王潤明，羅毅

(中國燃氣渦輪研究院航空發(fā)動機高空模擬航空科技重點實驗室，四川成都610500)

航空發(fā)動機推力測量臺架動架支撐方式研究

王潤明，羅毅

(中國燃氣渦輪研究院航空發(fā)動機高空模擬航空科技重點實驗室，四川成都610500)

為提高發(fā)動機推力測量精度，從推力測量臺架設計和推力測量系統(tǒng)校準角度出發(fā)，首先介紹了影響航空發(fā)動機推力測量精度的主要因素及推力測量臺架；然后分析了不同動架支撐方式對臺架剛度系數(shù)的影響，及發(fā)動機推力、動架支撐方式和臺架剛度系數(shù)三者之間的內在聯(lián)系，闡明了不同校準方式對動架支撐方式的決定性影響；最后總結了推力測量臺架設計應遵守的優(yōu)選原則。

航空發(fā)動機；試車臺；推力測量臺架；動架支撐方式；剛度系數(shù)

1 引言

推力是渦噴/渦扇發(fā)動機最為重要的技術指標。對發(fā)動機不同工作狀態(tài)或飛行狀態(tài)下的推力進行準確測量，是航空發(fā)動機試車臺設計、發(fā)動機試驗與測試的重要內容。為此，航空發(fā)動機試車臺設計、試驗及測試專家，對減小或消除影響推力測量誤差的各種因素進行了大量研究[1～5]。

影響發(fā)動機推力測量準確性的因素很多，但主要有：試驗艙或試驗間的氣動特性，臺架迎風面積，臺架類型、結構形式和臺架剛度系數(shù)，發(fā)動機工藝和測量管線阻力，臺架校準精度，推力測量系統(tǒng)本身的精度等。其中，試車臺臺架類型、具體結構形式和臺架剛度系數(shù)對發(fā)動機推力測量的準確性有著至關重要的影響。本文對推力測量臺架動架的支撐方式進行了深入研究。

2 推力測量臺架

渦噴/渦扇發(fā)動機推力測量臺架是布置在試驗艙或試驗間中，用于固定發(fā)動機，實現(xiàn)發(fā)動機推力、空氣流量等參數(shù)測量的重要設備。推力測量臺架主要由動架、定架、彈簧片、推力測量與校準系統(tǒng)、發(fā)動機安裝架等組成(圖1)。

圖1 臺架校準狀態(tài)Fig.1 Test bench calibration

在發(fā)動機推力測量臺架設計方面，國內沒有專著，有關設計手冊和標準也不夠系統(tǒng)、全面。為便于理解，特作以下定義：

動架支撐方式是指動架通過彈簧片在定架上的安裝(支撐)形式。

臺架剛度系數(shù)指在發(fā)動機軸線方向動架發(fā)生單位位移時，全部彈簧片對動架施加的阻力，N/mm。其不包含測量管線阻力，包含彈簧片和測量管線阻力在內的臺架總剛度系數(shù)稱作臺架阻力系數(shù)[6]。

彈簧片剛度系數(shù)指在發(fā)動機軸線方向動架發(fā)生單位位移時單塊彈簧片對動架施加的阻力，N/mm?？傮w而言，彈簧片剛度有縱向、橫向和側向之分，縱向和側向剛度主要在臺架強度計算時使用，橫向剛度主要在試車臺設計和靜態(tài)校準時使用。本文彈簧片剛度系數(shù)指彈簧片橫向剛度系數(shù)。

在只測量發(fā)動機軸向推力的單分力測量試車臺上，都使用了板式彈簧片(圖2)。其總剛度與彈簧片的幾何尺寸和縱向作用力N密切相關。

圖2 彈簧片簡圖Fig.2 Sketch of leaf spring

由彈簧片特性可知，彈簧片固有剛度k1為彈簧片幾何尺寸的函數(shù)，與材料彈性模量E成線性關系：

作用力附加剛度k2與N成線性關系，并與N的作用方向和彈簧片幾何尺寸相關：

彈簧片總剛度k為彈簧片固有剛度和作用力附加剛度之和：

式(1)～式(3)中：h代表彈簧片的幾何尺寸和幾何形狀(微觀不平度和不平行度等)。式(3)中，彈簧片受壓時N取正值，彈簧片受拉時N取負值。

在臺架設計時，必須充分利用彈簧片的上述特性進行平衡設計，在保證彈簧片具有足夠的縱向和側向剛度的前提下，力求橫向剛度系數(shù)最小。

3 動架支撐方式對臺架剛度系數(shù)的影響

航空發(fā)動機推力測量臺架有懸掛式臺架和支撐式臺架兩種[7]。露天臺中普遍使用懸掛式臺架，高空模擬試驗艙中普遍使用支撐式臺架。動架支撐方式是影響發(fā)動機臺架推力測量精度的主要因素。

根據(jù)靜態(tài)(發(fā)動機停車狀態(tài))時前后彈簧片受力的不同，可將動架的支撐方式分為全掛式(四塊彈簧片均受拉力)、全支式(四塊彈簧片均受壓力)、前掛后支式(前面兩塊彈簧片受拉力，后面兩塊彈簧片受壓力)和前支后掛式(前面兩塊彈簧片受壓力，后面兩塊彈簧片受拉力)四種類型，如圖3所示。

圖3 動架支撐方式Fig.3 Diverse supporting methods for movable stand

3.1 從靜態(tài)看動架支撐方式的選取

假設彈簧片材料、幾何尺寸、前后彈簧片間距等其它條件不變。由前文可知：靜態(tài)時全支式臺架剛度系數(shù)最小，全掛式臺架剛度系數(shù)最大。因此，僅從靜態(tài)角度講，臺架設計應首選全支式。

3.2 發(fā)動機推力對動架支撐方式的影響

當發(fā)動機處于工作狀態(tài)時，發(fā)動機推力的作用結果，相當于對臺架施加了一個翻轉力矩。該力矩在前彈簧片中轉化為附加壓力，在后彈簧片中轉化為附加拉力。因此，推力的作用將減小前面兩塊彈簧片的剛度系數(shù)，增加后兩塊彈簧片剛度系數(shù)。若前、后彈簧片的材料和幾何形狀完全一致(至目前為止，在實際應用中，除存在微觀的幾何差別外，完全符合)，發(fā)動機推力對臺架剛度系數(shù)的影響與動架的支撐方式密切相關。

當動架支撐方式為全支式或全掛式時，發(fā)動機推力的有無及大小，并不改變臺架剛度系數(shù)。因為翻轉力矩加在前彈簧片的壓力和加在后彈簧片的拉力大小相等、方向相反，四塊彈簧片的幾何形狀確定后，k1和作用力附加剛度項f2(h)均相等。所以忽略彈簧片剛度系數(shù)個體差異后，臺架剛度系數(shù)為：

式中：ΔN為翻轉力矩加在彈簧片的力，Nq、Nh分別為靜態(tài)時單塊前彈簧片和單塊后彈簧片受到的縱向作用力。這些力包括發(fā)動機、動架、發(fā)動機安裝架和空氣流量管等重力作用的總和。顯然，臺架剛度系數(shù)與ΔN無關。

同理，當動架支撐方式為前支后掛式時，臺架剛度系數(shù)為：

當動架支撐方式為前掛后支式時，臺架剛度系數(shù)為：

因此，若只考慮發(fā)動機推力的影響，為減小臺架剛度系數(shù)，動架支撐方式應首選前支后掛式。

3.3 從靜態(tài)校準看動架支撐方式的選取

圖1示出了在支撐式臺架上采用平行校準方式的一種臺架布置方案。該方案中，動架通過彈簧片與定架相連，航空發(fā)動機通過發(fā)動機安裝架固定在動架上。當發(fā)動機試驗時，發(fā)動機產(chǎn)生的推力F通過測力傳感器進行測量。

當臺架受發(fā)動機推力作用后，動架及發(fā)動機在推力作用方向上有一位移(位移大小取決于測力傳感器和系統(tǒng)的剛性，一般在0.5 mm內)，從而導致彈簧片和工藝測量管線在該方向上對動架施加反作用力。為消除或減小該作用力對發(fā)動機推力測量的影響，目前采取的措施主要有兩種，一是盡量減小彈簧片和工藝測量管線的阻力，二是在發(fā)動機試驗前用一標準力(圖1中校準傳感器的讀數(shù))對推力測量系統(tǒng)進行校準，提高發(fā)動機推力測量精度。發(fā)動機試驗時，加載裝置要與校準傳感器脫開。

靜態(tài)校準方式主要有平行校準和中心校準兩種。平行校準是指用于靜態(tài)校準的標準力與發(fā)動機推力位于同一鉛垂面內，且兩個力的作用線相互平行但有一定距離，推力測量傳感器的軸線往往與標準力同軸，見圖1。中心校準是指靜態(tài)校準時的標準力與發(fā)動機軸線(推力)位于同一直線上。

從前文分析可知，當動架支撐方式為全支式或全掛式時，標準力或發(fā)動機推力的作用并不改變臺架剛度系數(shù)，即全支式或全掛式臺架適合任何一種靜態(tài)校準方式。

當動架支撐方式為前支后掛式或前掛后支式時，標準力或發(fā)動機推力的作用，對臺架剛度系數(shù)影響顯著。若采用平行校準，即使標準力與發(fā)動機推力相等，由于標準力的作用位置與發(fā)動機推力的作用位置存在差異，校準時的臺架剛度系數(shù)與發(fā)動機工作時的臺架剛度系數(shù)完全不同，因此校準無意義。若采用中心校準，由于標準力的作用位置與發(fā)動機推力的作用位置完全相同，校準時標準力可完全模擬發(fā)動機推力，因此適合各種動架支撐方式。但從精細化設計角度考慮，當采用中心校準方式時，動架支撐方式應優(yōu)先選擇前支后掛式。

4 結論

(1)在航空發(fā)動機推力測量臺架中，聯(lián)接動架與定架的彈簧片剛度系數(shù)，與彈簧片的幾何尺寸及縱向作用力密切相關。

(2)動架支撐方式對臺架剛度系數(shù)有著本質影響，為提高發(fā)動機推力測量精度，臺架設計時要綜合考慮。

(3)發(fā)動機推力對全支式或全掛式臺架的剛度系數(shù)無影響，但對前支后掛式或前掛后支式臺架的剛度系數(shù)影響巨大。

(4)靜態(tài)校準方式對動架支撐方式的選擇具有決定性作用。采用平行校準時，動架支撐方式必須選擇全掛式或全支式；采用中心校準時，動架支撐方式不受限制。

(5)從精細化設計角度考慮，采用平行校準時，應優(yōu)先選擇全支式；采用中心校準時，應優(yōu)先選擇前支后掛式。

(6)無論采用何種動架支撐方式或如何設計臺架，臺架剛度系數(shù)的大小都是檢驗臺架設計好壞的重要指標，航空發(fā)達國家在行業(yè)標準中都明確規(guī)定了最高限制。

[1]楊志軍，陳建民.高空臺推力測量的標定及發(fā)動機飛行推力的確定[J].燃氣渦輪試驗與研究，1995，8(2)：26— 30.

[2]朱青，徐建陽.CS-01高空臺推力測量和校準裝置研制[J].燃氣渦輪試驗與研究，2002，15(3)：38—42.

[3]楊生發(fā)，樊丁，李元業(yè).發(fā)動機推力測量新型校準裝置研制[J].西北工業(yè)大學學報，1997，15(3)：338—342.

[4]焦獻瑞.航空發(fā)動機試車臺架推力測量誤差[J].航空技測技術，1995，15(2)：20—22.

[5]黃知濤，胡正峰，郭偉民.W2P1微型渦噴發(fā)動機地面試車臺推力測量系統(tǒng)[J].測控技術，1999，18(9)：40—41.

[6]HB6882-1993，渦噴渦扇發(fā)動機試車臺架推力測量系統(tǒng)校準[S].

[7]陳益林.航空發(fā)動機試車工藝[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010.

Supporting Methods for Movable Stand of Aero-Engine Thrust Measurement Test Bench

WANG Run-ming，LUO Yi
(China Gas Turbine Establishment，Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Aero-Engine Altitude Simulation，Chengdu 610500，China)

To improve the thrust measurement accuracy,based on the design and calibration of thrust mea?surement test bench,major factors that affect the thrust measurement accuracy for aero engine and thrust measurement rig were introduced firstly,then the impact of different movable stand support on rig rigidity coefficient was analyzed,and the relationship between engine thrust,support of movable stand and rigidity coefficient of test bench was discussed.In addition,the influence of test bench rigidity coefficient by vari?ous supporting method were clarified.In the end,an optimal design principle for thrust measurement test bench was summarized based on these analyses.

aero-engine；test rig；thrust measurement test bench；supporting method for movable stand；rigidity coefficient

V211.73

A

1672-2620(2013)01-0009-03

2012-08-07；

2013-01-18

王潤明(1962-)，男，四川蓬安人，研究員，碩士，主要從事試驗設備設計和航空發(fā)動機整機試驗。