某型民用渦軸發(fā)動機加速任務(wù)試驗譜研究

（中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002）

航空發(fā)動機適航規(guī)定(CCAR-33R2)第33.90條款（初始維修檢查）明確要求發(fā)動機需要進(jìn)行翻修間隔期（TBO）試驗，以確定初始維修檢查的時限。隨著當(dāng)前發(fā)動機設(shè)計壽命越來越長，采用1:1的試驗譜進(jìn)行翻修間隔期考核試驗時，將帶來試驗周期長、資金和人力耗費巨大等一系列問題，并且過長的試驗周期不利于快速發(fā)現(xiàn)發(fā)動機存在的問題，并作出改進(jìn)設(shè)計。因此目前國際上普遍采用發(fā)動機加速任務(wù)試驗對其翻修間隔期進(jìn)行驗證，以有效縮短試驗周期和減少試驗成本。

某型民用渦軸發(fā)動機采用了加速任務(wù)試驗的方式對其翻修間隔期進(jìn)行了驗證，并獲得局方批準(zhǔn)。本文對其加速任務(wù)試驗譜進(jìn)行研究，可為其他型號發(fā)動機開展加速任務(wù)試驗提供參考。

1.發(fā)動機典型任務(wù)載荷譜

1.1 直升機典型任務(wù)剖面

表1 某直升機典型任務(wù)

表2 海上飛行任務(wù)剖面

直升機方基于飛行需求給定了三種典型任務(wù)剖面，見表1。

其中海上飛行任務(wù)剖面見表2。

1.2 發(fā)動機任務(wù)載荷譜

基于直升機方提供的典型飛行任務(wù)剖面（環(huán)境條件、飛行速度以及功率等），同時考慮安裝損失、發(fā)動機性能衰減等因素，采用發(fā)動機整機性能模型可確定發(fā)動機對應(yīng)的任務(wù)載荷譜（燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速N1和燃?xì)鉁u輪出口溫度T45）[1]。

其中海上飛行任務(wù)剖面對應(yīng)的發(fā)動機任務(wù)載荷譜見表3。

表3 海上飛行任務(wù)發(fā)動機載荷譜

2.加速任務(wù)試驗譜研究

2.1 基本原則

制定加速任務(wù)試驗譜時需要保證在整個翻修間隔期內(nèi)下列損傷是等效的：（1）蠕變損傷；（2）低循環(huán)疲勞（主循環(huán)和次循環(huán)）；（3）高溫持續(xù)時間。

2.2 參考循環(huán)

分析發(fā)動機轉(zhuǎn)子疲勞壽命時需要先制定參考循環(huán)，根據(jù)參考循環(huán)計算轉(zhuǎn)子低循環(huán)疲勞壽命，即整個翻修間隔期內(nèi)轉(zhuǎn)子消耗的參考循環(huán)次數(shù)。

根據(jù)飛行任務(wù)剖面和載荷譜，確定的燃?xì)獍l(fā)生器和動力渦輪標(biāo)準(zhǔn)參考循環(huán)見圖1和圖2。

圖1 燃?xì)獍l(fā)生器參考循環(huán)

2.3 蠕變損傷計算

表4是燃?xì)鉁u輪葉片在每個典型任務(wù)譜的蠕變損傷。

表4 某型發(fā)動機典型任務(wù)和混合任務(wù)蠕變損傷

由表4可知，一個混合任務(wù)需要的時間為T4，故一個翻修間隔期內(nèi)累計混合任務(wù)數(shù)量為TBO/T4，蠕變損傷為TBO/T4＊l4，同時考慮到發(fā)動機未來發(fā)展的需要，根據(jù)相似型號發(fā)動機的使用經(jīng)驗，將蠕變損傷的目標(biāo)值由TBO/T4＊l4根據(jù)使用經(jīng)進(jìn)一步提高為L。

2.4 燃?xì)鉁u輪盤低循環(huán)疲勞損傷計算

表5是燃?xì)鉁u輪盤在每個典型任務(wù)譜的低循環(huán)疲勞損傷。

由表5可知，一個翻修間隔期內(nèi)發(fā)動機燃?xì)鉁u輪消耗的主循環(huán)數(shù)為TBO/T4，次循環(huán)數(shù)為X5，折合參考循環(huán)數(shù)為TBO/T4＊m4次。其中TBO/T4＊m4次參考循環(huán)應(yīng)為加速任務(wù)試驗必須考核的最小值，同時考慮到發(fā)動機未來發(fā)展的需要，根據(jù)相似型號發(fā)動機的使用經(jīng)驗，將燃?xì)獍l(fā)生器的參考循環(huán)數(shù)進(jìn)一步提高為M。

表5 燃?xì)鉁u輪盤低循環(huán)疲勞損傷

2.5 動力渦輪盤低循環(huán)疲勞計算

表6是動力渦輪盤在每個典型任務(wù)譜的低循環(huán)疲勞損傷。

表6 動力渦輪低循環(huán)疲勞損傷

由于渦軸發(fā)動機在使用過程中動力渦輪轉(zhuǎn)速保持恒定，因此其次循環(huán)為0，主要考慮主循環(huán)疲勞損傷。

由表6可知，一個翻修間隔期內(nèi)發(fā)動機動力渦輪消耗的主循環(huán)數(shù)為TBO/T4，折合參考循環(huán)數(shù)為TBO/T4＊n4次。其中TBO/T4＊n4次參考循環(huán)應(yīng)為加速任務(wù)試驗必須考核最小值，同時考慮到發(fā)動機未來發(fā)展的需要，根據(jù)相似型號發(fā)動機的使用經(jīng)驗，將燃?xì)獍l(fā)生器的參考循環(huán)數(shù)進(jìn)一步提高為N。

2.6 高溫持續(xù)時間

高溫狀態(tài)主要體現(xiàn)對燃?xì)鉁u輪葉片的氧化以及疲勞損傷，根據(jù)損傷等效原則，加速任務(wù)試驗譜中的高溫狀態(tài)持續(xù)時間應(yīng)不低于發(fā)動機任務(wù)載荷譜中的時間[2]。

根據(jù)發(fā)動機任務(wù)載荷譜和燃?xì)鉁u輪葉片材料的蠕變疲勞材料數(shù)據(jù)，統(tǒng)計的滿足高溫狀態(tài)條件的持續(xù)時間為T1，故加速任務(wù)試驗譜中高溫持續(xù)時間不得低于T1。

2.7 加速任務(wù)試驗譜要求

綜合上述分析，加速任務(wù)試驗譜必須滿足以下要求：

（1）燃?xì)鉁u輪盤和動力渦輪盤主循環(huán)數(shù)不低于TBO/T4次；

（2）燃?xì)鉁u輪盤次循環(huán)數(shù)不低于X5次；

（3）燃?xì)鉁u輪葉片蠕變損傷大于L；

（4）燃?xì)鉁u輪低循環(huán)疲勞消耗大于M次參考循環(huán)；

（5）動力渦輪低循環(huán)疲勞消耗大于N次參考循環(huán)；

（6）高溫狀態(tài)的持續(xù)時間不小于T1。

2.8 加速任務(wù)試驗譜

表7 加速任務(wù)試驗譜1

表8 加速任務(wù)試驗譜2

根據(jù)2.7節(jié)要求，最終確定該型發(fā)動機兩個加速任務(wù)試驗譜，兩個任務(wù)譜的主要內(nèi)容見表7和表8。其中加速任務(wù)試驗譜1需要進(jìn)行總次數(shù)的80%，試驗譜2需要進(jìn)行總次數(shù)的20%。

3.加速任務(wù)試驗譜與典型混合任務(wù)譜對比

加速任務(wù)試驗譜和典型混合任務(wù)譜對比見表9。由表可知，最終確定的加速任務(wù)試驗譜在低循環(huán)疲勞、蠕變損傷以及高溫狀態(tài)持續(xù)時間等方面均大于典型混合任務(wù)譜，試驗更加苛刻的同時總試驗時間只有翻修間隔期的1/4。

表9 加速任務(wù)試驗譜和典型混和任務(wù)譜對比

4.總結(jié)

本文對某型民用渦軸發(fā)動機加速任務(wù)試驗譜進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：

（1）根據(jù)直升機方提供的典型飛行任務(wù)剖面，考慮安裝損失、發(fā)動機性能衰減等因素，計算得到發(fā)動機的任務(wù)載荷譜；

（2）制定加速任務(wù)試驗譜時需要保證在整個翻修間隔期內(nèi)損傷是等效的；

（3）最終確定的加速任務(wù)試驗譜在低循環(huán)疲勞、蠕變損傷以及高溫狀態(tài)持續(xù)時間等方面均大于典型混合任務(wù)譜，但試驗時間只有翻修間隔期的1/4，大大減少了試驗時間；

（4）由于加速任務(wù)試驗時間比翻修間隔期短，無法充分考核如軸承以及附件傳動齒輪的壽命，需要額外進(jìn)行壽命分析或者補充驗證試驗。