航空活塞式发动机 涡轮增压器转子包容试验方法 编制说明

《航空活塞发动机涡轮增压器转子包容试验方法》编制说明1空器标准化技术委员会提出并归口，由中国民用航空本标准的主要参与单位有中国民用航空适航审定中心、中国航空综合技术中国民用航空适航审定中心为标准主要编制单位，负责标准的编制，负责中国航空综合技术研究所、芜湖钻石航空发动机有限公司负责参与标准编制，负责项目申报及各阶段标准的技术协调和标准审查，负责组织和协调标准讨论会、审查会，负责标准送审和报批的材料准备等，编制组成员主要分工见22023年12月，根据工作需求，形成由中国民用航空适航审定中心、中国航空综合技术研究所、芜湖钻石航空发动机有限公司负责标准的编制，提出了标2024年3月，编制组根据工作计划，通过了解航空和汽车行业的相关标准，调研了国内外航空活塞发动机针对涡轮增压器转子包容试验的使用情况，并结合芜湖钻石航空发动机有限公司AEC2.0L发动机在适航取证过程中有关涡轮增压2024年5月，全国航空器标准化技术委员会在芜湖组织召开了《航空活塞式发动机涡轮增压器转子包容试验》等两项国家标准项目初稿讨论会，会议邀请了中国民用航空适航审定中心、中国民航科学技术研究院、中国航发湖南动力机械研究所、南京航空航天大学、中国北方发动机研究所、西安爱生科技技术集团有限公司等单位，共13位专家对标准初稿进行审查，共提出25条意见。会后，编制组根据初稿会收集到的意见，对标准进行了修改，形成了标准征求意和起草规则》进行编制，按标准制定的程序进行工作，广泛征求国内有关意见，1）总结活塞发动机适航验证试验和科研试验的经验，对过程、设施、数据2）协调相关标准，支持适航条款要求，参考同类型活塞式发动机相关试验33）考虑方法的通用性、可扩展性，对其他活塞发动机同类型试验具有普遍本标准主要规定了航空活塞式发动机涡轮增压器转子包容试验的方法、试验大纲的要求、试验条件、试验仪器设备、试验对象要求、试验步骤、试验数据处理，以及试验报告等内容，本标准主要依据GB/T20001.4-2015《标准编写第1章为“范围”主要说明本标准规定的主要内容和适用范围。本标准主要针对航空活塞用发动机涡轮增压器转子包容试验进行指导。由于航空用活塞发动机高空飞行包线大，为确保发动机性能稳定，需采用涡轮增压器在高空条件下对发动机进口气体进行增压，以确保能够持续点火和燃烧做功。目前航空用活塞发动机大都采用径流式涡轮增压器。本标准所述试验设备的接口要求均针第3章为“术语和定义”除引用GB/T23341.1和GB/T23341.2等两份标准中的术语外，还针对航空活塞发动机的特点，规定了“涡轮增压器”、“转子”、第4章为“试验目的”，主要阐述开展航空活塞发动机涡轮增压器转子包容试验的试验目的。涡轮增压器转子是航空活塞发动机的主要高速旋转部件，其工作转速可达十几万转，一旦破裂失效产生高能碎片并穿透增压器壳体，则有4对于民用航空发动机而言，涡轮增压器转子包容试验是重要验证条款，即CCAR33.34条“涡轮增压器转子”明确规定开展涡轮增压器转子包容试验，验因此，该试验的目的是确保在极端工况下，涡轮增压器转子发生破裂失效时，其壳体能够安全地包容高能转子碎片，防止出现非包容的高能碎片、不可第5章为“试验原理”，主要阐述了开展涡轮增压器转子包容试验的基本原由于转子包容试验为破坏性试验，可能产生非包容的高能碎片、火情等危险状况。对试验设备、试验人员的安全造成威胁。此外，为达到要求的转子破裂转速，需要对进气条件、试验件等进行改装改制。因此，转子包容试验一般转子包容试验主要通过高温气源设备，提供高温燃气，直接驱动涡轮增压器旋转，模拟涡轮增压器在发动机上的工作方式和环境。通过增大高温燃气供气量，提高涡轮增压器转速，至预定转速之上破裂。待试验转子破裂后，检验第6章为“试验前准备”规定了试验大纲、试验件、试验装置和试验测量设试验大纲是开展试验工作的主要依据性文件，本节根据涡轮增压器转子包试验件一节规定了试验件应满足的要求，包括试验件的动平衡，外观检查等。此外，还特别提出了产品的制造符合性检查要求。本标准主要针对民用航空发动机产品，涡轮增压器转子包容试验是适航规章的一个重要条款，是向局方表明符合性的重要验证试验项目。按照民航适航规章要求，开展试验前，需进行试验件和试验设备的制造符合性检查，检查合格后才能开展试验。本节内5试验装置一节针对包容试验试验装置的组成、功能和具体要求进行了说明。首先给出了涡轮增压器转子包容试验的试验装置组成示意图。并分别叙述了每1）对试验台气源供应管路提出了要求，要求“为圆形截面，无截面突变，无急转弯等方向突变。当受限于试验室环境无法满足上述要求时，应至少确保接近涡轮增压器入口部分有相对较长的平直段，长度不小于5倍管路直径”，该要求主要是为了确保涡轮增压器进口处气体流场均匀稳定，防止因管路设计不2）对试验台气源供应能力提出了要求，要求其“配有燃气发生装置，当燃气发生装置工作时，可以产生大量高温燃气并持续稳定地供应”且“配有流量控制系统，通过精确可调的阀门，以便调整进入涡轮增压器的气体/燃气流量，从而控制涡轮增压器的转速”。本试验整个试验周期内，要消耗大量燃气，因此对燃气供应能力提出要求，此外，本试验需要通过急加速的方式促使涡轮增压器转子在最小破裂转速之上破裂，转子主要受燃气驱动，其转速与燃气流量3）对试验台测量参数提出了要求，要求试验台能够测量涡轮增压器进口温度、涡轮增压器转子转速、滑油压力、滑油温度等。这些试验参数是了解试验件状态，确认试验结果有效性（破裂转速）的重要监控参数，因此试验台应提供采集与显示相关参数的接口和设备。此外还提出试验台应有视频记录功能，要求通过摄像设备对试验过程进行记录，这些视频资料可以帮助判断壳体包容4）对试验台安全防护措施提出了要求，该试验为破坏性试验，试验介质包括高温燃气，且存在高速旋转的转动部件。因此，必须配备试验安全防护措施，具体包括试验台主动保护系统，如过热保护、过压保护、泄露等，应能自动或人工实现紧急停车。此外，标准还要求试验台配备灭火系，以应对高温燃气可试验测量设备要求一节对试验用测量设备提出了要求，包括转速、燃气温度、滑油压力和温度的测量精度。此外也提出了民用航空产品的制造符合性检6第7章为“试验要求”，规定了航空活塞式发动机涡轮增压器转子包容试验的试验流程、试验条件确定、试验条件修正、试验件改制、试验件安装和试验试验条件确定一节，针对试验转速、试验用滑油类型等提出了要求。其中，针对试验转速，适航规章要求需要考虑正常转速控制装置不工作时，涡轮增压器能达到的最高转速，并基于壳体材料性能和尺寸公差的最不利组合对最高转速进行了修正，从而获得破裂转速。这一要求有别于其他行业用涡轮增压器包容试验的转速要求（如GB/T23341.2-2018标准规定为标定转速的1.2倍）。这主要是因为航空发动机用涡轮增压器工作包线广，使用环境相较地面而言更苛刻，在某些单点失效情况下，涡轮增压器可能经历更高的转速，在这种情况下，如果转子由于低循环疲劳失效可能会击穿机匣壳体，造成危害性后果。因此，在试验前需要结合发动机设计特征对涡轮增压器在整个工作包线内最严苛条件下的转速进行分析。标准要求应考虑“如果发动机设计包含转速控制装置，则应考虑该转速控制装置不能正常工作时，涡轮增压器转子可能达到的最高转速，并将该转速作为试验的最低破裂转速”。即假定涡轮增压器超转保护设计失效（单点失效）条件下，转子可能经历的最高转速。此外，标准还提出“压气机进口压力使用试验室大气压力，当试验过程中涡轮增压器无法达到最低破裂转速时，可控制涡轮增压器的进口压力为负压，从而达到试验的转速要求”。由于试验在地面环境下进行，确定的最小破裂转速可能为高空条件下的破裂转速，在地面试验时，大气环境可能导致压端负载过高，影响转子增速，以至于无法达到预定转速。因此，为使试验顺利进行，允许人为遮挡压端进口，制造负压试验条件修正一节，主要提出了针对航空活塞式发动机涡轮增压器转子包容试验的修正要求。从适航规章的角度，对民用航空产品的验证需要考虑最不利的情况，但现实中无法制造出一个理论上性能最差的试验件开展试验。因此需要考虑各修正因素，对试验条件进行修正，以便能对试验件进行最严苛的考核。对强度影响较大的因素包括材料性能、尺寸公差和温度及温度梯度等。针1）材料性能对壳体包容能力有显著的影响，一般通过获得试验件壳体材料的实测性能与材料规范中最小材料性能进行比较，获得其对包容能力的影响，7通过增加试验件最小破裂转速的方法，加大对壳体的考核，从而达到考虑材料2）尺寸公差对壳体厚度有影响，进而会影响包容能力。一般通过对壳体进行机械加工，适当减薄壳体厚度的方式进行考虑，理论上，将壳体厚度减薄至小于名义公差更加保守，但是也需要考虑剩余壳体的包容能力。因此，标准要求“具体减薄的尺寸需综合考虑壳体加工的名义公差以及壳体包容能力”。此外，由于转子在高转速下可能会出现转子胀大的情况，进而与壳体碰磨影响试验，标准提出了“可以对增压器壳体内部进行机加工，以确保转子与壳体间留3）高温条件下，材料性能会减弱。温度梯度也会产生额外的热应力从而对可能包容能力产生影响。一般采用涡轮进口温度条件与发动机正常运行条件一4）除上述因素外，试验转速测量设备存在的误差对试验结果也会产生影响，试验件改制一节给出了具体试验件改制要求。重点提出了试验转子弱化的改制要求。涡轮增压器包容试验主要是针对由低循环疲劳等原因导致的转子失效。试验用涡轮增压器转子一般不存在裂纹等缺陷，如果不进行弱化改制，则转子的破裂转速可能远远超过最小破裂转速。这种转速条件在试验室环境难以实现，同时高温燃气驱动存在转速极限，此外转子在如此高转速下破裂，可能具有较高的动能，壳体难以实现包容。这种远超现实的情况失去了考核的意义。所以一般需要对转子进行弱化改制，以确保其在不超出最小破裂转速太高的情况下，实现破裂。对转子弱化一般采用割槽或钻孔的方式，具体加工程度要结合转子材料特性、结构特征确定，原则上应确保试验转子在不低于确定的破裂转速条件下破裂。此外，轮盘碎片为整个轮盘的1/3时，具有的能量最大，所以在弱化时应考虑确保转子破裂最大释放碎片不小于整个转子的1/3的方式进行加8图1转子弱化示意试验件安装要求“考虑涡轮增压器在发动机上实际安装位置、角度和接口形式。避免因试验件安装形式差异对试验结果产生影响，安装过程应记录实际安装位置”。这是因为民用航空发动机要求考虑高能碎片从轴向喷口飞出的情况，要记录碎片的飞行轨迹和能力（即大小），以便评估可能飞出的碎片对飞机机体的影响。因此，按照涡轮增压器实际安装形式安装，能够获得更贴进真试验步骤一节，按顺序描述了试验各步骤的工作和要求。由于试验转子弱化程度决定了转子破裂转速，实际弱化过程可能存在偏差，导致试验转子可能出现弱化程度过大，未触及最小破裂转速即破坏的情况，该情况视为试验失败。也可能出现弱化程度不足，超出最小破裂转速仍未破坏的情况，该情况下可采取转速升降循环的方式模拟低循环疲劳过程，促使其破坏，若该方法无效，则试验数据测量采集一节提出试验应重点采集的参数，包括叶轮破裂时的转试验后检查一节规定了试验完成后，应开展的检查工作。包括碎片记录要求，如前所述，飞出碎片是表明对民用适航规章符合性的重要证据。此外还有1）涡轮增压器在不低于试验大纲规定的转速条件下发生破裂，如果试验件未达到最小破裂转速，则意味破裂转子能量未达到最严苛状态，对壳体考核不92）破裂为轮毂飞裂，最大的碎片不小于整个转子的1/3。如前所述，转子碎片为整个转子1/3时，转子碎片具有的平动和转动动能最大，对壳体考核最严苛。实际试验过程中，无法保证转子碎裂为相等的3部分，因此，判据中只要求最大3）壳体无穿透性裂纹，未出现可能导致滑油泄漏的裂纹。该判据强调无穿4）无外部安装构件脱落，由于高能碎片冲击力大，可能对涡轮增压器安装构件造成影响，涡轮增压器在高能碎片的冲击下脱落可能会造成高温燃气泄露，整个增压器飞出等情况，在飞机运行情况下，这些现象可能造成的后果未知，5）其他判据主要针对可能造成滑油泄漏或燃气泄漏进而造成火情的情况，第8章为“应急处置”，规定了涡轮增压器转子包容试验过程出现任何故障或异常情况的预案，同时规定了这些故障或异常对试验影响分析及后续的处理第9章为“试验数据处理”，给出了涡轮增压器转子包容试验过程中采集到本标准是通过结合FAA、EASA对航空活塞式发动机涡轮增压器包容性的适航要求，以及国内外航空活塞式发动机（AEC2.0L、AE300发动机等）包容性符合性验证的经验编制而成，本标准规定的航空活塞式发动机包容性要求在按照CCAR-33-R2部第33.34条的要求，涡轮增压器的壳体要能包容住正常转速控制装置不工作