航空发动机试车台相关背景

随着国家经济不断的发展，不论在民用还是军工上航空工业都起着举足轻重的作用。一架飞机要想遨游在蓝天，其必须有足够的动力才能飞行，而为飞机提供动力的装置就是它的航空发动机，航空发动机是整架飞机的核心所在，没有它飞机将无法飞行。因此从一台航空发动机的性能上就能看出这架飞机的性能。航空发动机作为一种生活中必不可少的尖端产品，航空发动机的发展对国家的科技水平和国防领域起着重要性作用，它标志着一个国家科技、工业和国防的综合实力。

随着航空发动机不断的发展，不仅要提高它的推力，同时可靠性、寿命、对周围环境的适应性也同样重要。当我们要采用一种新技术开发时或对现役发动机进行更新、换代时，都必须对航空发动机展开试验。通过对发动机的测试能够得出许多理论计算得不到的性能指标，还可以获得外部环境对发动机主要技术参数的影响等。

随着科技的发展，当我们要研发一种新型号的航空发动机时，研发出的发动机必须具有高可靠性和高性能，因此设计出的航空发动机结构都比较复杂，材料也比较特殊。按照一般的研制过程，从方案设计到研制成功再到交付使用，发动机至少需要试验五年以上的时间，而且一台发动机上主系统的试验就需要数万小时以上，外加发动机各个子系统和零部件的试验时间，一台发动在试验台上所试验的时间就高达十万小时以上。因此在研制航空发动机时拥有一台先进的实验试车台是非常重要的。

航空发动机试车台是在研发发动机时所需要的重要设备，该系统能够对发动机进行定型、测量重要数据等试验，它能综合分析航空发动机的性能，是否达到其标准。而且到一台航空发动机损坏或者需要维护的时候，往往都需要修理完毕后送到试车台上进行测试，当测试合格后才能安装回飞机内部。研制航空发动机的试车台系统是一个相对复杂而且繁琐的控制系统，在整个系统中根据其作用不同，各个部分实现的功能不同，其中航空发动机试车台的燃油控制系统就隶属于其中的一个子系统。它也是试车台试验设备中的一个非常重要组成部分。

当我们要研制航空发动机时，航空发动机试车台是必不可少的重要设备，它在试验中起到了关键作用，不论我们要对发动机研制、定型，还是测量重要数据等模拟试验中都离不开它，它能综合分析航空发动机的性能，是否达到其标准。由于航空发动机对自身的稳定性和精度要求较高，因此对试车台系统的复杂程度和精度程度也要求极高。航空发动机试车台的整个系统可分为许多子部分如:发电系统、燃油供给系统、滑油降温系统、数据采集系统、液压控制系统等。

我国航空发动机试车台的开发也经过了几十年的发展。1951年我国成立了专门的设计院，这也是我国最早从事中国航空工业设计的单位。其中就包括了对航空发动机试车台的设计和开发。我国在上世纪60年代时期与前苏联关系较为紧密，在当时为了研究发动机技术从前苏联引进了航空发动机试车台。航空发动机试车台的各部分控制系统由于当时并不具备先进的技术，设备相对落后，而且当时的测量仪表都为老式的指针式仪表，控制系统采用老旧的继电器来完成功能，而且各控制子系统之间没有联系。测试航空发动机时需要借助现场人员监视，通过人工用笔和纸记录试验数据，事后再通过人工计算来完成对发动机性能的评估。这样试验不仅效率非常低、需要经常维护，而且测试的周期也很长。

随着时代的发展，我国的第二代航空发动机试车台是在20世纪80年代左右开发出来的，当时国内的设计理念正逐渐的向欧美等发达国家学习，我国也对原有的航空发动机试车台进行了更新换代采用新技术。其部分控制系统采用了数字化控制系统，数字化控制系统工作与之前相比性能更加稳定可靠，控制测量系统的测量精确度高、稳定性强，提高了试验效率，得到广大用户认可。但是受到当时技术水平的制约，只能实现部分自动化功能。而且这些半自动化设备较为昂贵，操作繁琐使用起来也不方便。

随着可编程控制器技术和自动控制技术的发展，其己经在航空发动机试车台上得到了大范围的应用。现在的航空发动机试车台已经逐渐向具有通用性强、控制精度高的方向研发。航空发动机试车台上的各个子系统都已经实现了自动化，系统与系统之间也能够实现信息的交换，并依靠网络技术实现了集中管理控制。现在我国对航空业的发展越来越重视，研发的飞机机型也逐渐增多，因此适用于不同机型的发动机型号也增多，为了满足多种不同型号航空发动机进行试车，对航空发动机试车台的通用性、快速安装的要求也相应的提高。而且航空发动机在试车台上的安装也由原来费时费力的人工安装、到液压机械化安装，再到今天的快装快卸的安装模式，这样能够大大提高航空发动机试车台的工作效率。

目前国外对机试车台技术的研究也是各有千秋，美国作为世界上最发达的国家，从其具有的多种高性能战机就能看出，其航空发动机试车台技术也是最成熟和完善的。美国已经建成了多种型号的发动机试车台，能够适用于不同的工作环境。而且在试车台上还能够模拟飞机起飞、飞机着落、加减速等具体的工作过程;欧盟中的一些发达国家例如英国、法国和德国等，它们在发动机试车台上运用了CAT系统;俄罗斯作为一个军事大国，其也早在上世纪也很早就研制了一套全自动化的用于航空发动机的试车台控制系统，它可以自动完成整套的试验项目。

航空发动机台架试车是发动机研制过程中至关重要的环节，贯穿于发动机的预研、研制、生产和使用、改进和改型等全过程。因此，国内外对航空发动机试车台的设计十分重视，投人大量人力物力进行科研攻关，以满足不同类型、型号发动机试车试验要求。然而值得注意的是，在航空发动机试车台的选址和建造过程中，噪声控制俨然已成为试车台建设的一项十分重要的技术内容，以及试车台建设是否符合规范、设计是否先进的重要考核标准。这是由于国内外航空发动机试车台设计规范中，均对操纵间、准备待试间、进排气塔外场30.0 m等处的噪声限值有明确的规定。

航空发动机的噪声与一般声源产生的噪声不同，其具有强度大、声压级高、频谱(带)范围宽、危害广的特点，使得航空发动机试车台的噪声治理难度极大。随着我国对噪声污染问题的日益重视，加之新研制发动机向着流量大、推力高、叶尖马赫数大、喷流排气速度高等方向发展，必将使得航空发动机试车台的噪声控制难度加大，经费耗费巨大。据不完全统计，通常整个试车台降噪设施所需经费约占总基建投资的三分之一。如2007年罗·罗公司建设的58号大型试车台，采用了具有降噪功能的双层顶盖结构(包含11000立方米的混凝土结构及容量达1 000 t的进排气消声装置)，耗费巨大。而我国的上海航空发动机露天试车台和西安266号试车台，建成后因初期选址及论证等原因无法正常投入使用，使国家资源得不到充分合理利用。因此，噪声问题已逐渐在试车台论证初期引起国内外的关注，需要在设计之初就进行详细论证，有针对性地开展降噪设计。

对声源特性的准确把握和合理的降噪设计，是航空发动机试车台降噪的两个关键问题，国内对此进行了大量研究。1993年，张元周对停放在停机坪上的东方航空公司的飞机上的B1213发动机进行了远场噪声测试。1994年，606所对该机远场噪声信号进行了1/3倍频程频谱分析。金业壮等对航空发动机台架试车噪声进行了声压级测量，通过细化谱分析等定性和定量手段，获取了该发动机的声学特性。1996年，孙松岭等对航空发动机试车台试车时发动机产生噪声的机理及频谱特性进行了细致的分析和研究，得到了试车台噪声主要是呈现中高频频率特性、连续宽带的空气动力性噪声的结论。1999年，沙云东等结合涡喷发动机台架试验进行了声强测量和声源识别，讨论了该型发动机的噪声级、主要噪声源及其特征，并进一步指出:低转速时发动机噪声以压气机叶片通过频率处的离散纯音为主，随着转速的增加喷流声上升为主要成分，转速最大时压气机离散纯音在高频段仍有出现，但喷流噪声占绝对主导，喷流噪声峰值频带集中在250-1000 Hz，中间状态时最高声强级达150 dB，最大声功率达160 dB。2006年，黄晶晶等基于航空发动机试车台噪声的声功率谱分析技术，对涡桨发动机试车噪声的声功率谱进行了分析;2012年，王娜等为掌握涡扇发动机在室内试车时的噪声特性，并检验试车台建筑物和各项降噪设备的效果，对某新建试车台的声环境进行了现场测量，获取了试车台内、外环境噪声数据及各项降噪设备的降噪效果。在降噪设计方面，试车台的进/排气消声器是降低发动机噪声对外部污染的重要手段。其中阻性消声器适于降低中、高频噪声，抗性消声器适于降低中、低频噪声。牛延云等针对国内发动机台架试车过程中排气噪声抑制效果差的缺点，突破国内传统工艺，提出一种内插管扩张室消声器，并在606所A109试车台的排气消声塔上得到应用，获取了较好的效果。

回顾20年来的风雨历程，不辱使命的广大参研人员用智慧和信心换来的这张通行证上，闪烁的不仅是荣誉和光芒，而且还带有苦涩和悲壮。20世纪90年代以前，一航动力所航空发动机试车台非常简陋，每次试车启动发动机，轰鸣的响声震耳欲聋，周围几里地都能听得到，参试人员只好用棉团塞住耳朵。尽管这样，加力试车的时候，轰鸣声仍让人难以忍受，强烈的噪音对身体刺激可想而知。当年经历过那种环境的试车人，有的患了心脏病，有的耳膜穿孔，但他们从来没有抱怨。也正是有了这些老航空人，我们的航空发动机事业才得以发展壮大。

太行发动机的广大参研人员刻苦钻研,屡克难关，先后攻克了几十项重大技术关键。2003年，"太行"发动机研制工作进入决战决胜阶段。由于对发动机研制规律的认识和把握上还有不小差距，加上质量管理和工作作风等方面存在一些问题，导致研制工作几度陷入困境。先后经受了两次大的考验:一次是发动机在试车时，发生了高压压气机四级盘破裂事故;第二次是在高空台模拟试验和调整试飞中，先后暴露出一些技术问题，如高空小表速发动机加速慢等。飞机在2003年8月下旬至9月上旬的试飞中，5个起落出现3次"特情"。2004年夏天，太行发动机在进行规定试飞时，发生发动机空中停车，虽然最后安全返回，但使太行发动机机研制陷入被动。 606所与行业内外的专家共同分析排故对策，并进一步做好故障研究和故障分析工作，先后完成17份故障计算、研究、分析报告，最后恢复了太行发动机的定型试飞。解决了如地面喘振、空中异常响声、试车温度异常和小发提前脱开等试飞中遇到的多种技术问题。

在发动机的试制中，中国一航创造性地学习和应用国外先进经验，打破了过去一厂一机的管理模式，发挥国内各专业优势，多家企业组成国家联合队，协同攻关，成功应用了百种新材料、新工艺。发动机材料已接近或达到国际先进水平。先进新材料占整机重量超过50%。包括先进钛合金、先进高温合金以及在国产发动机上第一次采用的高比强-高温树脂基复合材料。

在太行发动机研制过程中采用的新技术有:

1)三级风扇为带进气可变弯度导向叶片的跨音速气动设计，采用悬臂支承，不带进气变弯度导向叶片;超塑成型扩散连接的进气机匣，是国内该项设计技术的全新突破;

2)两级低压涡轮为复合倾斜弯扭的三维气动设计，低压涡轮两级导向叶片均为空心、三联整体无余量精铸结构，与高压涡轮对转，其效率达到当今国际先进水平。

3) 太行的空心叶片，606所集中国内最优秀的设计、材料、工艺、加工、检测等方面的专家组成了"国家队"，经过8年的潜心研究、试验，终于掌握了这种被誉为现代航空发动机"王冠上的明珠" 的尖端技术。借鉴了国际上先进的气膜冷却技术，大胆采用了复合气冷空心涡轮叶片。它不仅包括先进的设计技术、高温材料技术，还包括定向凝固技术、无余量精铸技术、五坐标数控打孔技术、磨粒流光整技术、无损检测技术、冷却试验技术、高温涂层技术。

4)"太行"发动机复合材料外涵机匣是复合材料技术在国内航空发动机上的第一次应用。是国外第四代发动机技术，填补了国内航空发动机技术的空白;复合材料外涵机匣比钛板焊接结构的外涵机匣重量减轻30%，而且比强度、比刚度更高，疲劳寿命更长，更耐腐蚀。

5)加力燃烧室为"平行进气"式，工作范围宽，重量轻，流体损失小，采用分区分压供油方案，保证了在发动机工作包线内的可靠点火和稳定;

6)第Ⅳ级和Ⅷ级高压压气静子叶片，在国内首次实现了高温合金叶片的冷辊轧。研制成功的GH4169合金Ⅳ级至Ⅷ级静子叶片冷辊轧填补了国内高温合金叶片冷辊轧技术的空白。2004年12月底完成攻关，在国际上处于领先地位。但是GH4169合金压气机、涡轮盘件，目前仍然存在盘件性能富裕度小，个别情况盘件的性能、组织无法满足标准要求; 新工艺、新结构需要持续改进。

7)尾喷口为全程无级可调收敛扩散喷口设计，填补了国内的空白。不过收扩喷口精铸件平均合格率仅为54%，尚需进一步提高。

8)太行"航空发动机涡轮后机匣电子束焊接，无论是工艺安排还是零件交付质量都无可挑剔。

9)将纳米氧化锆技术应用于热障涂层，给"太行"发动机高压涡轮导向叶片以及低压一、二级导向叶片穿上了一层性能优良稳定的"保护衣"，达到了世界热障涂层技术应用的最前沿。2005年5月，完成该技术工程化，在"太行"发动机叶片上应用。2005年8月，用纳米氧化锆热障涂层技术喷涂的高压涡轮导向叶片解决了烧蚀问题，顺利通过了"太行"发动机长期试车考核。

10)首次采用整体铸造钛合金中介机匣;其技术难题最终由北京航空材料研究院解决。

11)"太行"发动机试验初期所用的控制系统是数字电调系统，但其在稳定性、可靠性和抗干扰性等方面还不够成熟，因此改为机械液压方案，1998年12月，该方案装机试车，经过严格的考核验证，能保证发动机可靠工作。原来的数字电调方案则改为第二案，待发展成熟后再取代机械液压控制方案。

12)在"太行"发动机原型机研制阶段，高压涡轮盘采用了粉末冶金的新材料，但由于国内相关技术尚未完全成熟，从定型批这种材料被换掉。

截至2015年底，410厂已向海军、空军交付涡扇10发动机不少于400余台，被用于J11B、J11D、J16等机型，装备了不少于5个航空团。虽然经历了磕磕碰碰，但截至目前，没有一架搭载涡扇10发动机的战机因发动机故障坠毁。