某型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪出口溫度高的研究分析

郭攀峰，朱利，孫倩倩

（中國(guó)航發(fā)南方工業(yè)有限公司，湖南 株洲 412002）

渦輪前溫度是航空發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)溫度限制值中一個(gè)很重要的參數(shù)，它決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能是否得到充分發(fā)揮，渦輪前溫度設(shè)計(jì)值的高低受現(xiàn)有渦輪材料與冷卻技術(shù)的制約。由于技術(shù)欠缺不能直接監(jiān)控渦輪前溫度，某型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)限制渦輪出口溫度的方法來(lái)間接限制渦輪前溫度，因此渦輪出口溫度限制值的設(shè)置是否合理對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用起著關(guān)鍵的作用。某型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)在使用過(guò)程中, 出現(xiàn)H高度以下起飛狀態(tài)渦輪出口溫度超過(guò)限制值（A℃）的情況，成為了影響發(fā)動(dòng)機(jī)使用的一個(gè)重要問(wèn)題。本文針對(duì)該現(xiàn)象產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，并根據(jù)計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)放寬限制的可行性進(jìn)行了論證。

1 原因分析

1.1 渦輪出口溫度限制值的確定

某型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)使用需要，在發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能計(jì)算的基礎(chǔ)上，參照同系列渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)和АИ-20Д發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)驗(yàn)，確定了某型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪出口溫度限制值；確定方法主要基于理論計(jì)算和分析，帶有部分主觀因素，限于條件，也未經(jīng)過(guò)全面試驗(yàn)驗(yàn)證。

1.2 初步原因分析

對(duì)某型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪出口溫度偏高問(wèn)題，分析主要有以下幾種可能因素。

（1）該發(fā)動(dòng)機(jī)采用4支熱電偶測(cè)量渦輪出口溫度不能夠完全真實(shí)地反映渦輪出口的平均溫度。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)制造差異。在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上錄取了多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)時(shí)起飛狀態(tài)的渦輪出口溫度，發(fā)現(xiàn)相似的溫度條件下，不同的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪出口溫度存在個(gè)體差異，最高與最低的溫度差值達(dá)到44℃。

（3）發(fā)動(dòng)機(jī)的工作條件，如進(jìn)排氣損失等比預(yù)想地惡劣。

（4）發(fā)動(dòng)機(jī)性能衰減。

（5）測(cè)量誤差。

（6）燃油流量偏差。

（7）其他因素。

限于經(jīng)驗(yàn)和水平，在最初確定渦輪出口溫度限制值時(shí)，對(duì)上述因素考慮不夠，在實(shí)際情況下，上述因素綜合影響了發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪出口溫度。

2 放寬渦輪出口溫度限制值的可行性研究

從上述分析可知，發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪出口溫度是一個(gè)復(fù)雜的綜合影響的問(wèn)題，限制值需在發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期試車(chē)中，在最高渦輪前溫度條件下，測(cè)量實(shí)際渦輪后溫度再統(tǒng)計(jì)確定；由于某型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)和使用經(jīng)驗(yàn)不夠，渦輪出口溫度限制值的確定考慮不周。為此從渦輪部件強(qiáng)度分析和試驗(yàn)兩方面進(jìn)行論證，研究放寬渦輪出口溫度限制值的可行性。

2.1 渦輪部件強(qiáng)度分析

（1）渦輪部件主要零件材料使用溫度限制。該型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪工作葉片，導(dǎo)向葉片以及渦輪盤(pán)的材料主要為DZ22B、GH4133、K423A、K403，上述材料的最高限制溫度如表1。

表1 某型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪部件材料最高限制溫度

（2）渦輪部件強(qiáng)度分析。

①導(dǎo)向葉片。某型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)向葉片材料為K423A和K403，其材料溫度最高限制值為1000℃，通過(guò)計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明，渦輪出口溫度為A+50℃時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)的最高燃?xì)鉁囟葹?81℃，低于導(dǎo)向葉片材料的最高限制溫度，且在發(fā)動(dòng)機(jī)工作中，導(dǎo)葉為靜子非受力件，因此，導(dǎo)向葉片在A+50℃的燃?xì)鉁囟认履馨踩煽康墓ぷ鳌?/p>

②工作葉片。某型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)工作葉片材料為GH4133與DZ22B，GH4133與DZ22B兩材料的持久強(qiáng)度極限σSR計(jì)算式分別如下。

GH4133：

其 中：P=T（lgt+23.01）/105；T=（9×θ/5+32）+460；a0=-2.3；a1=32.651；a2=-57.578；a3=21.485。

DZ22B：

其 中：T ＝（9×θ/5+32）+460；x=lgσSR；b0=-18.04；b1=0.236×106；b2=-0.243×106；b3=0.107×106；b4=-0.164×105。

表2 最薄弱部位持久強(qiáng)度及儲(chǔ)備系數(shù)（二級(jí)葉片榫頭）

各式中，t為斷裂時(shí)間，T為絕對(duì)溫度，θ為工作溫度。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)研制要求規(guī)定的外場(chǎng)使用載荷分布，起飛狀態(tài)占發(fā)動(dòng)機(jī)總壽命的2%，在2000h首翻期內(nèi)，起飛狀態(tài)總工作時(shí)數(shù)為40h；5000h壽命期內(nèi)，起飛狀態(tài)總工作時(shí)數(shù)為100h。在發(fā)動(dòng)機(jī)最高燃?xì)鉁囟龋═=B℃）下，對(duì)渦輪主要零件持久強(qiáng)度及持久強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算分析，從計(jì)算分析結(jié)果來(lái)看，工作葉片與渦輪盤(pán)，持久強(qiáng)度最薄弱的零件與部位是二級(jí)右工作葉片，位于葉片上齒根部，見(jiàn)表2。

在50h的工作時(shí)數(shù)內(nèi)，持久強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)為1.09，160h內(nèi)為1.02，均大于1，且計(jì)算是按發(fā)動(dòng)機(jī)最嚴(yán)酷的工作條件考慮，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)起飛狀態(tài)下渦輪出口溫度達(dá)A+50℃，渦輪部件仍能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)在壽命期內(nèi)安全可靠的工作。

2.2 驗(yàn)證情況

為驗(yàn)證某型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)起飛狀態(tài)渦輪出口溫度限制放寬至A+50℃是否可行，在渦輪部件強(qiáng)度分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)的廠內(nèi)臺(tái)架驗(yàn)證試車(chē)。

（1）摸底試驗(yàn)。抽取某型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了摸底試驗(yàn)。在起飛狀態(tài)下將渦輪后燃?xì)鉁囟茸罡咴嚨搅薃+52.5℃，并保持該溫度連續(xù)工作了5min。試驗(yàn)完成后，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室部件和渦輪部件進(jìn)行了精密測(cè)量和無(wú)損檢測(cè)，結(jié)果正常。

（2）超溫試驗(yàn)。抽取某型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)超溫試驗(yàn)。超溫試驗(yàn)中對(duì)渦輪前溫度進(jìn)行了全過(guò)程測(cè)量，并用12支熱電偶測(cè)量了渦輪出口溫度，在最高燃?xì)鉁囟认拢瑴u輪前溫度為B℃，車(chē)臺(tái)渦輪出口平均溫度為A+50℃。在超溫狀態(tài)下，渦輪前溫度為B+40℃，車(chē)臺(tái)渦輪出口平均溫度為A+73.3℃，并保持該溫度連續(xù)工作了5min。

試驗(yàn)后，對(duì)渦輪和燃燒部件按發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)試后檢查要求進(jìn)行了故檢、精密測(cè)量和無(wú)損檢測(cè)，并對(duì)一、二、三工作葉片進(jìn)行了冶金分析。檢查結(jié)果表明，各零部件正常，葉片金相未變化。

2.3 研究結(jié)果

根據(jù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪出口溫度限制值的確定方式、影響因素的分析，在保證安全的前提下，根據(jù)實(shí)際情況有限度地放寬溫度限制是有效的解決措施；通過(guò)對(duì)渦輪部件的強(qiáng)度計(jì)算分析和實(shí)際超溫試驗(yàn)，證明將某型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)在空中H高度以下渦輪后燃?xì)鉁囟认拗浦捣艑捴罙+50℃能保證使用過(guò)程中起飛狀態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠工作。據(jù)此，重新調(diào)整了某型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)外場(chǎng)渦輪出口溫度監(jiān)控限制值，將H高度以下渦輪后燃?xì)鉁囟认拗浦捣艑捴罙+50℃，額定狀態(tài)和0.85額定狀態(tài)的限制值也相應(yīng)進(jìn)行了調(diào)整。

3 結(jié)語(yǔ)

調(diào)整了渦輪出口溫度監(jiān)控限制值后,某型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)在后續(xù)使用以及使用后的分解檢查過(guò)程中未出現(xiàn)因?yàn)闇u輪出口溫度過(guò)高導(dǎo)致的各類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)損傷，因此可以認(rèn)為放寬某型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪出口溫度限制值的措施是合理可行的。