航空发动机气动稳定性设计、验证与适航(二)

需求定义和分解流程中,将整机稳定性要求由上至下层层分解到整个压缩系统乃至风扇、增压级和高压压气机。随后由下至上开展设计与验证活动。
需求定义和分解流程中,将整机稳定性要求由上至下层层分解到整个压缩系统乃至风扇、增压级和高压压气机。随后由下至上开展设计与验证活动。

流程中的活动即为整个设计与验证活动,包括需求定义和分解、综合与验证,如图 4 中 V 模型所示,应用系统工程方法论而科学的开展设计、验证及确认活动。

4 气动稳定性设计与验证 V 模型

需求定义和分解流程中,将整机稳定性要求由上至下层层分解到整个压缩系统乃至风扇、增压级和高压压气机。随后由下至上开展设计与验证活动。首先,通过利用一维流动关系式,对平均半径基元级开展计算,确定子午面通流图;其次,开展 S2 流面通流计算,确定不同径向高度基元级速度三角形;采用半经验方法开展叶片造型和优化设计;最后,进行变工况下的全三维数值模拟以及强度、振动预估。通过以上的迭代设计,筛选最佳方案开展试制试验,在试验基础上优化定型。这些设计计算程序并非固定,需要在各个阶段补充试验配合,经过反复多次修改,逐步调整,综合平衡,最终得到满意方案。针对设计方案,开展降稳因子分析,制定加减速和起动控制规律,研究 VSV/VBV/TBV 等扩稳控制方式,进行整机气动稳定性分析。在裕度满足要求的基础上,开展部件级试制试验。首先开展部件级节流逼喘试验,测定 openbeta 裕度,测试畸变和瞬态加减速情况下喘振裕度。对于多级高压压气机,参考 E3 发动机成功研制经验,串行开展六级与十级的机械运转试验及性能试验,确定带可调静子的前几级压气机的增压、效率和失速特性,测定高转速性能及失速裕度,优化静子调节规律,研究慢车以下的起动范围,测定压气机放气等对性能的影响。其次,开展核心机燃油阶跃试验。最后,进行整机侧风和畸变试验,完成高空台模拟或者飞行台试验验证,确认整机具备充足的气动稳定裕度。

总之,在项目的管理和组织实施层面上,系统工程方法的重要意义在于为整个项目提供了正确的流程方向和必要的组织保障。对于工业界而言,在进度、成本、流程、风险得到正确的考虑后,对关键技术的踏实攻关和务实的工程实践最终促成了符合 CCAR33.65 条款要求的喘振与失速特性的输出。对于适航审定而言,局方关注的是安全性与可靠性,建议借鉴系统性思维方式审查设计、制造与确认流程,凭借严谨深入的专业技术能力审查适航条款的符合性。

作者:发动机审定中心

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