鄭君 胡崇波 洪楠 卞少春

摘要：本文針對(duì)航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)適航試驗(yàn)的符合性驗(yàn)證方法開展研究，首先建立了發(fā)動(dòng)機(jī)爆壓表征機(jī)械載荷、排溫表征溫度載荷兩個(gè)等效假設(shè)，以爆壓和排溫相當(dāng)?shù)脑瓌t，探索了海平面高度下模擬發(fā)動(dòng)機(jī)在不同高度條件的持久試驗(yàn)適航符合性驗(yàn)證方法。經(jīng)連續(xù)900小時(shí)螺旋槳臺(tái)架持續(xù)試驗(yàn)驗(yàn)證，表明建立的持久試驗(yàn)適航符合性方法安全可行，可用于渦輪增壓式航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的適航持久性試驗(yàn)。

Abstract： In this paper， two equivalent hypotheses of engine are adopted to study the method for verifying the consistency of the piston engine. Based on the principle that the explosion pressure and the exhaust temperature are equivalent， the method of verifying the airworthiness of the engine in the endurance test at different altitude is explored. The results of the 900-hour test show that the method of the endurance test for airworthiness is safe and feasible; it can be used in the endurance test of turbocharged piston aero engine.

關(guān)鍵詞：等效假設(shè);航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī);持久試驗(yàn);符合性方法

Key words： equivalent hypothesis;aviation piston engine;endurance test;coincidence method

中圖分類號(hào)：U467? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）10-0011-02

0? 引言

航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)是小型飛行器使用的動(dòng)力裝置。載人飛行器的航空發(fā)動(dòng)機(jī)須通過(guò)民航CCAR-33部規(guī)章的適航認(rèn)證。國(guó)內(nèi)適航活塞發(fā)動(dòng)機(jī)研制和應(yīng)用嚴(yán)重落后于西方先進(jìn)國(guó)家[1]。最早于2006年，中國(guó)航發(fā)南方工業(yè)有限公司開發(fā)HS6K和HS9成為目前國(guó)內(nèi)僅有的兩款適航航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。隨后，清華大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、北京理工大學(xué)、蕪湖鉆石航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司等單位也開展了通航活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的研制工作。馮光爍等通過(guò)數(shù)據(jù)和分析總結(jié)了重油航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)路線[2]，李冰林、高巖飛、耿釗、高宏力等開展了重油活塞發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)燃方式的研究工作[3～6]，蔡娟等人開展了重油航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的總體性能方面的研究[7]，盧東亮、鄭君等人對(duì)通航活塞發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了研究[8～9]?？傮w而言，近年來(lái)在航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)領(lǐng)域已有較好發(fā)展勢(shì)頭，但在活塞發(fā)動(dòng)機(jī)適航技術(shù)和適航符合性方法方面的研究較為少見(jiàn)。截至目前，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有按現(xiàn)行的適航規(guī)章取證的航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。國(guó)內(nèi)的適航規(guī)章主要來(lái)源于歐美，因缺少實(shí)際取證經(jīng)驗(yàn)，對(duì)規(guī)章的理解尚不夠透徹，對(duì)適航規(guī)章的行之有效的符合性方法研究也在逐步摸索和深入。

適航持久試驗(yàn)是適航取證中驗(yàn)證航空發(fā)動(dòng)機(jī)是否能夠滿足長(zhǎng)期可靠使用的重要試驗(yàn)之一。CCAR-33部第33.49條規(guī)章對(duì)渦輪增壓式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)做出在規(guī)定高度壓力下進(jìn)行持久試驗(yàn)的明確規(guī)定，但具體實(shí)施過(guò)程中，將規(guī)章要求直接用于試驗(yàn)存在較大實(shí)際困難。本文基于某型渦輪增壓式航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)開展持久試驗(yàn)符合性方法研究，力求在規(guī)章解讀基礎(chǔ)上制定便于實(shí)施的試驗(yàn)方案并實(shí)施驗(yàn)證，為后續(xù)取證發(fā)動(dòng)機(jī)開展適航持久試驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。

1? 符合性方法的假設(shè)及建立

規(guī)章對(duì)渦輪增壓式航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)規(guī)定了總時(shí)數(shù)為150小時(shí)的持久試驗(yàn)：累計(jì)30小時(shí)起飛工況、85小時(shí)臨界高度下最大連續(xù)功率及35小時(shí)2440m高度下的其他功率試驗(yàn)，表1是持久試驗(yàn)中不同工作功率點(diǎn)及對(duì)應(yīng)的高度值。在持久試驗(yàn)載荷譜中，100%功率狀態(tài)和非100%功率狀態(tài)間需進(jìn)行每半小時(shí)的狀態(tài)切換。

持久試驗(yàn)的載荷譜需在臨界高度下的最大連續(xù)功率和2440m高度下的其他功率條件間切換，不同高度的頻繁轉(zhuǎn)換致使高空試驗(yàn)臺(tái)無(wú)法連續(xù)進(jìn)行。此外試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，試驗(yàn)資源使用價(jià)格昂貴，往往給試驗(yàn)承擔(dān)單位造成較大壓力，需探索一種符合規(guī)章要求又易于實(shí)現(xiàn)的試驗(yàn)方法，滿足國(guó)內(nèi)適航驗(yàn)證試驗(yàn)的需求。

1.1 符合性方法等效假設(shè)

持久試驗(yàn)考核在機(jī)械載荷和熱載荷的工作條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪增壓器的持久工作壽命。規(guī)章指出：如發(fā)動(dòng)機(jī)和增壓器承受的機(jī)械載荷和工作溫度不低于在實(shí)際高空條件下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的機(jī)械載荷和工作溫度，高空試驗(yàn)可通過(guò)模擬進(jìn)行。對(duì)于活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，機(jī)械載荷與發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)的工作爆發(fā)壓力直接相關(guān)，熱載荷也與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度直接關(guān)聯(lián)。基于此擬定了兩個(gè)等效假設(shè)條件，即：

①發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)工作爆壓表征發(fā)動(dòng)機(jī)各主要承力件所承受的機(jī)械載荷;不同工況點(diǎn)下的最大工作爆壓等效于最大機(jī)械載荷;

②發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度表征發(fā)動(dòng)機(jī)工作的實(shí)際溫度載荷狀況;不同工況點(diǎn)下最大排溫等效于發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)最大溫度載荷。

由上述假設(shè)，將規(guī)章所述發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械載荷和工作溫度載荷等效于發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)的工作爆壓和排氣溫度。

1.2 符合性方法建立

基于上述假設(shè)，通過(guò)變更發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定參數(shù)達(dá)成在海平面高度實(shí)現(xiàn)不同高度下的持久試驗(yàn)符合性方法，主要包括以下環(huán)節(jié)。（圖1）

①試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)需設(shè)計(jì)定型，生產(chǎn)工藝固化，以確保試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的一致性;

②標(biāo)準(zhǔn)樣機(jī)經(jīng)海平面校準(zhǔn)，確認(rèn)試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求;

③標(biāo)準(zhǔn)樣機(jī)進(jìn)行高原試驗(yàn)，按預(yù)期的性能指標(biāo)標(biāo)定發(fā)動(dòng)機(jī)，形成發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)型內(nèi)的標(biāo)定數(shù)據(jù)（標(biāo)定數(shù)據(jù)1），記錄不同高度點(diǎn)的工作爆壓及排氣溫度;

④標(biāo)準(zhǔn)樣機(jī)在海平面試驗(yàn)，按高原試驗(yàn)記錄的各高度點(diǎn)的工作爆壓和排氣溫度再次標(biāo)定發(fā)動(dòng)機(jī)，形成標(biāo)定數(shù)據(jù)2;

⑤按標(biāo)定數(shù)據(jù)2支持發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行持久試驗(yàn)。

2? 符合性方法試驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證上述方法，本文采用某渦輪增壓式航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)為試驗(yàn)樣機(jī)。圖2為該標(biāo)準(zhǔn)樣機(jī)最大連續(xù)功率與高度關(guān)系曲線。如圖2，該發(fā)動(dòng)機(jī)性能在臨界高度以下最大連續(xù)功率均為100kW，在臨界高度以上功率降低。

本文按2.2節(jié)試驗(yàn)環(huán)節(jié)開展了試驗(yàn)和對(duì)比，記錄了不同高度下和不同狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。標(biāo)定數(shù)據(jù)1的高原試驗(yàn)和標(biāo)定數(shù)據(jù)2的海平面試驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了工況點(diǎn)的爆壓和排溫相等。因工作環(huán)境差異，標(biāo)定數(shù)據(jù)2試驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際功率存在一定程度的變化。表2是兩組標(biāo)定數(shù)據(jù)下，發(fā)動(dòng)機(jī)工作的主要參數(shù)指標(biāo)對(duì)比。由表2可見(jiàn)，按相同的爆壓和排溫條件標(biāo)定的發(fā)動(dòng)機(jī)，等效條件下的發(fā)動(dòng)機(jī)功率有5%左右的提升。

本文按規(guī)章的載荷譜，以標(biāo)定數(shù)據(jù)2支持標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了連續(xù)6個(gè)150小時(shí)，總計(jì)900小時(shí)的持久試驗(yàn)考核，發(fā)動(dòng)機(jī)工作正常，表明本文提出的基于等效假設(shè)的活塞發(fā)動(dòng)機(jī)持久試驗(yàn)符合性方法安全可行，可用于渦輪增壓式航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的適航持久性試驗(yàn)。

3? 結(jié)論

本文從兩個(gè)等效假設(shè)出發(fā)，建立了基于等效假設(shè)的活塞發(fā)動(dòng)機(jī)持久試驗(yàn)符合性方法，得出結(jié)論如下：

①建立了兩個(gè)等效假設(shè)，即：發(fā)動(dòng)機(jī)爆壓表征了發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械載荷，排氣溫度表征了發(fā)動(dòng)機(jī)工作的實(shí)際溫度載荷狀況;

②基于等效假設(shè)，以爆壓和排溫水平相當(dāng)?shù)脑瓌t，建立了海平面試驗(yàn)?zāi)M了考核發(fā)動(dòng)機(jī)在不同高度，不同功率變動(dòng)下的持久試驗(yàn)適航符合性方法;

③基于該符合性方法，在不同的工況點(diǎn)海平面模擬高空試驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)功率提升約5%左右;

④經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)6輪次150小時(shí)持續(xù)試驗(yàn)驗(yàn)證，本文建立的活塞發(fā)動(dòng)機(jī)持久試驗(yàn)適航符合性方法安全可行，可以用于渦輪增壓式航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的適航持久性試驗(yàn)。

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