基于等效假设的发动机持久试验符合性方法

2021-09-10 07:22郑君胡崇波洪楠卞少春

内燃机与配件 2021年10期

郑君胡崇波洪楠卞少春

摘要：本文针对航空活塞发动机持续适航试验的符合性验证方法开展研究，首先建立了发动机爆压表征机械载荷、排温表征温度载荷两个等效假设，以爆压和排温相当的原则，探索了海平面高度下模拟发动机在不同高度条件的持久试验适航符合性验证方法。经连续900小时螺旋桨台架持续试验验证，表明建立的持久试验适航符合性方法安全可行，可用于涡轮增压式航空活塞发动机的适航持久性试验。

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.

关键词：等效假设;航空活塞发动机;持久试验;符合性方法

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

中图分类号：U467 文献标识码：A   文章编号：1674-957X（2021）10-0011-02

0 引言

航空活塞发动机是小型飞行器使用的动力装置。载人飞行器的航空发动机须通过民航CCAR-33部规章的适航认证。国内适航活塞发动机研制和应用严重落后于西方先进国家[1]。最早于2006年，中国航发南方工业有限公司开发HS6K和HS9成为目前国内仅有的两款适航航空活塞发动机。随后，清华大学、南京航空航天大学、北京理工大学、芜湖钻石航空发动机有限公司等单位也开展了通航活塞发动机的研制工作。冯光烁等通过数据和分析总结了重油航空活塞发动机的技术路线[2]，李冰林、高岩飞、耿钊、高宏力等开展了重油活塞发动机点燃方式的研究工作[3～6]，蔡娟等人开展了重油航空活塞发动机的总体性能方面的研究[7]，卢东亮、郑君等人对通航活塞发动机技术现状和发展趋势进行了研究[8～9]。总体而言，近年来在航空活塞发动机研发领域已有较好发展势头，但在活塞发动机适航技术和适航符合性方法方面的研究较为少见。截至目前，国内还没有按现行的适航规章取证的航空活塞发动机。国内的适航规章主要来源于欧美，因缺少实际取证经验，对规章的理解尚不够透彻，对适航规章的行之有效的符合性方法研究也在逐步摸索和深入。

适航持久试验是适航取证中验证航空发动机是否能够满足长期可靠使用的重要试验之一。CCAR-33部第33.49条规章对涡轮增压式活塞发动机做出在规定高度压力下进行持久试验的明确规定，但具体实施过程中，将规章要求直接用于试验存在较大实际困难。本文基于某型涡轮增压式航空活塞发动机开展持久试验符合性方法研究，力求在规章解读基础上制定便于实施的试验方案并实施验证，为后续取证发动机开展适航持久试验奠定基础。

1 符合性方法的假设及建立

规章对涡轮增压式航空活塞发动机规定了总时数为150小时的持久试验：累计30小时起飞工况、85小时临界高度下最大连续功率及35小时2440m高度下的其他功率试验，表1是持久试验中不同工作功率点及对应的高度值。在持久试验载荷谱中，100%功率状态和非100%功率状态间需进行每半小时的状态切换。

持久试验的载荷谱需在临界高度下的最大连续功率和2440m高度下的其他功率条件间切换，不同高度的频繁转换致使高空试验台无法连续进行。此外试验持续时间长，试验资源使用价格昂贵，往往给试验承担单位造成较大压力，需探索一种符合规章要求又易于实现的试验方法，满足国内适航验证试验的需求。

1.1 符合性方法等效假設

持久试验考核在机械载荷和热载荷的工作条件下，发动机和涡轮增压器的持久工作寿命。规章指出：如发动机和增压器承受的机械载荷和工作温度不低于在实际高空条件下运转时的机械载荷和工作温度，高空试验可通过模拟进行。对于活塞发动机，机械载荷与发动机气缸内的工作爆发压力直接相关，热载荷也与发动机排气温度直接关联。基于此拟定了两个等效假设条件，即：

①发动机气缸内工作爆压表征发动机各主要承力件所承受的机械载荷;不同工况点下的最大工作爆压等效于最大机械载荷;

②发动机排气温度表征发动机工作的实际温度载荷状况;不同工况点下最大排温等效于发动机出现最大温度载荷。

由上述假设，将规章所述发动机机械载荷和工作温度载荷等效于发动机气缸内的工作爆压和排气温度。

1.2 符合性方法建立

基于上述假设，通过变更发动机标定参数达成在海平面高度实现不同高度下的持久试验符合性方法，主要包括以下环节。（图1）

①试验发动机需设计定型，生产工艺固化，以确保试验发动机的一致性;

②标准样机经海平面校准，确认试验发动机各项性能达到设计要求;

③标准样机进行高原试验，按预期的性能指标标定发动机，形成发动机构型内的标定数据（标定数据1），记录不同高度点的工作爆压及排气温度;

④标准样机在海平面试验，按高原试验记录的各高度点的工作爆压和排气温度再次标定发动机，形成标定数据2;

⑤按标定数据2支持发动机进行持久试验。

2 符合性方法试验及试验结果

为验证上述方法，本文采用某涡轮增压式航空活塞发动机为试验样机。图2为该标准样机最大连续功率与高度关系曲线。如图2，该发动机性能在临界高度以下最大连续功率均为100kW，在临界高度以上功率降低。

本文按2.2节试验环节开展了试验和对比，记录了不同高度下和不同状态下发动机数据见表2。标定数据1的高原试验和标定数据2的海平面试验的发动机实现了工况点的爆压和排温相等。因工作环境差异，标定数据2试验的发动机实际功率存在一定程度的变化。表2是两组标定数据下，发动机工作的主要参数指标对比。由表2可见，按相同的爆压和排温条件标定的发动机，等效条件下的发动机功率有5%左右的提升。

本文按规章的载荷谱，以标定数据2支持标准发动机进行了连续6个150小时，总计900小时的持久试验考核，发动机工作正常，表明本文提出的基于等效假设的活塞发动机持久试验符合性方法安全可行，可用于涡轮增压式航空活塞发动机的适航持久性试验。

3 结论

本文从两个等效假设出发，建立了基于等效假设的活塞发动机持久试验符合性方法，得出结论如下：

①建立了两个等效假设，即：发动机爆压表征了发动机机械载荷，排气温度表征了发动机工作的实际温度载荷状况;

②基于等效假设，以爆压和排温水平相当的原则，建立了海平面试验模拟了考核发动机在不同高度，不同功率变动下的持久试验适航符合性方法;

③基于该符合性方法，在不同的工况点海平面模拟高空试验中发动机功率提升约5%左右;

④经标准发动机6轮次150小时持续试验验证，本文建立的活塞发动机持久试验适航符合性方法安全可行，可以用于涡轮增压式航空活塞发动机的适航持久性试验。

参考文献：

[1]General Aviation Manufacturers Association， 2018 ANNUAL REPORT. 2018.

[2]馮光烁，周明.重油航空活塞发动机技术路线分析[J].清华大学学报（自然科学版），2016，56（10）：1114-1121.

[3]李冰林，魏民祥.活塞式发动机燃烧煤油研究现状与技术分析[J].小型内燃机与摩托车，2012（06）.

[4]高岩飞.点燃式煤油发动机燃油雾化技术研究[D].南京航空航天大学，2010.