試驗點,按通常一臺次高空臺試驗有5~8個性能試驗點計算,其作用力校準(zhǔn)時間達(dá)6.0 h 左右。且作用力校準(zhǔn)在每個性能試驗點之前相繼進(jìn)行,使得發(fā)動機(jī)高空不同狀態(tài)點試驗無法連續(xù)進(jìn)行。因此,點校法動用的設(shè)備資源多、耗時長、經(jīng)濟(jì)性差,使得發(fā)動機(jī)高空模擬試驗的經(jīng)濟(jì)性顯著惡化。
靜校法只使用抽氣設(shè)備,且發(fā)動機(jī)內(nèi)部沒有氣流通過,故使用的抽氣機(jī)組數(shù)量比點校法少得多;通常在試驗準(zhǔn)備階段安裝堵板,完成作用力系數(shù)校準(zhǔn)一般需要2.5~4.0 h(其中1.0~1.5 h 為堵板拆除與設(shè)備恢復(fù)進(jìn)入發(fā)動機(jī)高空校準(zhǔn)試驗的時間)。因此,靜校法動用設(shè)備少,但由于作用力校準(zhǔn)時間較長,加之堵板需要裝拆,其試驗效率與經(jīng)濟(jì)性較差。動校法使用與發(fā)動機(jī)高空校準(zhǔn)試驗相同的設(shè)備,不過目前高空校準(zhǔn)試驗采用大氣供氣,因而動校法使用的抽氣機(jī)組設(shè)備基本與靜校法相同。因動校法在高空校準(zhǔn)試驗中結(jié)合進(jìn)行,無需額外準(zhǔn)備和措施,作用力系數(shù)校準(zhǔn)一般只需要0.25~0.50 h即可完成。而發(fā)動機(jī)每臺次高空臺試驗都需進(jìn)行發(fā)動機(jī)高空校準(zhǔn)試驗,因而動校法動用設(shè)備少,作用力系數(shù)校準(zhǔn)時間短,試驗經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。
可見,動校法動用設(shè)備少且耗時短,點校法動用設(shè)備多且耗時多,靜校法介于二者之間。從經(jīng)濟(jì)性來看,動校法最好,靜校法次之,點校法最差。
3.4、實用性
點校法復(fù)雜且校準(zhǔn)結(jié)果只適用于特定的高度-速度點,工程實用性不好。動校法簡單,靜校法較復(fù)雜,但兩者的校準(zhǔn)結(jié)果具有通用性,因而工程實用性好。但靜校法因?qū)嵤⿻r需安裝堵板,難以在試驗中動態(tài)檢查和校驗作用力系數(shù);點校法盡管可在試驗中隨時檢查和校驗作用力系數(shù),但由于其方法繁瑣且會導(dǎo)致試驗效率顯著下降,校準(zhǔn)結(jié)果只適用于特定點,因而使用操作性不強;動校法易于在試驗中動態(tài)檢查和校驗作用力系數(shù),且校準(zhǔn)中發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)不變,可借此對測力臺架系統(tǒng)的工作情況進(jìn)行判斷,因而使用操作性好。
可見,動校法的動態(tài)校驗性與工程實用性好,點校法的校驗性與實用性差,靜校法的工程實用性好但校驗性不足。
3.5、應(yīng)用現(xiàn)狀
點校法是早期研究真空度與次流對高空臺推力測量系統(tǒng)作用和影響的結(jié)果,并形成了較為成熟的校準(zhǔn)方法,我國上世紀(jì)90 年代初以前就使用該方法。靜校法是當(dāng)前廣泛使用和認(rèn)同的作用力系數(shù)校準(zhǔn)方法,并有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)(企標(biāo))和規(guī)范。動校法是適應(yīng)當(dāng)前發(fā)動機(jī)高空臺試驗科目拓展與特殊試驗科目要求而提出的作用力系數(shù)校準(zhǔn)方法,有嚴(yán)密的理論推導(dǎo)和可行的測定方法,但由于發(fā)動機(jī)高空模擬試驗對性能確定與評估的嚴(yán)肅性,及高空艙內(nèi)流動的復(fù)雜性和發(fā)動機(jī)工作條件的寬泛性,動校法的工程應(yīng)用還需要一定時間的實踐檢驗和規(guī)范。可見,點校法是曾經(jīng)的校準(zhǔn)方法,靜校法是當(dāng)前的規(guī)范校準(zhǔn)方法,動校法是發(fā)展中的校準(zhǔn)方法。
真空度與次流對高空臺推力測量結(jié)果的作用客觀存在,不可避免。準(zhǔn)確、高效地測定真空度與次流作用力系數(shù),是正確確定和評估發(fā)動機(jī)高空推力性能的重要內(nèi)容,也是從事高空模擬試驗技術(shù)研究和參與發(fā)動機(jī)高空臺試驗的相關(guān)人員共同關(guān)注的技術(shù)議題。
本文介紹了我國真空度與次流作用力校準(zhǔn)方法的發(fā)展過程,并基于當(dāng)前在作用力系數(shù)校準(zhǔn)方面的研究現(xiàn)狀,尤其是針對特殊情況下難以采用現(xiàn)行作用力校準(zhǔn)規(guī)范方法時,提出了新的作用力校準(zhǔn)方法——動校法。對比研究表明,動校法的使用限制條件少且試驗經(jīng)濟(jì)性好,值得深入研究和應(yīng)用推廣。