压力畸变环境模拟试验器设计与试验

之帅1，孙家超1，翟政1，李运南1，金镜1，吴志昌1

摘要:为了获取压力畸变对核心机性能的影响，验证进气压力畸变条件下的部件匹配性,研制一种可移动插板式压力畸变精密控制环境模拟试验器。试验器上采用伺服电机、直线推杆驱动的方式，可控制插板停留到任何中间位置且控制插板按指定速度移动，使插板位置控制精度在±0.5mm。采用了流场数值模拟评估和静力结构强度验证的方式，解决了带插板进气道在试车过程中受到的沿航向的轴向力产生问题，实现了压力畸变试验器在工况条件下的应力、应变、位移等参数的结果应用。进气畸变试验分别在相对换算转速t1、t2、t3，进口综合畸变指数4%条件下录取了核心机性能，结果表明：在不同核心机转速条件下产生相同综合畸变指数时插板深度不同，转速越高，产生相同畸变时插板的深度越浅，验证了所研制的压力畸变试验器在进气畸变条件下的稳定工作能力。

关键词：压力畸变；试验器；流体仿真；强度校核；试验分析

Design and Experiment of Pressure Distortion Environment Simulation

Tester

Zhishuai Yu1, Zheng Zhai1，Shuai Zhang1, Yunnan Li1, Jiachao Sun1, Zhichang Wu1, Xiaofeng, Liu1Zuohong Liu1

(1.AECC Shenyang Engine Research Institute, Shenyang, 110015, CHINA)

Abstract:In order to obtain the influence of pressure distortion on the performance of core engine, and verify the matching of components under the condition of pressure distortion．The precision control tester for pressure distortion is developed. The tester adopts servo motor and linear push rod drive mode, which can control the board to stay in any position and control the board to move at the specifiedspeed, so that the control accuracy of the board position is within±0.5mm. The numericalsimulation evaluation and static structure strength verification are adopted to solve the problem of axial force along the course of the test run. The application of the stress, strain, displacement and other parameters of the pressure distortion tester under working conditions is realized. The performance of core engine is recorded under the conditions of relative conversion speed t1、t2、t3 and 4% of inlet comprehensive distortion index. The results show that the higher speed will be the shallower of the insert plate under the condition of different core engine speeds and same import comprehensive distortion index. The stable working ability of the pressure distortion tester under the condition of inlet distortion is verified.

Key words:pressure distortion; tester;fluid simulation; strength check; experimental analysis

0引言

进气压力畸变对航空发动机稳定性的影响是贯穿发动机整个研制过程的关键性问题[1-2]。现代发动机的飞行环境愈发恶劣，飞机的飞行速度、高度和机动性都在不断增加，大迎角过失速机动动作的不断采用，使发动机在使用过程中暴露出来的压力畸变对气动稳定性影响的问题愈发突出。压力畸变是较为常见且影响较为明显的一类进气畸变，它会降低发动机的稳定工作裕度[3-4]，严重时会出现失速或喘振现象。为获取压力畸变对核心机性能的影响，验证进气压力畸变条件下的部件匹配性。所研制的压力畸变试验器对发动机气动稳定性影响的预测研究工作，对发动机的研发具有重要的工程应用价值。

回顾国内外航空发动机的发展历程可以发现，在早期的研发过程中，设计人员对于发动机的性能指标过于重视，而忽略了发动机气动稳定性的重要性，对进气畸变的影响的认识也严重不足[5-6]。最典型的就是在 20 世纪 60 年代中期，美国在战斗机上装备的某型发动机，但是由于进气道与发动机的匹配不佳，导致进气道出口畸变过大，使得发动机频繁发生失稳，严重降低了战斗机的工作能力和作战能力，最后不得不提前退役并停止使用[7-9]。在发动机实际使用过程中，很多因素都会形成压力畸变。飞机机动条件下的大迎角、大侧滑、地面起飞时引起的地面涡以及大气侧风等都会引起进气道唇口、侧板等产生扰流分离等，使发动机进口气流产生不均匀脉动，从而形成进气压力畸变[10-11]。

美国 NASA 采取可调组合式畸变发生器，由两级静子和一级转子组成，可以模拟多种形状的图谱[12]；国内发动机研制单位大多数采取九十年代引进俄罗斯技术的插板式可调畸变模拟器[13]； 试飞院采用多种固定模拟板进行发动机逼喘试验，试验过程中插板不可调[14]；南航等高校也对插板式畸变模拟器进行了不同方面和不同层次的研究，并得出了一定的结论[15]。

本文设计了一种新型的可移动插板式压力畸变环境模拟试验器，从结构方面采用全新的机械传动方式，具有结构可靠，空间体积小，控制精度高等使用特点。对研制的压力畸变环境模拟试验器进行试验研究，验证了所研制的压力畸变试验器在进气畸变条件下的稳定工作能力。

1 压力畸变精密控制环境模拟试验器设计方案

为了开展畸变发生需求、原理分析，进行压力畸变环境模拟试验器设计，使试车台具备开展常温常压进气畸变试验的能力。压力畸变环境模拟试验器通过试验器支架安装在试验舱动静架上，试验器支架与试验舱动静架采用螺栓连接，方便安装拆卸，完成进气畸变实验后，试车台可恢复至原有状态，不影响正常试车。如图1所示为核心机压力畸变精密控制环境模拟试验器安装结构图。包括畸变试验装置、畸变试验装置前转接段、畸变试验装置后转接段、畸变试验装置安装座、畸变试验装置支架、直线推杆、伺服电机、进气道支撑杆安装座。

图1 压力畸变精密控制环境模拟试验器安装结构图

国内首次在压力畸变环境模拟试验器方面采用伺服电机、直线推杆驱动的方式，可控制插板停留到任何中间位置且控制插板按指定速度移动，插板位置控制精度在±0.5mm以内。控制系统可实现对插板移动的计算机自动、点动控制、控制线手动控制，使进气压力畸变系数具有手动调节、给定目标位控制功能，实现插板对发动机进气口的部分遮挡进而引起发动机进气口压力畸变。并且可接收喘振监测装置信号。喘振发生时，立即控制插板无条件地以最大移动速度(或指定速度)缩退到指定位置，当收到无源触点形式指令时，插板退到指定位置。其中，可移动插板到核心机进口截面距离可依据台架情况进行适应性调整。

支架根据试车台架安装尺寸和试车间空间要求设计结构如上图所示。试验器架连接压力畸变环境模拟试验器与试验舱动静架，实现试验器的台架安装。安装架采用焊接结构，用矩形钢管作为主框架，提高安装架整体刚度。安装架中心跨距2260mm，高1185mm，宽565mm，不影响现有测试设备等安装。

压力畸变环境模拟试验器利用电机推杆提供的推力推动插板，通过对发动机进气口的部分遮挡引起发动机进气口压力畸变，从而满足试验技术要求。如图2所示为核心机压力畸变环境模拟试验器内部结构模型图。

图2 压力畸变精密控制环境模拟试验器内部结构模型图

电机推杆主要功能是驱动插板，通过控制电机启停，使插板以试验技术要求中规定的速度进行移动，并在接收到急回信号时以试验技术要求规定的速度将插板拉回至初始位置。通过电机驱动直线推杆，驱动插板在滑槽内做直线往复运动。插板设置滚轮，以减少插板运动时产生的摩擦力，滚轮采用镶嵌式安装结构，可防止零件脱落，保证其结构安全可靠。

直线推杆可实现遮挡发动机进口截面的80%，可保证插板从最深处退出进气截面约3.68s。可依据其他核心机型号进口直径，设计转接，可适应不同进口直径发动机的进气畸变试验。

2 试验器数值仿真计算

2.1 轴向力数值计算

为评估某型发动机气动稳定性，完成发动机进气压力畸变试验任务，建设进气压力畸变试验平台。为了保证试验台架结构的安全可靠，在试验平台设计完成前，需对试验台架中所受沿发动机航向的轴向力大小进行评估。经分析，带插板进气道在试车过程中受到的沿航向的轴向力主要来自进气道唇口和插板处气流冲击所产生的气动力。

本文利用Fluent软件对进气道连同插板进行流场数值模拟，然后对数值求解得到的云图进行分析。最后，利用积分的方法分别得到插板插入进气道60%位置时进气道唇口和插板所受沿轴向的合力的大小。如图3所示为插板插入进气道60%位置处压力分布云图。

图3 插板插入60%位置压力分布云图

图4 插板受力结果

图5 唇口受力结果

采用Fluent流场计算和数值积分方法[16]，对插板60%典型位置的数值模型进行了数据分析，研究某型发动机带插板进气道在进行压力畸变试验时由于气动载荷的影响而承受的轴向力的大小。由图4和图5结果表明：带插板的进气道所受的轴向力主要来自两个部分：一个是进气道唇口部分，轴向力值为296.75N；一个是插板部分，轴向力值为5141.27N；并且，两个分力方向相反。插板60%位置所受的合力方向为发动机的逆航向，合力的大小为4844.52N。

插板位于进气道60%位置时，插板本身将受到比较大的轴向载荷，分别为5141.27N，在插板及固定进气道机械结构的强度设计时应加以考虑，插板在畸变试验装置滑槽内移动时，受到自身重力和气动轴向载荷，滚轮材料和滑槽材料均为1Cr18Ni9Ti，滚动摩擦系数约为0.12，计算得到插板运动过程中所受摩擦力为f=uG+uF=708.5N，电动推杆的水平推力6860N，选择的电动推杆型号满足设计要求。

2.2 试验器静力强度计算结果

建立压力畸变试验器三维模型，施加载荷及边界条件：对底架16个螺栓孔处施加固定约束，对试验器插板施加轴向方向5141.3N的载荷力，应变云图和应力分布云图如图6所示。

图6 压力畸变试验器应变云图

在载荷工况下，压力畸变试验器最大应变0.433mm。

图7 压力畸变试验器应变云图

在载荷工况下，压力畸变试验器最大应力38.37MPa。

从仿真结果可以看出，在载荷工况下，压力畸变试验器最大变形量为0.433mm，出现在压力畸变试验器耳座上。最大应力为38.37MPa，小于Q235钢的屈服强度，出现在压力畸变试验器支架方形钢管处，产生的应力和变形量较小，不会对力学试验造成影响，满足结构零部件的设计要求。

3 试验数据分析

发动机进气畸变试验是将可移动的插板安装在进气道内，通过调节可移动的插板来调节进气压力的大小，进而评估发动机的气动稳定性。对台架进气系统进行适应性改造，使之具备开展常温常压进气畸变试验的能力。

发动机安装在发动机安装架上，安装架固定于试验舱动架和静架上。台架前端安装有工艺进气道及支架。在原有发动机台架改造的基础上，按台架结构设计进气畸变试验装置结构，满足畸变试验装置安装要求，完成配装畸变试验装置时适应性改装工作。

核心机试车分别在不同转速下电机驱动插板推进直至某一特定综合畸变指数，得到的详细数据见表1。

表1 转速插板试车数据统计

序号	换算转速（r/min）	插板深度比例 (%)	堵塞比(%)	综合畸变指数（%）
1 2 3	t1 t2 t3	32.5 28.5 24	28.2 23.5 18.5	4.2 4.19 4.07

由上表可知当插板当发动机试车转速在t1r/min时，为达到综合畸变指数4%左右，需要将插板深入进气道直径32.5%的位置；当发动机试车转速在t2r/min时，为达到综合畸变指数4%左右，需要将插板深入进气道直径28.5%的位置；当发动机试车转速在t3r/min时，为达到综合畸变指数4%左右，需要将插板深入进气道直径24%的位置。

核心机在t1、t2、t3状态逐步移动插板至综合畸变指数达到4%，此时压力场分布云图对比见图8，沿周向分布线图对比见图9，由表1、图8及图9可知：不同核心机转速条件下产生相同综合畸变指数时插板深度不同，转速越高，产生相同畸变时插板的深度越浅。插板从顺航向右侧插入，在插板后方会形成一个低压区，顺航向左侧形成高压区，周向分布形成压力畸变。沿径向来看，靠近核心机流道内壁压力大，靠近外壁压力小。未插板状态下核心机压力分布较为均匀，综合畸变指数较小，其大小与核心机状态有关，核心机转速越高，进口空气流量越大，产生的畸变也越大。

核心机状态	未畸变状态	畸变发生状态
t1
t2
t3

图8 截面压力场分布云图对比（顺航向）

核心机状态	未畸变状态	畸变发生状态
t1
t2
t3

图9 AIP截面沿周向分布线图对比（顺航向）

4 结论

（1）某核心机首次进行进气畸变试验，对畸变发生需求、原理进行了分析优化，创新提出在压力畸变环境模拟试验器上采用伺服电机、直线推杆驱动的方式，可实现试验插板装置的精确控制，位置控制精度可在±0.5mm以内，实现了进给量伺服控制、急退控制。

（2）采用集成自动控制系统，可实现对插板移动的计算机自动、点动控制、控制线手动控制，可实现进气压力畸变系数的给定目标自动控制与手动调节控制功能，实现高频率快速响应。

（3）创新优化了插板运行机构，降低移动插板卡滞风险的同时提高了结构的安全可靠性。结构设计过程中采用模块化设计，可根据不同型号发动机更换连接配件，实现设备的通用性。

（4）创新提出了流场数值模拟评估和静力结构强度验证的方式。解决了带插板进气道在试车过程中受到的沿航向的轴向力产生问题，实现了压力畸变试验器在工况条件下的应力、应变、位移等参数的结果应用。

（5）核心机进气畸变试验分别在相对换算转速t1、t2、t3，进口综合畸变指数4%条件下录取了核心机性能，得出在不同核心机转速条件下产生相同综合畸变指数时插板深度不同，转速越高，产生相同畸变时插板的深度越浅，验证了核心机在进气畸变条件下的稳定工作能力。

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