第1章绪论
1.1概述
航空发动机研制过程中需要进行大量的试验验证，由于航空发动机技术复杂、研制周期长、投入多，而且高性能发动机飞行包线越来越宽，对性能、可靠性和耐久 性的要求越来越高，需要试验验证的内容和科目也越来越多。
航空发动机零部件试验包括以下几种：
（1）发动机风扇/压气机试验；
（2）发动机燃烧室试验；
（3）发动机涡轮试验；
（4）发动机结构强度试验；
（5）发动机机械系统试验；
（6）发动机燃油及控制系统试验；
（7）发动机空气系统与传热试验；
（8）发动机进排气系统试验等。
航空发动机整机试验包括以下几种：
（1）发动机整机地面（室内台）试验；
（2）发动机整机地面（露天台）试验；
（3）发动机模拟高空（环境）试验；
（4）发动机飞行试验等。
目前国际上著名的航空发动机制造公司，为提高自己产品的竞争力，所进行的考 核科目、试验内容都比规范要求的多得多，都建有不同形式和规格的试验设备及配套 的基础设施和动力设备，如直接参与试验的工艺空气气源系统、空气处理系统，以及冷 却水系统、燃油储供系统、电力系统等设备设施。
航空发动机的试验需求促进了试验设施的发展。20世纪50年代以前，航空发 动机的试验主要进行的是零部件试验，该时期的试验设备规模较小，投资不大。20世纪50年代后，世界各国的航空发动机整机试验进入高速发展阶段，其间美、苏、 英、法等国竞相大力发展航空发动机高空模拟试车台（简称高空台），其中以美国 ASTF （ The Aeropropulsion System Test Facility ）高空台、苏联 D^AM 高空台、英国 NGTE（National Gas Turbine Establishment）高空台、法国 CEPR 高空台等为代表， 部分国家高空台试验能力对比见图1.1。在这一阶段，对空气流量的需求呈现 阶跃式变化，是高空台技术迅速发展的一个显著特征，这导致气源系统、水系统、 电力系统等其他动力设施的规模也越来越大，使其占总投资的比例越来越高，达 到60%～70%，同时这些动力设施的建设周期长、工艺流程复杂、配套动力设备 设计制造难度大，因此航空发动机试验基础设施及动力设备的建设不仅是综合 国力的体现，也是航空发动机试验设备安全、绿色、高效、智慧运行的关键因素 之一。
1.2航空发动机试验与基础设施及动力设备
1.2.1基础设施及动力设备在航空发动机试验中的地位和作用
航空发动机的产品研制和技术进步离不开大量的零部件试验和整机试验，因 此，世界航空强国都建立了自己的航空发动机零部件试验和整机试验设备，特别是 高空模拟试验设备能够在地面（不受季节和气候条件限制）模拟与航空发动机空 中飞行高度和飞行马赫数条件下对应的进、排气环境，以满足发动机研制发展过程 中研究性试验、飞行前规定试验、定型试验、改进改型试验及排故试验等的需求。 从1937年德国建立起第一座冲压式发动机高空模拟试验设备起，全世界已有美 国、英国、法国、苏联、中国、日本等国家建设了不同类型的35座高空台，近100个 试验舱。据公开资料统计，美国建立了 10座高空台、几十个试验舱;英国建立了 3 座高空台、5个试验舱;法国建立了 1个试验基地、4个试验舱。高空台的建立对世 界航空动力技术的发展起到了极大的推动作用。这些高空台大多是直接连接式试 验台，采用连续气源供气模拟进气条件，高空高度的模拟采用了排气冷却器和大型 抽气压缩机组。
位于美国田纳西州的阿诺德工程发展中心（Arnold Engineering Development Center， AEDC）的推进系统试验设备（ASTF）于1985年完成建设，建设周期10年， 耗资6. 25亿美元。ASTF高空台包含了一个满足发动机试验条件的气源设施和两 个高空模拟试验舱（一个是直接连接式试验舱，另一个是自由射流试验舱）。气源 设施包含气源系统和空气处理系统，气源系统包含的供气系统有6台大型压缩机 组;抽气系统有12台抽气压缩机，总的抽气容积流量达220 000m3/min。空气处理 系统包含空气加温炉，可使试验舱的进口温度达793°C ;降温采用膨胀涡轮，空气 流量为720 kg/s，温度可达-101°C。冷却装置及气源机组冷却器冷却用循环水水量为10.5xl04m3/h。其高空台的大量投资用于气源以及大型的循环水、电力、燃 油储供等动力设施。从国内外的建设经验来看，航空发动机试验器的基础设施及 动力设备建设不仅建设投资大、建设周期长，而且大型动力设备建造困难，牵涉复 杂的工艺流程和运行技术，因此航空发动机试验器的基础设施及动力设备在试验 设备的建设中占据了举足轻重的地位。
通过美国ASTF高空台（图1. 2）的气源设施的配置可以了解，航空发动机核心 零部件试验器和整机试验器离不开庞大的配套基础设施及动力设备，其中，包括大 量供气和抽气的大型空气压缩机组、庞大的连接试验器与动力设备以及实现流程 控制和参数调节的动力管道系统。要满足不同功率和推重比的发动机完整的飞行 包线范围的试验，气源系统的能力是关键，而气源系统能力的提升离不开大型空气 压缩机组设计和制造技术的进步与发展。高空模拟试验中需要模拟被试发动机的 飞行高度，与飞行高度相对应的发动机排气环境压力就是通过高空模拟试验设备 中的抽气系统建立的;而高空模拟试验中需要模拟的被试发动机的进气速度则是 通过高空模拟试验设备中的供气系统实现的。因此，供气系统和抽气系统中的空 气压缩机组是高空模拟试验设备中的关键设备，其能力在一定程度上直接决定了 高空台的试验能力范围。由此可见，航空发动机试验设备及试验技术的发展与配 套的基础设施和动力设备的技术进步密切相关，如与气源压缩机组的能力、运行技 术及试验舱的尺寸、能力及试验技术相适应。随着气源压缩机组串并联运行技术 的成熟，通过多级机组搭配运行模式的改变，能够满足日益提升的高空模拟试验需 求;而单台机组的流量、压比和安全裕度越大，调节范围越宽，试验效能就越高;控 制与测试越精确，则操作就越简单，试验运行的可靠性，以及试验时调节的灵活性、安全性就越高。
航空发动机试验设备配套的基础设施和动力设备主要有以下几类：
（1）气源系统，由供抽气压缩机组、空气管网系统和辅助空气系统组成；
（2）空气处理系统，包括空气干燥及降温系统、空气加温系统，以及蒸汽生产 和输送系统、天然气系统；
（3）冷却水系统；
（4）燃油储供系统；
（5）电力系统。
以上分类没有严格的规定，根据习惯、功能布局或方便管理可自行定义分 类。在本书中按照作者的习惯将航空发动机试验动力设施分为五大类。为便于 叙述，也可将动力设施分为十个大类，即供抽气压缩机站、电力系统、空气干燥及 降温系统、空气加温系统、空气管网系统、冷却水系统、燃油储供系统、天然气系 统、蒸汽生产和输送系统以及辅助空气系统。在本书中还是按照五大类进行分 类描述。
由于试验基地当地的资源差异，航空发动机试验设备类型和所开展的试验科 目的差异，以及采用的设备和工艺的差异，配套的基础设施及动力设备也会有所不 同，例如，在一个缺乏天然气资源的地区建立试验基地，可以用燃油加温炉或空气 电加温炉来代替天然气加温炉；而当发动机负温试验时，如果在转气前直接将负温 空气排人放气塔，则可能造成放气塔结冰堵塞和消声装置损坏，所以需要将负温空 气与过热蒸汽掺混，当混合后的气体温度升至正温5°C左右时，再排人放气塔。随 着放气塔结构的改进和消声装置材料的改进，可直接用燃气加温炉的加热空气与 负温空气进行掺混，使空气温度提升到5C左右后，再排人放气塔，这样就不必配 置蒸汽生产系统。
航空发动机高空模拟试车台的基础设施及动力设备具有流量大、规模大、运行 费用高等特征，航空发动机零部件试验器的动力设备则具有流量小、温度高、压力 高、规模较小、频繁运行等特点，其动力设备的配置可灵活多变，例如，气源需求较 小时可在试验器附近独立配置压缩机组（如螺杆式压缩机组等）；空气处理通过一 套设备（电加温炉、冷干机、气波机等）就能满足;燃油可采用油罐车进行储供，而 不必建设庞大的设备设施。
1.2.2气源系统
1.供气与抽气压缩机组
供气压缩机组提供航空发动机试验所需的压缩空气，通过空气加温设备、空气 降温设备、空气管网系统在发动机进口提供模拟飞行速度和气候工况条件下所要 求的工作压力、温度和流量;而抽气压缩机组是在发动机出口建立与飞行高度对应的大气环境压力，抽走试验中发动机排出的燃气。因此空气压缩机组是航空发动 机试验气源系统中的关键设备。
航空发动机试验气源系统中的供气与抽气压缩机组一般米用离心式压缩机组 和轴流式压缩机组。我国早期使用的气源压缩机组均为离心式压缩机组，是20世 纪六七十年代由上海汽轮机厂和沈阳鼓风机厂仿制的苏联产品，离心式压缩机叶 轮结构的突出特点是经久耐用，特性线平缓，喘振裕度大，但效率较低。随着国家 制造业设计水平和制造能力的快速提升，实现了离心式压缩机组和轴流式压缩机 组单台机组的完全自主研制，陕西鼓风机（集团）有限公司研制的轴流式压缩机单 台机组空气流量已经达到20 000 m3/min，单台机组压比达到9，机组结构模型见图 1.3，大大减少了试验机组的台数和由此带来的烦琐的并网操作步骤，提高了试验 运行的可靠性。目前，我国的航空发动机试验用供气与抽气压缩机组既有离心式 压缩机组，也有轴流式压缩机组。根据压缩机性能和机组用途，通常将离心式压缩 机组用作供气压缩机组，将轴流式压缩机用作抽气压缩机组。
图1.3大型轴流式压缩机结构仿真模型图
2.空气管网系统
空气管网系统包括管道、管件、阀门和补偿器，用于连接试验器与空气系统设 备（包括供抽气压缩机组、空气加温设备、空气降温设备），实现试验流程控制和工 况调节。对于航空发动机高空模拟试验设备、风扇/压气机试验设备、涡轮试验设 备和燃烧室试验设备而言，空气系统设备和空气管网系统不是简单的能源生产和 输送设备，而是试验器不可分割的有机整体。空气系统设备及空气管网系统是这 些试验器的关键组成部分，设备及管网规模宏大，流程复杂，是试验方法和试验技 术实现的途径。
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