罗罗公司80号试车台技术特点分析

航空工业发展中心　王元元 中国航发商发　鲁劲松
　　5月27日，罗罗公司正式启用世界上最大、最智能的室内航空发动机80号试车台。该试车台位于德比总部附近的大型发动机测试中心，耗资9000万英镑（约8.144亿元人民币），建造历时3年。
　　加拿大MDS公司作为80号试车台的总承包商负责项目从设计到现场施工管理的各个方面，并提供了所有的测试系统，包括：气动消音元器件、推力测量系统、用于现有型号和未来发动机的转接架以及机械和液压支持系统。试车台的建筑由MDS与英国白金汉建筑集团有限公司合作建造。英国航空航天技术研究所的PACE项目为80号试车台提供部分支持。
　　从罗罗宣传的数据看，80号试车台无疑是目前全球同类最大最智能的试车台，其特点可以“大”“能”“智”“静”四个字简单概括。
　　“大”——占地大、气量大
80试车台建筑长度130米，内部建筑面积7500平方米，试车台截面为15米× 15米，采用垂直进排气、一次进气、一级引射的U型方案。建筑使用钢材3128吨，使用混凝土2.7万立方米,其中X射线的屏蔽混凝土墙有1.7米厚。整个规模远超达美航空高14.6米，进气和排气段分别为20米和24米的试车台。
　　80号试车台的最大进气量每秒约4500千克（CFM56发动机的进气量约500千克/秒）。排气塔中的排气扩压器长17米，直径6.5米，以至于需要一辆特殊的起重机来安装。引射筒的排气速度达到643千米/时。
　　“能”——兼顾多种需求
80号试车台除具备传统试车台的功能外，兼顾电推进和其他发动机电气化项目的研发试验需求，同时可用于部分取证试验。
　　80号试车台适用的发动机型号包括：遄达XWB、遄达1000、超扇验证机，以及下一代的高效的发动机,混合动力或未来纯电推进系统。最大测试推力高达70000千克斤力。同时80号试车台能够开展适航取证试验包括：噪音测量、吸雨、FBO、吸鸟类和耐久性试验。
　　80号试车台的建设定位是罗罗未来技术验证的新试验平台，主要目的还是为超扇发动机的研发服务。同时80号试车台考虑了未来的混合动力和全电飞行系统的试验需求和其他发动机电气化转型的项目试验验证需求。
　　80号试验台安装一个新的14万升的燃油箱，可以适应不同类型的燃料，包括可持续航空燃料。此外，试车台自带燃油箱也可以避免由于燃油传输管路长带来的压力调节困难。
“智”——强大数据、智能影响、安全可靠
　　80号试车台采用MDS 最新的数据采集和控制系统nxDAS。有如下的显著特点：采用Linux操作系统，系统安全性和稳定性高；系统配置可以优化的试车台运行时间和性能；稳态点数据和瞬态数据和带时间标记记录以及系统事件记录能力。
　　与现有的试车台相比，80号试车台内嵌的数据系统功能更强大，更复杂，能以最快时间将数据直接传输至安全存储，并首次连接到分析模型和工程师。错综复杂的传感器网络收集发动机的1万余个不同参数数据，还能以每秒20万个样本的速率探测到最微小的振动。这些数据有助于更好地了解发动机，监控每个组件在各种条件下的表现，为将来改进发动机的可用性和效率提供依据。
　　自动化方面：有助于确保测试的可重复性和一致性，同时减少操作系统所需的工时；远程监控和控制功能，自动安全触发；集成的测试程序允许完全自动化的测试；自动油门能力与发动机和设备的可编程逻辑控制器完成集成;实时报警检查，违规操作报警响应；生成测试日志表和自动报告;用户友好的测试配置输入与重复检查;支持无人操作。
　　可扩展性方面：网络可扩展满足任何测试环境中的需求；支持任何数量的仪器节点发布数据，并允许其他的数据订阅者应用程序处理和测量数据；可以采集数百至数千个测量通道;可用于研发和MRO生产环境。
　　可视化方面：提供了一个完全可定制的可视化接口帮助通讯和处理测试验数据；完全机构化的实时图形数据显示窗口；可高度结构化的报告可以应当对任何标准;定制报告和评审工具。
　　集成性方面：满足标准通信协议的仪器不需要额外的驱动程序；支持各种现有的、非idds测量仪器;与动态数据分析系统相结合可是使得单个操作员可以控制数据收集的所有方面;与其他数据采集系统DDAS产品无缝集成。
　　80号试车台配备了一台9兆电子伏的X射线机，比医院使用的医用X光机强大60倍。罗罗公司是唯一采用X射线影像技术辅助研发航空发动机的发动机制造商，从上世纪70年代开始用X光扫描小型发动机，最初X射线被用于检查发动机的静态部件，如今已应用于测试运转的发动机，用来研究发动机运转时内部零部件变形量、间隙变化以及各热端部件的热变形的协调性。
　　在拍摄能力方面：传统的X射线胶片底片法每秒拍摄10张照片，而80号试车台每秒捕捉30张发动机内部的高清晰度的数字化图像，可以实时将这些数据传输到云端，全球各地的工程师都能分析这些图像和数据。在准备时间方面：以往试车台需要大约10天的时间来准备试车台，80号试车台减少到1天，减少了停机等待时间。
　　虽然强大的X射线对研究发动机很有帮助，但安全非常重要，在一个比英超足球场还大的地方有好几层楼的建筑群中，在开始测试之前，需要确定没有人在辐射区域内。为此试车台内部建筑设施配置有45个搜索按钮，其中许多在难以到达的地区。工作人员必须在指定的时间内找到并依照特定顺序按下所有45个按钮，一旦完成，就会释放一把钥匙可以让他们离开 X射线影响区，确保没有人留在该区域。
　　对于80号试车台这种尺寸如此巨大的发动机试车台建设，建造“原型样机”实物通常不可能或不现实，所以2016年MDS公司在加拿大国家研究委员会（NRC）航空研究中心开展了“发动机试车台仿真模型”项目研究，目的是解决空气声学领域的技术问题，模型用于研究各种类型的发动机和试车台不同构型的影响。为此NRC组建了一个包括空气声学、空气动力学和燃气涡轮专家的多学科团队于2017年完成模型研究，对原有模型进行了重新配置。80号试车台在进行概念设计时就采用了NRC 开发的新的“发动机试车台仿真模型”,通过模型快速评估现有的全尺寸设备的设计变更是否合理,以确定最佳的解决方案，降低了项目的技术风险。这也是罗罗公司将80试车台研制任务授予MDS的重要原因之一。
　　“静能生慧”
更高的减震降噪标准为获得高品质试验数据和高质量工作环境奠定基础。80号试车台被设计为在发动机的最大工作状态，附近30米内等的操纵间、准备待试间和排进气塔的降噪标准达到或优于现有试车台的设计规范，保证附近生活和工作的人员不受影响。试车台不仅考虑了进排气塔的降噪，同时也考虑其他设备的降噪，如：吸雨试验过程中配备的专用设备也采取了吸收振动和消除噪音的措施，站在试车台门外，脚下的地面会感觉完全静止。
　　罗罗公司80号试车台的建设投用，给我们带来许多启示：一方面，未来的试车台设计与建设需要兼顾传统与新兴动力的多种需求，这对试车台的模块化、综合化设计能力提出了较高的要求；另一方面，积极应用大数据、人工智能等先进技术是提高试车台试验能力、提高试验效率的重要途径，也是未来研制数字、智能、绿色发动机的必然要求。