某發(fā)動(dòng)機(jī)超溫試驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)

蘭 鍇

中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所 湖南 株洲400412

超溫試驗(yàn)是GJB·242A-2018《航空渦輪螺槳和渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范》中規(guī)定的試驗(yàn)項(xiàng)目，其目的是在高溫條件下考核熱端部件轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)完整性，各國(guó)在新研軍、民發(fā)動(dòng)機(jī)的研制過程中均對(duì)該項(xiàng)試驗(yàn)十分重視。該種試驗(yàn)技術(shù)難度高、風(fēng)險(xiǎn)大，調(diào)整方法較少。本文首先對(duì)超溫試驗(yàn)的難點(diǎn)進(jìn)行了分析。基于發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)可采用的方法進(jìn)行了模擬性能計(jì)算，研究了各種試驗(yàn)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和溫度達(dá)到規(guī)定值的最優(yōu)實(shí)施方案。最后完成了超溫試驗(yàn)。

1 超溫試驗(yàn)難點(diǎn)

1.1 測(cè)試難點(diǎn) 對(duì)于高水平的航空發(fā)動(dòng)機(jī)，難以對(duì)一級(jí)渦輪前溫度Tt4.1 溫度直接進(jìn)行測(cè)量。首先現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)一級(jí)高壓渦輪前轉(zhuǎn)子溫度水平已達(dá)到1300～1500℃水平，溫度水平高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測(cè)試環(huán)境惡劣，常規(guī)熱電偶無法在高溫中進(jìn)行測(cè)量。其次，在渦輪機(jī)匣部位布置熱電偶，需要對(duì)渦輪機(jī)匣進(jìn)行改裝用于布置測(cè)試線纜。而隨著發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件冷卻結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，在燃?xì)鉁u輪機(jī)匣附近進(jìn)行改裝用于測(cè)試，將破壞已有的機(jī)匣結(jié)構(gòu)，既影響發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度壽命，同時(shí)也帶來機(jī)匣測(cè)試孔密封不良、冷卻結(jié)構(gòu)改變的風(fēng)險(xiǎn)。且熱電偶在高溫環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，其強(qiáng)度、可靠性將大大下降，將對(duì)整機(jī)試驗(yàn)帶來安全隱患。最后，布置熱電偶將造成熱電偶附近流場(chǎng)不均勻，可能造成高壓渦輪轉(zhuǎn)子進(jìn)口溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)不均勻，造成局部壓力、溫度偏高或偏低。對(duì)于高水平的航空發(fā)動(dòng)機(jī)，其熱端部件的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)精密復(fù)雜，而渦輪進(jìn)口流場(chǎng)、冷卻結(jié)構(gòu)的局部變化將影響渦輪冷卻氣量的分配，甚至造成燃?xì)獾构喱F(xiàn)象，嚴(yán)重將造成高溫部件燒蝕。因此，在超溫試驗(yàn)中，通常采用對(duì)燃?xì)鉁u輪出口Tt4.5 溫度或動(dòng)力渦輪出口溫度進(jìn)行測(cè)試，間接對(duì)Tt4.1 溫度進(jìn)行監(jiān)控。

1.2 試驗(yàn)方法難點(diǎn) 根據(jù)國(guó)軍標(biāo)的要求，超溫試驗(yàn)應(yīng)在至少超過第一級(jí)渦輪轉(zhuǎn)子進(jìn)口穩(wěn)態(tài)最高允許燃?xì)鉁囟?5℃，及在不低于穩(wěn)態(tài)最高允許轉(zhuǎn)速下，至少工作5 min，即試驗(yàn)需要同時(shí)達(dá)到燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不低于發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)最高允許轉(zhuǎn)速、第一級(jí)渦輪轉(zhuǎn)子進(jìn)口溫度超過發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)最高允許燃?xì)鉁囟鹊膬蓚€(gè)條件，為試驗(yàn)方法的確定增加了難度。

2 調(diào)整方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響及優(yōu)缺點(diǎn)

2.1 引氣對(duì)轉(zhuǎn)速和Tt4.1 的影響對(duì)最大狀態(tài)引氣對(duì)轉(zhuǎn)速和Tt4.1 的影響進(jìn)行計(jì)算分析，當(dāng)引氣5%時(shí)，Tt4.1 溫度增加100℃時(shí)，轉(zhuǎn)速下降了0.5 %。說明僅通過引氣方法無法滿足超溫試驗(yàn)的要求。而調(diào)節(jié)引氣對(duì)于Tt4.1 的溫升影響較大，可用于調(diào)節(jié)Tt4.1 溫度。

2.2 渦輪導(dǎo)向器面積對(duì)轉(zhuǎn)速和Tt4.1 的影響 調(diào)整渦輪導(dǎo)向器面積是調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)性能的常用方法。但目前尚未用于超溫試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)調(diào)節(jié)。該發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪導(dǎo)向器面積為不可調(diào)裝置，但考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)試制過程中的加工、制造偏差，篩選制造中面積偏大或偏小的渦輪導(dǎo)向器葉片，分別疊加偏差，可使發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪導(dǎo)向器在實(shí)際裝配中在3%～3%的范圍內(nèi)浮動(dòng)。考慮通過調(diào)整渦輪導(dǎo)向器面積作為轉(zhuǎn)速和溫度調(diào)節(jié)的手段。通過整機(jī)性能模型計(jì)算最大狀態(tài)，得到渦輪導(dǎo)向器流函數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)性能進(jìn)行了校核。計(jì)算可知，調(diào)整渦輪導(dǎo)向器面積對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響較大，在調(diào)整渦輪導(dǎo)向器流函數(shù)為2%時(shí)，即可達(dá)到提升高壓轉(zhuǎn)速0.84%的目標(biāo)。調(diào)整渦輪導(dǎo)向器面積可作為調(diào)整轉(zhuǎn)速的方法之一。

2.3 渦輪效率對(duì)轉(zhuǎn)速和Tt4.1 的影響 通過調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪結(jié)構(gòu)，如調(diào)整渦輪葉尖間隙，可改變渦輪效率，間接調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)性能。受渦輪結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)子碰磨限制，葉尖間隙只可調(diào)大不可調(diào)小。因而渦輪效率只可向調(diào)低的方向改變。采用性能模型計(jì)算調(diào)低渦輪效率后發(fā)動(dòng)機(jī)性能的調(diào)整方向。

計(jì)算可知，在調(diào)整渦輪效率后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)下降。分析其原因?yàn)椋谡{(diào)整渦輪效率后，渦輪功與壓氣機(jī)功無法平衡，需要更多的燃油、提升發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪溫度使渦輪功和壓氣機(jī)功達(dá)到平衡，但渦輪效率降低的影響對(duì)轉(zhuǎn)速的影響更大，因而出現(xiàn)轉(zhuǎn)速下降。

對(duì)于該發(fā)動(dòng)機(jī)而言，其轉(zhuǎn)速升高的需求大于溫度升高的需求，因此，調(diào)整渦輪效率使發(fā)動(dòng)機(jī)溫度、轉(zhuǎn)速上升的方法不適用。

3 超溫試驗(yàn)的實(shí)施方案

第2節(jié)已論述了超溫試驗(yàn)各因素的影響，可得出一個(gè)結(jié)論，采用單方法無法使發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)整到渦輪前溫度Tt4.1和轉(zhuǎn)速同時(shí)達(dá)到超溫試車要求的狀態(tài)?？捎糜谡{(diào)節(jié)的方法包括壓氣機(jī)后引氣、調(diào)整渦輪導(dǎo)向器面積?？紤]到本次試驗(yàn)的優(yōu)先級(jí)為調(diào)整轉(zhuǎn)速，需要分析組合試驗(yàn)方案的可行性：

調(diào)整轉(zhuǎn)速達(dá)到限制轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)Tt4.1溫度達(dá)到限制溫度。由2.1節(jié)可知，壓氣機(jī)后引氣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)溫升影響較大，而對(duì)轉(zhuǎn)速影響較小。而由2.2節(jié)可見，調(diào)整渦輪導(dǎo)向器面積可使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升、渦輪前溫度下降。通過調(diào)整渦輪導(dǎo)向器面積可使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到限制轉(zhuǎn)速以上100%～101%，再調(diào)節(jié)引氣使發(fā)動(dòng)機(jī)溫度達(dá)到限制溫度。

該調(diào)整方法可在實(shí)際試驗(yàn)過程中，根據(jù)被試發(fā)動(dòng)機(jī)的具體試驗(yàn)情況，靈活調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)措施。

4 超溫試驗(yàn)的實(shí)施

該渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)在調(diào)整渦輪導(dǎo)向器面積2%后，開展超溫試驗(yàn)，最終達(dá)到了渦輪前溫度、轉(zhuǎn)速滿足國(guó)軍標(biāo)要求的試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，為發(fā)動(dòng)機(jī)研制累積了寶貴的研制經(jīng)驗(yàn)。