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航空发动机工程通论:10.6.2 试验考核体系分析

时间:2023-07-30 理论教育 版权反馈
【摘要】:可靠性试验主要针对电子产品进行,关键电子产品应进行可靠性鉴定试验,非关键电子产品可进行可靠性分析评估或可靠性评估试验。所有附件均应完成环境试验考核。

航空发动机工程通论:10.6.2 试验考核体系分析

根据对航空发动机技术指标验证试验需求的分析,以及国内外军用航空发动机顶层规范对试验验证的要求,可将全部试验验证按试验类别进行归纳、合并、提炼,归并为材料试验、零部件试验、成附件试验、子系统试验、发动机地面台架试验(含持久试车、专项试车)、高空试验、飞行试验、使用试验、在役考核等九类,其中材料试验、零部件试验、成附件试验、子系统试验(含软件测试)、发动机地面台架试验、高空试验、飞行试验等属于发动机性能试验范畴,各类发动机的主要试验项目或验证内容如下。

10.6.2.1 材料试验

材料试验的主要目的:一是针对尚未在航空发动机上广泛应用的新材料,通过一系列的试验,验证新材料在工作环境下的性能特性以及在发动机使用条件下的适用性、耐久性,为新材料的鉴定提供依据;二是通过试验,为材料(主要是新材料)在航空发动机上的选用提供依据;三是通过试验,为材料或零部件的验收提供依据;四是通过试验,获取零部件的材料性能数据,为零部件的结构完整性试验载荷修正提供依据。

材料试验的项目、内容主要包括:材料试样的机械性能试验,构件模拟试样的机械性能试验,关键重要零件(如钛合金压气机盘和大尺寸风扇叶片、涡轮盘、燃烧室机匣等)的材料机械性能检验试验等。

10.6.2.2 零部件试验

零部件级鉴定试验主要以验证发动机结构完整性为目的。零部件结构完整性试验对发动机鉴定是十分关键且必不可缺的试验内容,是对整机试验验证的重要补充。主要原因:一是,发动机整机试验难以实现对部件极限载荷、破坏载荷的施加或模拟,如轮盘的破裂转速载荷、轴的破坏扭矩载荷、机匣的破坏压力载荷、安装节的极限载荷等;二是,对部分性能和能力的验证,有时以发动机整机试验方式验证存在代价大、成本高、效益低的问题,如转子、轴、机匣的循环疲劳寿命,附件传动装置的耐久性等;三是,部分零部件的性能能力无法通过整机试验进行验证,如叶片的疲劳强度等。

零部件级鉴定试验项目、内容主要包括:

1)叶片疲劳强度、持久强度试验;

2)转子低循环疲劳试验;

3)转子超转试验;

4)轮盘破裂转速试验;

5)轴的破坏扭矩试验;

6)轴的循环疲劳试验;

7)机匣压力试验;

8)机匣低循环疲劳试验;

9)安装节等静子件的极限载荷、限制载荷试验;

10)附件传动装置强度和耐久性试验等。

10.6.2.3 成附件试验

成附件鉴定试验主要包括环境试验、耐久性/寿命试验、可靠性试验,以及其他附加试验(如防/耐火试验等)。具体成附件的鉴定试验项目需根据其使用需求、工作条件及技术特点确定。

环境试验主要验证附件在电磁环境、自然环境及机械环境下的适应能力。电磁环境试验包括电磁兼容试验、高强辐射场(HIRF)试验、雷电试验等;自然环境试验包括低气压(高度)试验、高温试验(包括高温日循环贮存及高温工作循环)、低温试验、温度冲击试验、爆炸性大气试验、湿热试验、霉菌试验、盐雾试验、砂尘试验、温度—高度试验、流体污染试验、淋雨试验等;机械环境试验包括振动试验、机械冲击试验、加速度试验等。

耐久性/寿命试验主要用于考核有寿附件的寿命,通常包括首翻寿命和总寿命。

可靠性试验主要针对电子产品进行,关键电子产品应进行可靠性鉴定试验,非关键电子产品可进行可靠性分析评估或可靠性评估试验。

其他附加试验,主要针对一些附件特殊的工作条件和技术特点提出,如电源特性试验、控制器超温过热试验、燃油泵高空试验、燃油泵超转试验、燃油超温试验、耐压试验、防火/耐火试验、交流发电机试验、压力容器试验(流量、压力和温度循环试验、耐压试验)、轴承断油试验、轴承风车状态试验、空气涡轮起动机输出轴超越旋转试验、包容性试验、抗发动机叶片飞失冲击载荷耐受性试验等。

发动机配套附件大致可分为电子类、电气类和机械类产品。

所有附件均应完成环境试验考核。电子、电气类附件应完成全面的电磁环境、自然环境及机械环境试验考核,机械类附件的环境试验考核以机械环境试验为主。附件环境试验方法可参照GJB 150A《军用装备实验室环境试验方法》[10]或者DO-160 系列标准[11]执行。

所有有寿附件(机械类附件及电子电气附件中的有寿结构件)应完成寿命试验考核。

电子类附件应完成可靠性试验与评估。数字电子控制器应按GJB 899《可靠性鉴定与验收试验》完成可靠性鉴定试验考核,其他非关键电子附件完成可靠性评估试验或可靠性分析评估。

此外,相关附件还应完成部分附加试验,如:燃滑油附件防火/耐火试验;点火系统积垢试验;发电机超转、负载、包容性试验;滑油箱、燃滑油散热器耐压试验,循环疲劳试验;轴承滑油中断试验;空气涡轮起动机输出轴超越旋转试验、包容性试验等。

航空发动机的电子控制器、燃油泵—调节器、空气涡轮起动机、交流发电机、滑油箱、主轴轴承等典型成附件的主要鉴定试验项目可参考表10-4~表10-9。

表10-4 电子控制器鉴定试验项目

表10-5 燃油泵-调节器鉴定试验项目

表10-6 空气涡轮起动机鉴定试验项目

续表

表10-7 交流发电机鉴定试验项目

表10-8 滑油箱鉴定试验项目

表10-9 主轴轴承鉴定试验项目

10.6.2.4 子系统试验(含软件测试)

发动机子系统由多个附件及管路、电缆传感器和软件等组成。与成附件试验相比,子系统试验能更真实地模拟各附件间的关联关系,更准确地验证附件、子系统乃至发动机的能力要求等。子系统试验既是对发动机整机试验、成附件试验的重要补充,也是对发动机子系统进行鉴定的必要依据。

根据发动机各子系统的特点,通常需要对发动机的控制系统、燃油系统、润滑系统、健康管理系统等进行子系统级试验。发动机子系统级的鉴定试验主要包括:

(1)控制系统试验

1)控制系统半物理仿真试验;

2)控制系统硬件(控制器)在回路仿真试验;

3)控制系统电磁兼容性试验;

4)控制系统雷电试验;

5)控制系统抗高强辐射试验;

6)控制系统软件测试(测评)等。

控制系统的主要试验参见GJB 4053《航空发动机数字电子控制系统通用规范》[12]

(2)燃油系统试验

燃油系统污染试验。

(3)润滑系统试验

润滑系统姿态试验。

润滑系统的其他主要试验参见GJB 3057《航空涡轮发动机润滑系统通用规范》[13]

(4)健康管理系统试验

1)健康管理系统电磁兼容性试验;

2)健康管理系统雷电试验;

3)健康管理系统抗高强辐射试验;

4)健康管理系统故障模拟试验;

5)健康管理系统软件测试(测评)等。

10.6.2.5 发动机地面台架试验

发动机地面台架试验以整机为试验对象,主要包括持久试车和专项试验。持久试车可对发动机功能、性能、可靠性、耐久性、适用性等多种能力进行综合验证,持久试车通常由多个试车循环构成,以耐久性验证为主,发动机工作时间通常较长。专项试验主要对发动机的某项能力要求进行专项验证,发动机工作时间通常较短。

发动机地面台架试验主要包括:

(1)性能与适用性验证

1)电源失效试验;

2)飞机系统引气试验;

3)功率分出试验;

4)起动扭矩试验;

5)滑油中断试验;

6)修正系数验证试验;

7)发动机放热和滑油冷却试验;

8)进口气流畸变试验等。

(2)环境适应性验证

1)发动机高低温和高原起动试验;

2)环境结冰试验;

3)抗腐蚀性试验;

4)吞鸟试验;

5)吞冰、吞雹试验;

6)吞砂试验;

7)吞入大气中液态水试验;(www.xing528.com)

8)吞入火药气体试验;

9)吞入蒸汽试验;

10)吞入燃油试验;

11)噪声测量试验;

12)排气污染试验等。

(3)结构完整性验证

1)振动与应力测量试验;

2)发动机压力平衡试验;

3)内部零件温度测量试验;

4)包容性试验;

5)外物损伤试验;

6)发动机超转试验;

7)发动机超温试验;

8)发动机失速与喘振试验;

9)叶片和轮盘变形试验;

10)临界转速试验;

11)转子不平衡试验;

12)转子低循环疲劳试验;

13)高周疲劳试验等。

(4)战斗生存力验证

1)雷达反射截面测量试验;

2)红外辐射测量试验等。

(5)系统适应性验证

1)控制系统试验;

2)超转保护系统试验;

3)超温控制系统试验;

4)矢量喷管试验;

5)反推力装置试验;

6)防冰和除冰系统试验等。

(6)综合能力验证(持久试车)

1)初始飞行前规定持久试车;

2)鉴定持久试车;

3)耐久性试验;

4)加速模拟任务持久试验;

5)维修检查间隔试验等。

10.6.2.6 发动机高空试验

高空试验是在真实高空条件或模拟高空条件下对发动机及其部附件、子系统进行性能和能力验证的试验,通常包括高空模拟试验和飞行台试验。

发动机高空试验验证内容主要应包括:

1)高空性能试验;

2)高空功能及稳定性试验;

3)使用包线摸底试验;

4)推力/功率瞬变试验;

5)空中起动与再起动试验;

6)进气畸变试验;

7)空中风车试验;

8)引气污染分析试验;

9)高原起动试验;

10)高低温起动试验;

11)振动测量试验;

12)发动机放热试验;

13)压力平衡试验;

14)进气加温加压试验;

15)发动机控制系统验证;

16)发动机燃油系统验证;

17)发动机润滑系统验证;

18)发动机健康管理系统验证。

10.6.2.7 发动机飞行试验

飞行试验是在实际装机条件下对发动机及其部附件、子系统进行性能和能力验证的试验。根据GJB 243A—2004《航空燃气涡轮动力装置飞行试验要求》等的规定,发动机飞行试验鉴定内容主要包括:

1)发动机性能特性鉴定试验:地面温度特性鉴定试验,高度—速度特性鉴定试验,性能修正系数测定试验等。

2)发动机工作特性鉴定试验:工作稳定性鉴定试验,风车状态检查,空中起动特性鉴定试验,加减速性鉴定试验,发动机操纵系统、指示系统鉴定试验,动力装置控制系统鉴定试验,加力工作特性鉴定试验,滑油系统工作质量鉴定试验,控制系统鉴定试验,推力矢量喷管鉴定试验,防冰系统鉴定试验,发动机振动测量,武器发射时发动机工作质量鉴定试验,红外辐射测量,发动机可靠性、维修性鉴定试验等。

3)发动机与进气道相容性鉴定试验。

4)发动机与排气系统相容性鉴定试验。

5)涡轴发动机减速装置鉴定试验。

6)发动机高温部件温度测量与动力装置冷却通风系统鉴定试验。

7)监视系统/健康管理鉴定试验。

8)发动机环境适应性试验。

9)“五性”评估等。

10.6.2.8 使用试验

航空发动机作为航空平台的重要子系统,其使用试验的目的是考核在实际使用环境中发动机的部署与快速出动能力、使用效能和复杂使用环境中的适应能力,考核其与平台及武器系统的使用效能和适用性。通过航空发动机的使用试验,还可以为拟订飞行技巧(或战术)、编制人员要求及编制操作维修手册等提供必要的信息。

航空发动机随航空装备开展使用试验时,主要考核评价内容包括:

1)使用适用性:反映在为飞机、直升机等航空装备使用性能提供的支撑能力。内容包括支撑快速出动的能力、支撑任务飞行的能力、支撑使用机动的能力、支撑使用操控的能力、支撑武器发射的能力、支撑装备隐身的能力等。

2)使用环境适应性:发动机在使用使用过程中,适应所处使用环境要求的能力。内容包括自然环境适应性、电磁环境适应性、机械环境适应性等。

3)质量稳定性:指发动机质量特性保持一致性的程度。内容应包括:发动机性能特性与鉴定状态的差异性;多台发动机性能特性的差异性;发动机可靠性、维修性、保障性与鉴定状态的差异性;发动机性能衰减特性与设计状态的差异性;发动机性能随使用条件、环境变化特性与设计状态的差异性等。

4)保障效能;保障效能是在预期或规定的使用条件下由具有代表性的人员对装备实施使用保障、后勤保障和技术保障时,装备得到有效保障的程度。包括油料适应性,可运输性,保障设备、资料、软件适用性,“五性”评估,装机适应性评估,人机工效等。

5)使用效能支持能力:航空装备的使用效能与发动机的高度—速度特性、加减速性、起动特性、雷达与红外隐身性能、可靠性、安全性、维修性等综合性能相关,结合对飞机、直升机等航空装备使用效能的考核,以及对航空发动机使用环境适应性、使用适应性、保障效能、质量稳定性的评价,对航空发动机支撑航空装备实现其使用效能的能力进行评价。

10.6.2.9 在役考核

在役考核是在装备列装服役期间,为检验装备满足用户使用与保障要求的程度所进行的持续性试验鉴定活动。

航空发动机具有技术复杂、研制难度大、周期长的特点,一个新型号的航空发动机从技术研发到鉴定定型往往需要20年左右的周期,即使是型号改进也通常需要10年以上的周期。因此,一般来说,一种发动机开始服役后,要10~20年之后才有新型号发动机可以替换。在此期间,对发动机提高性能或改善某些特殊功能的要求,主要是通过在役发动机的使用考核与改进发展来满足,包括发动机可靠性增长、寿命延长,也包括性能的改进或发动机改型。

发动机批量装备之前,即使安排有使用试验,但存在试验时间有限、参试发动机数量有限、试验环境条件有限等不足,难以全面暴露发动机的深层次问题和缺陷。开展发动机的在役考核十分必要,可以持续提高发动机的用户适应性、质量稳定性,促进航空发动机的升级改进和使用效能的持续提升。

在役考核评价内容:

1)适装性:指发动机适合批量使用的能力,与用户适用性有许多共同之处。适装性也大致可包括飞行环境适应能力、使用适用能力和保障适应能力。

2)安全性、可靠性及完好性:服役期间,借助大批量装备的使用、大量多样化的使用及训练任务,对发动机的安全性、可靠性及完好性进行全面评估。

3)质量稳定性:服役期间,需要持续监测、评估发动机的质量稳定性。内容应包括:发动机性能特性与定型状态的差异性;多台发动机性能特性的差异性;发动机可靠性、安全性、维修性、测试性、保障性的波动性;发动机性能衰减特性与规定状态差异性;发动机性能随使用条件、环境变化特性与规定状态的差异性等。

4)服役期经济性:服役期经济性直接影响其适装性和批量装备能力。发动机服役期的经济性与发动机的采购成本、维修保障成本以及发动机的使用寿命相关。在役考核期间应持续监测发动机及其备件的采购成本,监测发动机的维修保障成本,计算发动机的单位小时费用和寿命周期费用。

注:本章内容的主要素材取自以下参考文献以及若干其他资料。

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