民机对航空发动机整机试验技术要求的初步分析

民机对发动机整机试验技术要求的初步分析
陆德雨、黄顺洲
中国燃气涡轮研究院总体性能技术室成都610500
摘要机发动机在研制完成后，在装机使用前，需要通过民机适航条例的考核验证。

本文主要对民机适航条例中对发动机整机试验的要求进行了初步分析，并对比了民机适航条例与目前国内发动机行业较熟悉的GJB241之间的异同。

此外，民机发动机在适航取证过程中，对于各项要求不能讨价还价，这一点与军用发动机在适用国军标过程中对条例的剪裁存在着很大的差别。

关键词机发动机适航国军标
前言
国家大飞机专项工程已经立项，这是中央的重大战略决策，是建设创新型国家的标志性工程。

航空工业迎来了历史性的发展机遇，同时也面临着前所未有的挑战。

我国国内目前没有自主研制的大飞机，民机市场被波音、空客公司瓜分，这严重制约了我国航空工业的发展。

我国发展大飞机已经刻不容缓，但我们也应看到，虽然我国航空工业经过数十年的发展，取得了长足的进步，但我们大飞机的研制力量还非常薄弱，尤其是大飞机用的发动机的技术水平，与国外同类飞机动力相比，差距极大。

我国发展大飞机将遇到各种各样的困难，其中发动机是大飞机发展的主要瓶颈。

虽然我们在大飞机研制初期可以购买国外的发动机，但这种做法具有很大的危险性，将使我国大飞机的研制受人以柄。

为了自身的利益，国外供货商随时都可能切断发动机的供应，导致我国大飞机整个项目停顿或中止，这种惨痛的经历在我国航空工业的发展历史中已多次出现。

因此我国要发展大飞机，必须自主研制大飞机的动力—大涵道比涡扇发动机。

应该看到，我国发动机的研制水平与国外之间还有非常大的差距，尤其是民用涡扇发动机，几乎是一片空白。

我国民用发动机的研制必将遇到各种各样的挫折，也必将遇到国外的阻力和封锁，其中国外利用技术优势，制定的发动机适航条例，将是我国民用发动机投入使用前的巨大挑战。

虽然我国国内民航总局也颁布了相应的适航条例，但由于国内民机研制并不多，国内对民机发动机适航条例运用很少，也没有大推力涡扇发动机通过该条例的考核。

相对而言，国内军机发动机的研制进展较大，较多地遵循了GJB241的要求，但民机发动机需要遵循的是民机发动机适航条例。

而我国为发展大飞机，动力装置的研制和使用将不可避免地要遇到适航的问题。

适航证是一架飞机生产、销售、运营的前提条件。

国外适航最主要的是由美国联邦适航局(FAA)和欧洲联合适航局(JAA)颁发的适航证。

按照目前国际航空市场的“游戏规则”，FAA和JAA颁发的适航证是一架飞机生产、销售、运营进入国际市场的“门票”，没有FAA和JAA的适航证，任何先进的飞机也只能飞国内航线。

一张小小的FAA和JAA的适航证，就足以“掐”住一架飞机进入国际市场的“喉咙”，尤其在险恶的国际竞争环境下，适航证成了航空垄断霸主打压竞争对手最有力的武器。

当前世界民机市场几乎都被波音
和空客公司所瓜分，他们之间虽然存在着激烈的竞争，但对于胆敢向他们垄断地位提出挑战的后来者，出于利益的考虑，他们都会采取同样的封杀策略，曾经的竞争者—前苏联也在他们联手的抵制下，民机工业整体萎缩，俄罗斯自己国家的航空公司都不买俄罗斯飞机，俄罗斯大型飞机制造、特别是干线飞机制造基本上垮掉了。

因此，我国搞大飞机项目，除了面临重重技术难关以外，还不得不遭遇先行者利用技术优势对我们的刁难与“挑刺”，适航条例成为我国民机动力研制必须迈过的“坎”。

目前世界通行的民机发动机适航条例中，对发动机整机试验提出了明确的技术要求。

本文通过对这些要求的初步分析，并将之与国内军机通用规范对发动机整机试验要求的比较，希望能为即将从事民机发动机研发的设计部门提供一定的参考。

1 适航条例对发动机整机试验提出的要求
1.1 适航条例对发动机一般性的要求
目前世界上主要存在的是分别由美国联邦适航局(FAA)和欧洲联合适航局(JAA)颁发的适航证。

我国国内引进了美国联邦适航条例Federal Aviation Regulation(FAR)并制定了我国自己的适航条例CCAR，对于发动机而言是FAR33部（国内是CCAR33部）。

适航条例对于民机发动机取得适航证提出了多方面的要求，其中包括：
–A分部（总则），主要规定发动机申请认证之前需要提供的材料，例如发动机安装和使用说明手册、发动机额定值和使用限制、发动机功率和推力额定值等；
–B分部（设计与构造—总则），主要规定航空活塞式和涡轮发动机的一般设计与构造要求，其中包括：使用限制的一般要求、对材料、防火、耐久性、发动机冷却、发动机的安装构件和结构、附件连接装置、对压缩部件的一般要求、对电气和电子控制系统、仪表连接的一般性要求；
–C分部（设计与构造—活塞式航空发动机），主要提出了对于活塞式发动机附加的设计与构造要求，例如对振动的要求，对燃油和进气系统、点火系统、润滑系统等的附加要求；
–D分部（台架试验—活塞式航空发动机），主要对于活塞式发动机提出了台架试验的内容和要求，其中包括振动试验、持久试验前后的校准试验、发动机持久试验、发动机部件试验和持久试验完成后的分解检查要求等；
–E分部（设计与构造—航空涡轮发动机），主要提出了涡轮发动机附加的设计与构造要求，其中包括应力分析、振动分析、对喘振和失速的要求、发动机在引气条件下工作能力的要求、对燃油系统、点火系统、润滑系统等工作能力的要求、对发动机吞入外物（鸟、冰、雨等）条件下工作能力的要求等；
–F分部（台架试验—航空涡轮发动机），主要提出了涡轮发动机台架试验的内容与要求，其中包括振动试验、持久试验前后的校准试验、发动机持久试验、发动机超温试验、部件试验、叶片包容性和转子不平衡试验、反推力试验和持久试验完成后的分解检查要求等。

适航条例对发动机（部件、系统）设计、试验等各个方面提出了要求，从性能先进性和安全性方面对发动机进行系统全面的考核与检验。

1.2 在适航认证时发动机应完成的典型整机试验
对于目前应用广泛的大涵道比涡扇发动机，适航条例的第E、F分部提出了详细的要求。

尤其是
对于台架整机试验做出了详细的规定，包括振动试验、持久试验前后的校准试验、发动机持久试验、发动机超温试验、部件试验、叶片包容性和转子不平衡试验、反推力试验等等。

其中较为典型的是整机的振动试验（FAR33.83 振动试验）和发动机包容性试验（FAR33.94 叶片包容性和转子不平衡试验）等。

对于整机的振动试验要求的内容简单整理如下：“每型发动机必须进行振动测试，以确定可能由于机械或空气动力导致激振的部件的振动特性”，规定在整个飞行包线内，发动机在各种工作情况下（例如可变静叶角度、压气机引气、附件加载、进口最大畸变等）均应完成评估，涉及的部件包括转子叶片、静子叶片、转子盘、隔圈和转子轴等，试验范围包括从最低转速到超转转速。

简单地说，就是针对发动机在整个使用范围内，各种使用条件下对各个重要零部件完成振动测试试验，并且试验结果须证明没有不可接受的振动应力。

已有资料表明，国外著名的航空发动机公司的产品都经过了该项考核。

例如P&W公司的PW4168型发动机，先后在地面台和高空台上完成了风扇和低压压气机转子叶片、轮盘和鼓筒的应力测定试验，并且还完成了进口畸变条件下的应力测定试验；PW4000-112型发动机在测定高压压气机叶片轮盘振动应力过程中，针对其他类似型号的发动机转静子叶片振动应力过大采取了改进措施。

此外，对于民机而言，叶片包容性试验也是强制要求完成的比较典型的试验，这在FAR33.94中有明确的规定，从相关资料的介绍中可以看出民机发动机适航认证的最后阶段，发动机最大运转状态下，通过人为破坏的方式使风扇叶片从根部脱落，以考核发动机的包容能力。

2 军用发动机通用规范对整机试验的要求
国内虽然也根据FAR33部制定了我国自己的发动机适航条例CCAR33部，但实际应用到发动机研制中的很少，国产的只有WJ系列的几种型号的发动机通过了认证，对于民机用的涡扇发动机而言，国内还没有一种型号的发动机通过了适航条例的考核（国内在研的支线客机ARJ21采用的是美国通用电气公司的发动机，该发动机不存在再次认证的问题）。

国内在研的涡扇发动机主要是军用发动机，适用的是我国参考美军标制定的国军标GJB241-87。

国军标GJB241-87是目前国内军用发动机研制必须遵循的强制性标准，其中对发动机的设计、部件（系统）试验、整机试验等都做出了规定，在整机试验方面，确定了在发动机不同研制阶段的试验内容和要求：
–技术鉴定试验，主要规定了在飞机系统引气、滑油中断等条件下发动机工作能力的考核试验、发动机振动测量试验和发动机性能修正系数验证试验等；
–飞行前规定试验，主要规定了发动机在飞行试验前必须完成的试验内容，其中包括发动机持久试车前的校准试验、发动机高空试验（高空性能试验、推力瞬变试验、功能试验、起动再起动试验等）、发动机结构试验等；
–定型试验，主要规定了发动机定型前应完成的试验内容，包括发动机持久试车（持久试车前后的校准试验、发动机起动试验、持久试车后的分解检查等）、发动机附件试验（附件模拟工作试验、附件环境试验、单个附件的特殊试验）、发动机高空试验（高空性能试验、推力瞬变试验、功能试验、进气畸变试验、起动再起动试验等）、发动机环境和吞咽试验（高低温起动和加速试验、环境结冰试验、腐蚀敏感性试验、吞入外物试验、噪声测量试验、排气污染试验）、发动机特性和燃油试验、发动机结构试验（发动机低循环疲劳试验、发动机包容性试验、转子结构完整性试验等）；
–验收试车，主要规定每台发动机在交付使用前应完成的试验内容，其中包括发动机运转试验
和附加运转试验等。

3 通用规范和适航条例对发动机整机试验要求的差异
GJB241-87军用发动机通用规范与民机适航条例很大的区别在于，GJB241更强调发动机性能，并且对发动机在研制到交付使用的整个过程中的部件（系统）试验、整机试验等都做出了规定（包括技术鉴定试验、飞行前规定试验、定型试验、验收试车等），相对于民机发动机适航条例而言，GJB241制定了发动机在整个研制过程中的试验考核情况，关注的是发动机性能与安全性；民机适航条例重点在于考核发动机在研制完成后申请适航证时的技术状态，主要关注发动机的安全性，把安全作为航空发动机达到一定先进功能要求下的首要准则来考虑，除寿命期内的可靠性要求外，还必须保证在失效情况出现时的最低安全要求。

GJB241-87军用发动机通用规范中也有与民机适航条例中类似的要求，例如：吞入外物试验；排气污染试验；振动应力测定试验、包容性等。

另外，GJB241-87军用发动机通用规范中还有针对军用发动机的特点提出的一些特殊的要求，例如：雷达横截面的测定、红外辐射测定试验、代用（应急）燃油试验、吞入火药气体试验等。

民机适航条例在执行过程中，是强制性的，没有讨价还价的余地。

国内在研的军用涡扇发动机，根据情况，可以对GJB241进行剪裁，例如某发动机型号规范中，对发动机吞鸟、吞冰、排出污染物测定、包容性等试验内容明确指出“不要求”，并且对于某些试验，也限于条件只在部件试验中完成，在发动机整机上并不严格执行，例如振动应力的测定试验等（可能是没有满足精度要求的遥测设备或其他原因）。

从以上可以看出，民机适航条例与国军标（发动机通用规范），既有相似之处，又有各自的特点，对于国内众多军机发动机研制单位而言，在参与民机发动机研制过程中，需要及时转换思路，设计、制造、试验等均应以民机适航条例为指南。

4 结论
发动机适航证，是我国民机发动机投入国际市场使用前的通行证，不论我们愿意与否，都必须一一通过适航条例所规定的每一项试验和检验，不能有一丝的折扣，否则投入巨大心血研制的发动机将不能装在大飞机上使用，国产大飞机又不得不购买国外的发动机，大飞机的命运将再次被他人掌握。

军机发动机的研制单位，在进行民机发动机研发时，必须把民机发动机适航条例完全贯彻于整个研制过程之中。

作者简介：陆德雨，1972~，男，重庆市人，高级工程师，1995年毕业于西安交通大学，主要从事发动机试验技术研究，电话************。