渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)超扭試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)研究

鄒 黎，王 旭，馮 興，周七二，王 博

(1.中國航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲 412002；2.海裝駐常州地區(qū)軍事代表室，江蘇常州 213022)

1 引言

上世紀(jì)80年代，我國以美國70年代的軍用標(biāo)準(zhǔn)《航空渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范》(MIL-E-5007D)和《渦輪軸和渦輪螺槳發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范》(MIL-E-8593A)為藍(lán)本，編制了《航空渦輪螺槳和渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范》(GJB 242-1987)[1]，為航空渦軸/渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)提供了標(biāo)準(zhǔn)，使渦軸/渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)研制有章可循、有理可依，對設(shè)計(jì)、制造、考核和交付等工作發(fā)揮了積極而重要的作用[2]。

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，美國于1995年將MIL-E-8593A與《航空渦噴渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范》(MIL-E-87231)合并，修訂成JSGS-87231A《航空渦噴渦扇渦軸渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范》，該標(biāo)準(zhǔn)中還新增了超扭試驗(yàn)[3]。此后，1998 年頒布的JSSG-2007、2004年頒布的JSSG-2007A和2008年頒布的JSSG-2007B等各版《航空渦噴渦扇渦軸渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合使用規(guī)范指南》，均保留著超扭試驗(yàn)，足見其重要性。

2018 年，陸軍裝備部在GJB 242-1987 的基礎(chǔ)上，參照J(rèn)SGS-87231A和JSSG-2007，并結(jié)合近年來國內(nèi)型號研制經(jīng)驗(yàn)和貫徹GJB 242-1987的經(jīng)驗(yàn)，頒布了GJB 242A-2018《航空渦輪螺槳和渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范》[4]，其中增加了超扭試驗(yàn)。

GJB 242A-2018 頒布之前，我國僅有部分渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)完成了整機(jī)超扭試驗(yàn)，且方法不一。既有參考《航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航規(guī)定》(CCAR-33)，亦有參考國外資料，試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)也不盡相同，無章可循，困擾了試驗(yàn)的開展。因此，解讀新軍標(biāo)以及尋求一套通用的超扭試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)參數(shù)制定方法已是必然。

為規(guī)范渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)超扭試驗(yàn)，本文結(jié)合《航空渦噴渦扇渦軸渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合使用規(guī)范指南》(JSSG-2007)、《歐洲航空安全局(EASA)發(fā)動(dòng)機(jī)合格審定規(guī)范》(CS-E)、《Airworthiness Standards Aircraft Engines》(FAR-33)等6 部含有超扭試驗(yàn)的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)和適航規(guī)定，詳細(xì)對比了超扭試驗(yàn)考核方式、試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、合格判定準(zhǔn)則，從動(dòng)力渦輪扭矩、燃?xì)鉁u輪溫度、動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速、滑油溫度、試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間等5 個(gè)方面，分別對軍用和民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)提出了超扭試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)選取建議。

2 考核方法

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，GJB 242A-2018、CCAR-33、JSSG-2007、JSGS-87231A、FAR-33、CS-E等6 部標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，共提出了3 種考核方式(整機(jī)試驗(yàn)，部件試驗(yàn)，分析)、5種試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)(動(dòng)力渦輪扭矩，燃?xì)鉁u輪溫度，動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速，滑油溫度，試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間)，以及相應(yīng)的合格判定準(zhǔn)則，如表1所示。其中：

表1 考核方式、試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)與合格判定準(zhǔn)則Table 1 Methods of assessment,test objective and qualification criteria

(1) 僅JSGS-87231A 提出需同時(shí)采用分析和試驗(yàn)的方法進(jìn)行考核[5]，而其余5部標(biāo)準(zhǔn)僅要求部件或整機(jī)考核即可[6]。

(2) 僅JSGS-87231A和JSSG-2007提出動(dòng)力渦輪扭矩和試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間2種試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，而其余4部標(biāo)準(zhǔn)提出了動(dòng)力渦輪扭矩、燃?xì)鉁u輪溫度、動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速、滑油溫度和試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間5種試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。

3 考核方式

3.1 整機(jī)試驗(yàn)

目前，國內(nèi)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)一般在地面臺架采用整機(jī)試驗(yàn)的方式完成超扭試驗(yàn)，通過調(diào)整水力測功器負(fù)載，調(diào)整直升機(jī)引氣量、電機(jī)加載等方法，達(dá)到燃?xì)鉁u輪溫度、扭矩、動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速等要求。該方法能真實(shí)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)超扭情況，容易讓用戶/局方接受和信服。

3.2 部件試驗(yàn)

除整機(jī)試驗(yàn)外，還可以采用部件等效試驗(yàn)法考核。JSSG-2007提出了具體的部件試驗(yàn)方法[6]。

與整機(jī)試驗(yàn)不同的是，部件試驗(yàn)本身不能產(chǎn)生高溫高壓氣體，需要?dú)庠凑咎峁┖线m的氣源，通過穩(wěn)壓段、閥門等管道設(shè)備后才能穩(wěn)定輸送到試驗(yàn)臺，這對部件試驗(yàn)臺的建造提出了更高要求。此外，部件試驗(yàn)較難模擬渦輪部件的封嚴(yán)、冷卻等系統(tǒng)。以上因素可能造成部件試驗(yàn)進(jìn)口燃?xì)鉁囟群屠錈釕B(tài)葉尖間隙不穩(wěn)定，影響試驗(yàn)效果。

3.3 分析

雖然純粹的分析不能完全代替試驗(yàn)，但在盤、軸、材料等領(lǐng)域有足夠基礎(chǔ)研究的條件下，可選擇分析的方法，能適當(dāng)降低研制經(jīng)費(fèi)，節(jié)約試驗(yàn)資源。

4 試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

4.1 動(dòng)力渦輪扭矩

軍標(biāo)和適航規(guī)定對動(dòng)力渦輪扭矩的要求如表2所示。軍標(biāo)要求最大允許穩(wěn)態(tài)扭矩極限值(機(jī)械的)不低于扭矩規(guī)定值的120%，而適航規(guī)定要求達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)允許的最大扭矩。

表2 動(dòng)力渦輪扭矩規(guī)定Table 2 Torque specification for power turbines

以往經(jīng)驗(yàn)表明，由于失靈或其他異常情況輸出軸扭矩可能增加[6]，實(shí)際裝機(jī)使用時(shí)超扭主要是由于發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)非正常升高和動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速非正常降低導(dǎo)致。以下基于3型軍用發(fā)動(dòng)機(jī)和3型民用發(fā)動(dòng)機(jī)分析2種情況造成的后果。

(1) 發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)非正常升高

渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速ng設(shè)有最高允許穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速和最高瞬態(tài)轉(zhuǎn)速，正常情況下發(fā)動(dòng)機(jī)在最高允許穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速以下工作，當(dāng)ng非正常升高至最高瞬態(tài)轉(zhuǎn)速時(shí)，此時(shí)對應(yīng)的扭矩應(yīng)為發(fā)動(dòng)機(jī)所能達(dá)到的極限之一。經(jīng)計(jì)算，該條件下3 型軍用發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩增加至111.1%～114.1%，而3 型民用發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩增加至115.0%～126.3%。

(2) 動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速非正常降低

正常裝機(jī)情況下，渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速維持100%恒定。同功率狀態(tài)下，隨著動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速的降低扭矩升高，當(dāng)非正常降至最低允許值時(shí)，直升機(jī)將失去有效升力[7-9]，此時(shí)對應(yīng)的扭矩應(yīng)為發(fā)動(dòng)機(jī)所能達(dá)到的極限之二。經(jīng)計(jì)算，該條件下3 型軍用發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩增加至109.7%～110.6%，而3 型民用發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩增加至109.9%～117.5%。

(3) 發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)非正常升高且動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速非正常降低

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)非正常升高且動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速降低時(shí)，其對應(yīng)的動(dòng)力渦輪扭矩應(yīng)為發(fā)動(dòng)機(jī)所能達(dá)到的最大值。經(jīng)計(jì)算，該條件下3 型軍用發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩增加至122.1%～126.2%，而3 型民用發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩增加至134.9%～143.0%。據(jù)此，軍用發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩增量在20%附近，而民用發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩增量較大。

理論上，軸、軸承、齒輪等零件尺寸越大和材料越好，發(fā)動(dòng)機(jī)承扭能力越強(qiáng)，但尺寸增大會增加零件質(zhì)量，影響功重比，材料越好會影響整機(jī)造價(jià)。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮直升機(jī)需求、發(fā)動(dòng)機(jī)自身能力、市場價(jià)格等因素，零件的尺寸和材料滿足需求即可。

4.2 燃?xì)鉁u輪溫度

軍標(biāo)和適航規(guī)定對燃?xì)鉁u輪溫度的要求如表3所示。所有標(biāo)準(zhǔn)均要求達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)所能達(dá)到的最高穩(wěn)態(tài)溫度。軍用發(fā)動(dòng)機(jī)的最大狀態(tài)一般為應(yīng)急狀態(tài)或起飛狀態(tài)，民機(jī)的最大狀態(tài)一般為30 s OEI(1 臺發(fā)動(dòng)機(jī)不工作)、2 min OEI 或連續(xù)OEI，狀態(tài)定義的區(qū)別決定了燃?xì)鉁u輪溫度的選擇?？偟膩碚f，一般建議選擇允許工作時(shí)間大于2 min使用狀態(tài)對應(yīng)的最高允許穩(wěn)態(tài)溫度。

表3 燃?xì)鉁u輪溫度規(guī)定Table 3 Gas Turbine temperature specification

4.3 動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速

軍標(biāo)和適航規(guī)定對動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速的要求如表4所示。渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)一般為恒定100%動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速控制，因此超扭試驗(yàn)選取100%額定轉(zhuǎn)速作為最高轉(zhuǎn)速即可。若按標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)達(dá)到要求的扭矩和動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速，發(fā)動(dòng)機(jī)將達(dá)到很高的狀態(tài)，ng甚至超過最高瞬態(tài)轉(zhuǎn)速，試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)較大。為降低試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，且不降低考核強(qiáng)度，可采取適當(dāng)降低動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速、同時(shí)增加試驗(yàn)時(shí)間的方式。試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為15np,max/np,test(np,max額定轉(zhuǎn)速；np,test為降低后的動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速)。

表4 動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速規(guī)定Table 4 Power Turbine speed specification

4.4 滑油溫度

軍標(biāo)和適航規(guī)定對滑油溫度的要求如表5 所示。GJB 242A-2018 和3 部適航規(guī)定要求的滑油溫度一致，2部美軍標(biāo)未規(guī)定。

表5 滑油溫度規(guī)定Table 5 Oil temperature specification

對于帶體內(nèi)減速器的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，滑油一般通過外部滑油散熱器降溫，通過控制滑油散熱器功率從而調(diào)節(jié)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的滑油溫度。值得一提的是，渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)有最高允許穩(wěn)態(tài)滑油溫度和最大允許滑油溫度，超扭試驗(yàn)應(yīng)選取最大滑油溫度。

對于未帶體內(nèi)減速器的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，裝配有不可人工調(diào)控的散熱裝置，正常情況下該裝置可保證滑油溫度在正常范圍內(nèi)。由于滑油溫度不可調(diào)，因此該類發(fā)動(dòng)機(jī)超扭試驗(yàn)的滑油溫度只需在正常范圍內(nèi)即可。

4.5 試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間

軍標(biāo)和適航規(guī)定對試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間的要求如表6所示。除JSGS-87231A要求至少為5 min、JSSG-2007沒有要求外，其余標(biāo)準(zhǔn)要求均一致?？紤]到實(shí)際試驗(yàn)可能降低動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速，因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算出總試驗(yàn)時(shí)間，再分段試驗(yàn)。

表6 試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間規(guī)定Table 6 Permitting time specification

5 合格判定準(zhǔn)則

軍標(biāo)和適航規(guī)定對合格判定準(zhǔn)則的要求如表7所示。由表可知，部分標(biāo)準(zhǔn)雖給出了合格判定準(zhǔn)則，但未有詳細(xì)的檢查程序。以下為阿赫耶1C 發(fā)動(dòng)機(jī)超扭試驗(yàn)后的主要檢查項(xiàng)，供讀者參考：①軸、軸承等轉(zhuǎn)子件有無損壞、卡滯；②減速齒輪系所有齒輪的接觸面是否良好，齒向、齒根、齒型是否有磨損；③其他零部件損壞情況等[13]。

表7 合格判定準(zhǔn)則Table 7 Test objectives and qualification criteria

6 結(jié)論

基于國內(nèi)外軍用標(biāo)準(zhǔn)、適航規(guī)定以及我國實(shí)際情況，分別提出了動(dòng)力渦輪扭矩、燃?xì)鉁u輪溫度、動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速、滑油溫度、試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間等5個(gè)試驗(yàn)參數(shù)的確定方法，能夠?yàn)槲覈鴾u軸發(fā)動(dòng)機(jī)超扭試驗(yàn)的開展提供一定參考。具體為：

(1) 軍用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力渦輪扭矩選取120%規(guī)定值，民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力渦輪扭矩選取最大瞬態(tài)扭矩，該值并不一定是規(guī)定值的1.2倍。

(2) 對于帶體內(nèi)減速器的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，滑油溫度選取最大瞬態(tài)滑油溫度；對于未帶體內(nèi)減速器的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，滑油溫度只需在正常范圍內(nèi)即可。

(3) 燃?xì)鉁u輪溫度建議選取允許使用時(shí)間大于2 min的工作狀態(tài)所對應(yīng)的最高允許穩(wěn)態(tài)溫度。

(4) 應(yīng)根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)情況，適當(dāng)降低動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速，并根據(jù)降低后的轉(zhuǎn)速計(jì)算試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間。