航空發動機試車台

航空發動機試車台是在研發發動機時所需要的重要設備，它在試驗中起到了關鍵作用，不論我們要對發動機研製、定型，還是測量重要數據等模擬試驗中都離不開它，它能綜合分析航空發動機的性能，是否達到其標準。由於航空發動機對自身的穩定性和精度要求較高，因此對試車台系統的複雜程度和精度程度也要求極高。航空發動機試車台的整個系統可分為許多子部分如：發電系統、燃油供給系統、滑油降溫系統、數據採集系統、液壓控制系統等。

航空發動機試車台噪聲控制是試車台設計的關鍵技術之一，如何針對現有典型試車台開展噪聲環境測試和評估，是航空發動機試車台噪聲環境研究的一項重要內容，是設計和評估高品質試車台的重要技術手段。

基本介紹

• 中文名：航空發動機試車台
• 外文名：Aircraft engine test bed
• 重要性：研發發動機時所需要的重要設備
• 燃油控制系統：給發動機提供一定溫度的燃油
• 噪聲控制：試車台設計的關鍵技術之一
• 作用：發動機研製、定型、測量數據等

相關背景

隨著國家經濟不斷的發展，不論在民用還是軍工上航空工業都起著舉足輕重的作用。一架飛機要想遨遊在藍天，其必須有足夠的動力才能飛行，而為飛機提供動力的裝置就是它的航空發動機，航空發動機是整架飛機的核心所在，沒有它飛機將無法飛行。因此從一台航空發動機的性能上就能看出這架飛機的性能。航空發動機作為一種生活中必不可少的尖端產品，航空發動機的發展對國家的科技水平和國防領域起著重要性作用，它標誌著一個國家科技、工業和國防的綜合實力。

隨著航空發動機不斷的發展，不僅要提高它的推力，同時可靠性、壽命、對周圍環境的適應性也同樣重要。當我們要採用一種新技術開發時或對現役發動機進行更新、換代時，都必須對航空發動機展開試驗。通過對發動機的測試能夠得出許多理論計算得不到的性能指標，還可以獲得外部環境對發動機主要技術參數的影響等。

隨著科技的發展，當我們要研發一種新型號的航空發動機時，研發出的發動機必須具有高可靠性和高性能，因此設計出的航空發動機結構都比較複雜，材料也比較特殊。按照一般的研製過程，從方案設計到研製成功再到交付使用，發動機至少需要試驗五年以上的時間，而且一台發動機上主系統的試驗就需要數萬小時以上，外加發動機各個子系統和零部件的試驗時間，一台發動在試驗台上所試驗的時間就高達十萬小時以上。因此在研製航空發動機時擁有一台先進的實驗試車台是非常重要的。

航空發動機試車台是在研發發動機時所需要的重要設備，該系統能夠對發動機進行定型、測量重要數據等試驗，它能綜合分析航空發動機的性能，是否達到其標準。而且到一台航空發動機損壞或者需要維護的時候，往往都需要修理完畢後送到試車台上進行測試，當測試合格後才能安裝回飛機內部。研製航空發動機的試車台系統是一個相對複雜而且繁瑣的控制系統，在整個系統中根據其作用不同，各個部分實現的功能不同，其中航空發動機試車台的燃油控制系統就隸屬於其中的一個子系統。它也是試車台試驗設備中的一個非常重要組成部分。

國內外研究現狀

當我們要研製航空發動機時，航空發動機試車台是必不可少的重要設備，它在試驗中起到了關鍵作用，不論我們要對發動機研製、定型，還是測量重要數據等模擬試驗中都離不開它，它能綜合分析航空發動機的性能，是否達到其標準。由於航空發動機對自身的穩定性和精度要求較高，因此對試車台系統的複雜程度和精度程度也要求極高。航空發動機試車台的整個系統可分為許多子部分如:發電系統、燃油供給系統、滑油降溫系統、數據採集系統、液壓控制系統等。

我國航空發動機試車台的開發也經過了幾十年的發展。1951年我國成立了專門的設計院，這也是我國最早從事中國航空工業設計的單位。其中就包括了對航空發動機試車台的設計和開發。我國在上世紀60年代時期與前蘇聯關係較為緊密，在當時為了研究發動機技術從前蘇聯引進了航空發動機試車台。航空發動機試車台的各部分控制系統由於當時並不具備先進的技術，設備相對落後，而且當時的測量儀表都為老式的指針式儀表，控制系統採用老舊的繼電器來完成功能，而且各控制子系統之間沒有聯繫。測試航空發動機時需要藉助現場人員監視，通過人工用筆和紙記錄試驗數據，事後再通過人工計算來完成對發動機性能的評估。這樣試驗不僅效率非常低、需要經常維護，而且測試的周期也很長。

隨著時代的發展，我國的第二代航空發動機試車台是在20世紀80年代左右開發出來的，當時國內的設計理念正逐漸的向歐美等已開發國家學習，我國也對原有的航空發動機試車台進行了更新換代採用新技術。其部分控制系統採用了數位化控制系統，數位化控制系統工作與之前相比性能更加穩定可靠，控制測量系統的測量精確度高、穩定性強，提高了試驗效率，得到廣大用戶認可。但是受到當時技術水平的制約，只能實現部分自動化功能。而且這些半自動化設備較為昂貴，操作繁瑣使用起來也不方便。

隨著可程式控制器技術和自動控制技術的發展，其己經在航空發動機試車台上得到了大範圍的套用。現在的航空發動機試車台已經逐漸向具有通用性強、控制精度高的方向研發。航空發動機試車台上的各個子系統都已經實現了自動化，系統與系統之間也能夠實現信息的交換，並依靠網路技術實現了集中管理控制。現在我國對航空業的發展越來越重視，研發的飛機機型也逐漸增多，因此適用於不同機型的發動機型號也增多，為了滿足多種不同型號航空發動機進行試車，對航空發動機試車台的通用性、快速安裝的要求也相應的提高。而且航空發動機在試車台上的安裝也由原來費時費力的人工安裝、到液壓機械化安裝，再到今天的快裝快卸的安裝模式，這樣能夠大大提高航空發動機試車台的工作效率。

目前國外對機試車台技術的研究也是各有千秋，美國作為世界上最發達的國家，從其具有的多種高性能戰機就能看出，其航空發動機試車台技術也是最成熟和完善的。美國已經建成了多種型號的發動機試車台，能夠適用於不同的工作環境。而且在試車台上還能夠模擬飛機起飛、飛機著落、加減速等具體的工作過程;歐盟中的一些已開發國家例如英國、法國和德國等，它們在發動機試車台上運用了CAT系統;俄羅斯作為一個軍事大國，其也早在上世紀也很早就研製了一套全自動化的用於航空發動機的試車台控制系統，它可以自動完成整套的試驗項目。

主要校準方法

不同國家有不同的發動機試車台校準方法，建立的試車台校準規範也不同，測試結果的修正方法也有差別。但是不管採用何種校準規範對試車台進行校準，最終得出的發動機性能數據應當是基本吻合的。

美國波音公司、英國羅·羅公司和俄羅斯航空發動機研究院都已建立了航空發動機基準試車台(包括室內基準試車台)，同時也定期進行基準台、高空台、飛行台的認可與比對工作。俄羅斯中央航空發動機研究院還對不同的發動機試車台建立模型進行研究。國內外試車台校準所採用的主要方法有：

（1）標準發動機傳遞試驗校準

這種方法是用一台性能已知的標準發動機在不同的試車台上進行相同內容的試驗，從而獲取各個試車台上發動機主要性能參數的相對偏差來驗證各試車台的測試準確度和測試結果。

國內黎明發動機公司曾經購買了俄羅斯的標準發動機，傳遞了一台自己的發動機作為標準來標定所有試車台。但是這種方法受標準發動機的狀態、運輸過程中發動機性能的變化、標定時的環境參數、燃油品質等多種因素影響，而且成本高(購買和維護標準發動機費用、校準試驗費用等)，試驗難度非常大。

（2）試車台計量標定與對比試驗校準

該方法首先對試車台進行計量標定(即用標準的儀器、儀表在現場對測量系統重複進行配套校準，排除粗大誤差，確定隨機誤差和系統誤差，最終給出測量系統的總誤差)，然後用同一台發動機在兩個標定後的試車台上進行對比試驗校準，確定試車台的推力、空氣品質流量、燃油消耗率、壓力、溫度、濕度、轉速、噴口面積等參數的數據準確度。

中國燃氣渦輪研究院的SB101高空台曾經採用這種方法與俄羅斯中央航空發動機研究院的高空台進行過計量標定和對比試驗校準，但是其它試車台之間的對比試驗校準還沒有進行，這對評定各試車台的性能數據帶來了許多困難。

（3）用地面露天基準試車台，通過校準發動機對其它各類試車台進行校準

這種方法是用露天基準試車台或經過露天基準試車台校準的室內基準試車台，通過校準發動機對其它各種類型試車台進行校準，以確定被校準試車台的修正值(基準試車與校準試車發動機推力的差值)或修正係數(基準試車與校準試車推力的比值)。

燃油控制系統的總體設計

在整個航空發動機試車台中其燃油控制系統起到了一個不可或缺的作用，它為航空發動機在試車台上的正常運行提供了保障。該系統主要實現的功能是給發動機提供一定溫度的燃油，由於供給發動機的燃油必須要保持恆定的溫度和壓力，當供給燃油的溫度過低時，發動機會由於達不到燃點導致發動機熄火或者無法啟動。這樣就會給發動機的壽命和正常工作帶來影響，甚至會導致發生安全事故。

該系統應該具有一下的基本特點：

1)具有很高的安全性:由於該系統工作的特殊條件，需要給發動機供給的燃油進行加熱，發動機燃油本來就是一種極易燃燒的液體，因此該系統的設計必須考慮安全性，套用安全的方法給燃油加溫加壓。該設計中採用了隔離加熱的方法，將燃油從油箱中抽出，通過換熱的形式提高燃油的溫度，之後在通過循環油泵將燃油補回系統油箱中。

2)抗干擾能力強;為了保障發動機試車台燃油控制系統的運行穩定，又要保證具有足夠高的控制精度，因此該系統必須具有較強的抗干擾能力和完善的抗干擾措施。例如安裝AC-AC隔離電源、信號線路外加禁止層、強電與弱電之間加裝隔離裝置等。

3)可維護性強:由於航空發動機試車台燃油控制系統主要的任務是給發動機提供所需的燃油，因此只要試車台進行試驗該系統就必須穩定的運行。一旦出現故障必須立馬排除迅速完成維護修理，所以該系統必須具有較強的可維護性。這是系統從設計到運行所必須考慮的問題。

通過上述對系統的設計要求和設計的基本原則，最終確定發動機試車台燃油控制系統主要包括以下部分組成，如圖所示為發動機試車台燃油控制系統原理圖。

航空發動機試車台燃油控制系統原理圖

1)中央油箱:中央油箱主要負責為系統儲存燃油，保證為發動機提供充足的燃油進行試驗。油箱中加裝了溫度感測器，系統通過採集當前油箱溫度來控制保持恆定溫度。

2)加熱循環管路:加熱循環管路主要負責給燃油加溫，當油箱內的燃油溫度過低的時候，系統啟動加熱循環管路的循環油泵，將燃油從油箱中抽出，燃油將通過循環換熱管路以換熱的形式提高燃油的溫度，這樣保證了系統的安全性，最後在通過循環油泵將燃油補回系統油箱中，以達到循環加熱的目的。

3)供油和回油管路:供油和回油管路主要負責給試車台上的發動機提供足夠的燃油供給，燃油通過供油管路的供油泵提供燃油，系統通過採集當前管線的壓力來控制保持恆定。回油管路將發動機用完剩餘的燃油補回油箱，已達到回收作用。

4)補油管路:當系統油箱內儲存的燃油不足的時候，系統將自動打開補油電磁閥，通過補油管線將燃油箱補滿，燃油箱的液位將通過液位感測器採集出模擬量信號傳輸給PLC來實現自動控制。

圖中的發動機所需要的燃油由中央油庫供給，中央油庫所供的燃油首先需要經過燃油過慮裝置，將其中的雜物濾除掉、之後經過補油電磁閥將燃油從中央油庫進入燃油箱，油箱上部連通大氣，裝有一台液位計，控制系統通過採集燃油箱上的液位感測器信號來控制液面高度。當燃油箱內的燃油量過低時，系統會自動啟動補油電磁閥向油箱中補充燃油，直到補油補充到規定的位置後，系統關閉電磁閥，使油箱箱中的燃油始終保持恆定。

供油管線將為發動機提供燃油，燃油的壓力也必須符合條件，因此需要控制供油泵來保持固定壓力，供給發動機的剩餘燃油有一部會分通過回流管線將燃油送回燃料箱。當需要加溫燃油時，控制系統將會啟動循環油泵，將燃油送入加溫器里，並且啟動加溫器給燃油加熱，通過燃油箱內的溫度變送器來採集當前油箱內的溫度，來控制加溫循環管路，保證燃油加溫精度和加溫功率滿足系統對溫度的要求。

噪聲控制

航空發動機台架試車是發動機研製過程中至關重要的環節，貫穿於發動機的預研、研製、生產和使用、改進和改型等全過程。因此，國內外對航空發動機試車台的設計十分重視，投人大量人力物力進行科研攻關，以滿足不同類型、型號發動機試車試驗要求。然而值得注意的是，在航空發動機試車台的選址和建造過程中，噪聲控制儼然已成為試車台建設的一項十分重要的技術內容，以及試車台建設是否符合規範、設計是否先進的重要考核標準。這是由於國內外航空發動機試車台設計規範中，均對操縱間、準備待試間、進排氣塔外場30.0 m等處的噪聲限值有明確的規定。

航空發動機的噪聲與一般聲源產生的噪聲不同，其具有強度大、聲壓級高、頻譜(帶)範圍寬、危害廣的特點，使得航空發動機試車台的噪聲治理難度極大。隨著我國對噪聲污染問題的日益重視，加之新研製發動機向著流量大、推力高、葉尖馬赫數大、噴流排氣速度高等方向發展，必將使得航空發動機試車台的噪聲控制難度加大，經費耗費巨大。據不完全統計，通常整個試車台降噪設施所需經費約占總基建投資的三分之一。如2007年羅·羅公司建設的58號大型試車台，採用了具有降噪功能的雙層頂蓋結構(包含11000立方米的混凝土結構及容量達1 000 t的進排氣消聲裝置)，耗費巨大。而我國的上海航空發動機露天試車台和西安266號試車台，建成後因初期選址及論證等原因無法正常投入使用，使國家資源得不到充分合理利用。因此，噪聲問題已逐漸在試車台論證初期引起國內外的關注，需要在設計之初就進行詳細論證，有針對性地開展降噪設計。

對聲源特性的準確把握和合理的降噪設計，是航空發動機試車台降噪的兩個關鍵問題，國內對此進行了大量研究。1993年，張元周對停放在停機坪上的東方航空公司的飛機上的B1213發動機進行了遠場噪聲測試。1994年，606所對該機遠場噪聲信號進行了1/3倍頻程頻譜分析。金業壯等對航空發動機台架試車噪聲進行了聲壓級測量，通過細化譜分析等定性和定量手段，獲取了該發動機的聲學特性。1996年，孫松嶺等對航空發動機試車台試車時發動機產生噪聲的機理及頻譜特性進行了細緻的分析和研究，得到了試車台噪聲主要是呈現中高頻頻率特性、連續寬頻的空氣動力性噪聲的結論。1999年，沙雲東等結合渦噴發動機台架試驗進行了聲強測量和聲源識別，討論了該型發動機的噪聲級、主要噪聲源及其特徵，並進一步指出:低轉速時發動機噪聲以壓氣機葉片通過頻率處的離散純音為主，隨著轉速的增加噴流聲上升為主要成分，轉速最大時壓氣機離散純音在高頻段仍有出現，但噴流噪聲占絕對主導，噴流噪聲峰值頻帶集中在250-1000 Hz，中間狀態時最高聲強級達150 dB，最大聲功率達160 dB。2006年，黃晶晶等基於航空發動機試車台噪聲的聲功率譜分析技術，對渦槳發動機試車噪聲的聲功率譜進行了分析;2012年，王娜等為掌握渦扇發動機在室內試車時的噪聲特性，並檢驗試車台建築物和各項降噪設備的效果，對某新建試車台的聲環境進行了現場測量，獲取了試車台內、外環境噪聲數據及各項降噪設備的降噪效果。在降噪設計方面，試車台的進/排氣消聲器是降低發動機噪聲對外部污染的重要手段。其中阻性消聲器適於降低中、高頻噪聲，抗性消聲器適於降低中、低頻噪聲。牛延雲等針對國內發動機台架試車過程中排氣噪聲抑制效果差的缺點，突破國內傳統工藝，提出一種內插管擴張室消聲器，並在606所A109試車台的排氣消聲塔上得到套用，獲取了較好的效果。