苏联中央航空发动机研究院访问记｜陈光谈航发87

陈光

笔者有机会1988年12月下旬访问了苏联中央航空发动机研究院(简称 ЦИАМ),与近十位苏联航空发动机专家就强度、燃烧、结构和调节等技术问题进行了讨论,并参观了该院部分试验设备。现将参观见闻整理如下。

1 、概 况

ЦИАМ 是由苏联中央空气流体动力学研究院的螺旋桨发动机部与苏联中央汽车- 内燃机科学研究院的航空部于1931年合并组建的,专门从事航空发动机基础理论研究与应用技术研究,是苏联各发动机设计局、生产工厂的技术后盾和试验基地。它为苏联航空发动机工业做出过杰出贡献,也是当今世界闻名的航空发动机研究机构之一。

ЦИАМ 本部位于莫斯科市内城东的航空发动机大街2号,院内办公楼与研究楼、试验楼和各种厂房交错排列,大部分还是20世纪30~40年代的建筑物。

院长、科学技术博士德·阿·奥尔洛德尼柯夫教授指着他办公室窗外正在施工的建筑物告诉我们,那是新的办公楼与研究大楼,耗资1500万卢布(合2250万美元)。待新楼启用后,老楼将拆除,然后在旧址上再盖新的建筑物。兴许这就是该院正在着手的现代化改造工程项目之一。

在该院的试验设施中,一些小型的、比较陈旧的设施都在院本部内,而新的大型设施则建在市郊试验基地。

由副院长陪同,我们参观了院本部的小型发动机高空试车台,气候环境试验台,小型转子超转试验台,多级压气机试验台,结构元件疲劳试验室,计算机数据处理中心,计算机辅助设计系统,叶片间气流流动计算机系统,发动机 飞机计算机辅助设计系统,以及发动机、飞机微机数据库等。

由院本部驱车前往试验基地大约需要1h,途中得穿越一大片森林地带。 从建筑物的外形与布局看,此基地显然是在20世纪60年代以后兴建的。在基地主任陪同下,我们参观了高空试车台及其附属设备。随后,我们去强度、振动试验厂房(建筑面积为2.5万平方米),参观了大型转子超转试验台、热疲劳试验室、振动试验室、轴承与齿轮试验室、颤振试验室与数据处理中心、发动机机匣强度试验室等设施。

这些设施虽然不算太新,但是已经开始配备微机进行数据处理与操纵。一些先进技术(加激光多普勒测速仪)也已采用。据基地主任介绍,他们正在进行试验设备的现代化改造工作。

大部分试验设施都在紧张运转,每台设备有介绍设备和典型试验结果(数据、曲线)的挂图。图表清晰,字迹工整,从中可以看出工作人员对工作一丝不苟的负责精神。

2 主要试验设备

2.1 大型发动机高空试车台

大型发动机高空试车台是试验基地主要的大型设备,如图1所示。它能用来试验苏联研制的各种涡喷、涡扇发动机,目前正在改建中。

高空试车台的主要性能参数为:进入试验发动机的空气温度范围为-60 ℃~300 ℃(改建后将达到400 ℃);模拟的飞行高度和速度分别为20km,Ma3.0;在模拟的高空与低空条件下进气量分别为240kg/s(改建后为360kg/s)和600kg/s。

高空试车台还可模拟热带地区和雨天气候条件,以及在Ma=1.8~2.5 来流速度下对飞机进气道进行试验。进入试验发动机的空气利用燃烧室进行加温。

我们在现场看到两种加热设备,一种是在进气管道(直径约1.7m)内布满了类似 AИ20发动机环形燃烧室的头部,另一种是在进气管道外面装有多个类似BK 1发动机的单管燃烧室。空气降温靠轴流膨胀涡轮实现,采用由大型电机驱动的压缩机对空气加压。

图1、大型航空发动机高空试车台

2.2 小型发动机高空试车台

小型发动机高空试车台(见图2)建在院本部,能对推力低于31.9kN、功率低于9 MW的涡喷、涡轴和涡桨发动机进行高度 速度特性试验,并能模拟气候条件。

其主要性能参数如下:

进气温度为-70~120 ℃;模拟的飞行高度和速度分别为0~10km和 Ma0~1.5;在模

拟的地面和高空条件下的最大气流量分别为30kg/s和15kg/s。

2.3 气候试车台

气候试车台建在院本部,用来模拟各种气候条件以试验发动机在不同高度的机场条件下的启动性能,以及滑油、防冰等系统的工作能力。其主要性能参数如下:发动机进气温度为 – 70 ~ 70 ℃;模拟的高度为0~4.5km;在模拟的地面和高空条件下最大进气量分别为30kg/s和15kg/s。

图2、小型发动机高空试车台

参观时,台架刚进行过Pд33加力型涡喷发动机的低温启动试验。12月下旬,莫斯科白天室外气温低达零下17 ℃左右,而试验舱的温度更低,犹如冰窖,使人不敢久留。

2.4 风洞吹风试验装置

风洞吹风试验装置(见图3)是利用大风洞产生的高速气流(流速可达到300km/h)模拟飞机起飞、着陆条件以试验发动机进气道、压气机进口导流叶片等的结冰过程和除冰系统的除冰效果,以及研究侧风条件下发动机的工作稳定性和防喘系统的工作情况。在风洞出口截面处装有喷水装置。

2.5 压气机部件试验台

压气机部件试验台(见图4)可用来试验全尺寸涡扇发动机上组合在一起的风扇 压气机,也可对模型压气机进行地面及高空高速特性试验。试验压气机由两台功率各为18.5 MW(约25000hp)的燃气涡轮通过并车装置和减速装置传动,最大转速可达17000r/min。

图3、风洞吹风试验装置

2.6 多级压气机试验台

多级压气机试验台建在院本部,由一台10 MW(13400hp)的电动机作动力,两端均可驱动多级模型压气机,用以研究模型压气机的综合特性以及叶片间气流流动情况。最大空气流量为25kg/s,压气机进口压力为0.5~3.5Pa,最大转速可达35000r/min。

在这种不算新的试验装置与操纵台上已采用自动化数据采集与处理系统,并配备了工业用摄像设备,在操纵台上方可显示6个关键部位的外观。叶片间气流流动情况用激光多普勒测速仪测定(见图5)。 试验时只需两名操作员。

图4、压气机部件试车台

2.7 燃烧室试验台

燃烧室试验台可用来进行全尺寸燃烧室的各种性能试验,并可在模拟的地面及高空条件下对燃烧室进行修整。

试验段的进气压力可分为两挡:低压(低于12Pa)时,进气量不大于250kg/s,进气温度为-53~600℃;高压(不超过20Pa)时,进气量不大于50kg/s,进气温度为-13~730 ℃。

2.8 涡轮部件试验器

涡轮部件试验器可用于带冷却叶片的单级涡轮的性能试验。 试验器传动功率为 9 MW(12000hp),进入试验涡轮的燃气的最高温度可达1530 ℃,最大燃气压力为16Pa,转速为16000r/min。

2.9 轮盘及转子的扭转与循环试验台

轮盘及转子的扭转与循环试验台可在模拟的使用条件(载荷、温度)下确定轮盘及转子的低循环疲劳寿命及研究超转能力、裂纹生长与扩展过程、破裂转速与形式等。共有三座试验台,试件均立式安置在地坑内。

其中一座用来试验小尺寸转子,转速可达60000r/min,建在院本部;另两座用来试验大尺寸转子,转速可达25000r/min,建在试验基地的强度试验楼内。

这些试验设备均用电感应加热方法在轮盘上产生沿径向温度场,最高温度可达到850 ℃。我们参观了其中两座。地坑防护铅块上伤痕累累,说明试验台已进行过多次转子破裂试验。

图5、压气机试验台配备的激光多普勒测速仪

2.10 发动机机匣强度试验室

发动机机匣试验室建在试验基地,用来对全尺寸真实发动机进行机匣的静力及循环试验。

试验室面积很大,相当于一般的飞机静力试验室。30个液压作动筒对发动机机匣施加各种载荷,每个作动筒的作用力可达392kN(40t),液压系统的液压可达320Pa。机匣用电炉加热,温度最高可达300 ℃。试验时,可自动录取并处理300个数据。参观时,正好有一台进口直径约1.8m的大型涡扇发动机装在试验台上,若干根钢索通过作动筒拉住发动机机匣。

2.11 轴承试验合

轴承试验台建在院本部,最大转速可达90000r/min,最大 DN值可达4.0×106,滑油可加温到270 ℃,试验轴承可加温到250 ℃,作用于试验轴承的径向力与轴向力均为49kN。试验时,还可模拟轴承内环偏斜的条件。

据介绍,ЦИАМ还准备开展诸如弹性支座、挤压油膜、轴承滑蹭和内外环反转等结构设计方面的试验研究。

3 友好的接待

在整个参观过程中,我们始终受到苏联有关方面热情、友好的接待。根据苏联航空工业部波尔布特和崔可夫两位副部长的指示,ЦИАМ院长为我们参观做了周密的安排。 副院长等各级领导和专家轮流陪同我们参观了该院近20项主要的试验设备,对我们提出的问题一一做了耐心的解答,还为我们做了操作演示。

在技术讨论中,年逾八旬的著名强度专家B.М.达列夫斯基博士抱病出席会议,与我们进行了热烈的交谈。

波尔布特与崔可夫两位副部长接见我们时,一再表示了要与我国在航空发动机领域开展各种形式的合作的愿望,并且说 ЦИАМ已经做好与中国同行开展合作的准备。

在我们访问期间,正值著名的强度专家 И.А.比尔格尔教授70寿辰。在 ЦИАМ为他举行的庆祝会上,我们见到了仍然活跃在科研与生产第一线的苏联许多老一辈的科学家。

前来参加庆祝会的苏联著名发动机设计家、三次列宁勋章获得者、科学院院士、85岁高龄的尼·德·库兹涅佐夫,得知会上有中国同行时,高兴地前来与我们见面、交谈,并一起合影留念。能结识这位在50年代就为我熟知的发动机设计家,使我们此次莫斯科之行添色不少。