某發動機超溫試驗的實現

蘭 鍇

中國航發湖南動力機械研究所 湖南 株洲400412

超溫試驗是GJB·242A-2018《航空渦輪螺槳和渦輪軸發動機通用規范》中規定的試驗項目，其目的是在高溫條件下考核熱端部件轉子的結構完整性，各國在新研軍、民發動機的研制過程中均對該項試驗十分重視。該種試驗技術難度高、風險大，調整方法較少。本文首先對超溫試驗的難點進行了分析。基于發動機試驗數據，對可采用的方法進行了模擬性能計算，研究了各種試驗方法的優缺點，提出了使發動機轉速和溫度達到規定值的最優實施方案。最后完成了超溫試驗。

1 超溫試驗難點

1.1 測試難點 對于高水平的航空發動機，難以對一級渦輪前溫度Tt4.1 溫度直接進行測量。首先現代航空發動機一級高壓渦輪前轉子溫度水平已達到1300～1500℃水平，溫度水平高，結構復雜，測試環境惡劣，常規熱電偶無法在高溫中進行測量。其次，在渦輪機匣部位布置熱電偶，需要對渦輪機匣進行改裝用于布置測試線纜。而隨著發動機熱端部件冷卻結構日益復雜，在燃氣渦輪機匣附近進行改裝用于測試，將破壞已有的機匣結構，既影響發動機結構強度壽命，同時也帶來機匣測試孔密封不良、冷卻結構改變的風險。且熱電偶在高溫環境下進行測試，其強度、可靠性將大大下降，將對整機試驗帶來安全隱患。最后，布置熱電偶將造成熱電偶附近流場不均勻，可能造成高壓渦輪轉子進口溫度場、壓力場不均勻，造成局部壓力、溫度偏高或偏低。對于高水平的航空發動機，其熱端部件的冷卻系統設計精密復雜，而渦輪進口流場、冷卻結構的局部變化將影響渦輪冷卻氣量的分配，甚至造成燃氣倒灌現象，嚴重將造成高溫部件燒蝕。因此，在超溫試驗中，通常采用對燃氣渦輪出口Tt4.5 溫度或動力渦輪出口溫度進行測試，間接對Tt4.1 溫度進行監控。

1.2 試驗方法難點 根據國軍標的要求，超溫試驗應在至少超過第一級渦輪轉子進口穩態最高允許燃氣溫度45℃，及在不低于穩態最高允許轉速下，至少工作5 min，即試驗需要同時達到燃氣發生器轉子轉速不低于發動機穩態最高允許轉速、第一級渦輪轉子進口溫度超過發動機穩態最高允許燃氣溫度的兩個條件，為試驗方法的確定增加了難度。

2 調整方法對發動機性能影響及優缺點

2.1 引氣對轉速和Tt4.1 的影響對最大狀態引氣對轉速和Tt4.1 的影響進行計算分析，當引氣5%時，Tt4.1 溫度增加100℃時，轉速下降了0.5 %。說明僅通過引氣方法無法滿足超溫試驗的要求。而調節引氣對于Tt4.1 的溫升影響較大，可用于調節Tt4.1 溫度。

2.2 渦輪導向器面積對轉速和Tt4.1 的影響 調整渦輪導向器面積是調整發動機性能的常用方法。但目前尚未用于超溫試驗發動機狀態調節。該發動機渦輪導向器面積為不可調裝置，但考慮到發動機試制過程中的加工、制造偏差，篩選制造中面積偏大或偏小的渦輪導向器葉片，分別疊加偏差，可使發動機渦輪導向器在實際裝配中在3%～3%的范圍內浮動。考慮通過調整渦輪導向器面積作為轉速和溫度調節的手段。通過整機性能模型計算最大狀態，得到渦輪導向器流函數對發動機性能的影響。并通過試驗數據對性能進行了校核。計算可知，調整渦輪導向器面積對于發動機轉速的影響較大，在調整渦輪導向器流函數為2%時，即可達到提升高壓轉速0.84%的目標。調整渦輪導向器面積可作為調整轉速的方法之一。

2.3 渦輪效率對轉速和Tt4.1 的影響 通過調整發動機渦輪結構，如調整渦輪葉尖間隙，可改變渦輪效率，間接調整發動機性能。受渦輪結構及轉子碰磨限制，葉尖間隙只可調大不可調小。因而渦輪效率只可向調低的方向改變。采用性能模型計算調低渦輪效率后發動機性能的調整方向。

計算可知，在調整渦輪效率后，發動機轉速出現下降。分析其原因為，在調整渦輪效率后，渦輪功與壓氣機功無法平衡，需要更多的燃油、提升發動機渦輪溫度使渦輪功和壓氣機功達到平衡，但渦輪效率降低的影響對轉速的影響更大，因而出現轉速下降。

對于該發動機而言，其轉速升高的需求大于溫度升高的需求，因此，調整渦輪效率使發動機溫度、轉速上升的方法不適用。

3 超溫試驗的實施方案

第2節已論述了超溫試驗各因素的影響，可得出一個結論，采用單方法無法使發動機調整到渦輪前溫度Tt4.1和轉速同時達到超溫試車要求的狀態。可用于調節的方法包括壓氣機后引氣、調整渦輪導向器面積。考慮到本次試驗的優先級為調整轉速，需要分析組合試驗方案的可行性：

調整轉速達到限制轉速，調節Tt4.1溫度達到限制溫度。由2.1節可知，壓氣機后引氣對發動機溫升影響較大，而對轉速影響較小。而由2.2節可見，調整渦輪導向器面積可使發動機轉速上升、渦輪前溫度下降。通過調整渦輪導向器面積可使發動機轉速達到限制轉速以上100%～101%，再調節引氣使發動機溫度達到限制溫度。

該調整方法可在實際試驗過程中，根據被試發動機的具體試驗情況，靈活調整發動機試驗措施。

4 超溫試驗的實施

該渦槳發動機在調整渦輪導向器面積2%后，開展超溫試驗，最終達到了渦輪前溫度、轉速滿足國軍標要求的試驗目標，為發動機研制累積了寶貴的研制經驗。