某無人機用小型渦噴發動機壽命試車研究

顧志崗 錢松林 彭云暉 吳進軍

（南京模擬技術研究所，南京 210016）

壽命是航空發動機關鍵指標之一。美空軍在MIL-E-87231配套使用的《MIL-STD-1783 結構完整性大綱》中規定：“設計使用壽命和設計用法的驗證要通過分析、設計發展試驗與發動機試車來完成。”因此，通過壽命試車確定壽命指標成為發動機研制過程中必不可少的研究內容。

隨著無人機應用的日益廣泛，當前迫切需要有針對無人機用發動機定壽延壽方面的指南。本文借鑒有人機載荷譜編制方法對某小型渦噴發動機壽命試車展開研究，通過計算結果與試車結果對比分析，為相近或同類小發動機壽命指標確定提供參考。

1 載荷譜編制

1.1 編制方法

載荷譜反映了結構件在工作中磨損、蠕變、應力斷裂或過大、高低周疲勞裂紋造成機件失效，是壽命試車研究的基礎和前提。

某小型渦噴發動機配裝于某亞音速無人機，其設計載荷譜選取了10多架用途相近無人機飛行數據進行任務循環統計及任務混頻，在領先試飛階段，基于大量外場飛行測試，人們通過數據統計開展了使用載荷循環推導。

1.2 工作任務載荷統計

在渦噴發動機的使用過程中，低循環疲勞和蠕變是造成發動機關鍵零部件損傷的重要因素[1]。低循環疲勞損傷循環參照美軍《MIL-STD-1783 結構完整性大綱》中規定的三種典型循環：（1）I類循環：0-最大/中間-0循環；（2）II類循環：慢車-最大/中間-慢車循環；（3）III類循環：巡航-最大/中間-巡航循環。

依據《航空發動機結構完整性指南》（GJB/Z101-1997），發動機蠕變損傷應統計等于或大于中間功率時間[2]。采用分析獲得的設計載荷譜與使用載荷譜編制壽命試車譜，試車循環剖面按1h計，其工作任務載荷統計對比結果如1所示。

表1 設計譜與使用譜任務載荷對比（一）

表1 設計譜與使用譜任務載荷對比（二）

2 壽命試車對比驗證

分別采用設計譜、使用譜編制試車譜進行壽命試車，每次循環考核時間為1h，通過測定相同推力值上的排氣溫度和耗油率以考核發動機是否到壽，詳細標準是：換算耗油率不超過初始校準試車時的5%；穩態排氣溫度不超過初始校準試車時的5%[3-4]。

2.1 試車結果對比

設計譜編制的試車譜（下稱譜一）第16h運轉性能明顯惡化，而使用譜編制的試車譜（下稱譜二）第20h運轉性能明顯惡化。

在相同推力值上對兩譜壽命試車結果進行對比，筆者發現：譜一耗油率第10h較第1h變化不大，第16h較第1h明顯升高，尤其是在大推力狀態升高超過5%，譜二耗油率第16h尚未出現明顯升高，第20h方明顯升高超過5%；譜一大狀態排氣溫度第16h惡化程度超出5%，而譜二大狀態排氣溫度第16h惡化程度尚在允許范圍之內，直至第20h惡化程度超過5%。

2.2 分解檢查對比

分解檢查發動機，目視各零部件，譜一16h開車后渦輪轉子有兩個葉片葉尖出現明顯斷裂，斷裂部位位于排氣邊，集中于靠近葉尖1/3處，呈不規則圓弧狀，采用熒光檢測技術對其余葉片及壓氣機葉片進行檢查，均未發現裂紋。

2.3 試車壽命與計算損傷對比

對比試驗結果與計算結果，可以看出：采用譜一（設計譜編制試車譜）試車壽命15h較譜二（使用譜編制試車譜）試車壽命19h短21.1%，這與壽命損傷計算結果20%相接近。

2.4 載荷譜編制對壽命試車結果影響分析

第4節采用不同試車譜進行壽命試車，唯一不同是分別采用了設計載荷譜、使用載荷譜進行編制，載荷譜編制對壽命試車結果產生如此影響，分析認為，其根本原因有兩個。

2.4.1 載荷譜散度差異

該無人機用發動機設計載荷譜與使用載荷譜編制方法均借鑒有人機。一般來說，有人機可靠性、安全性要求均較無人機高，相近或類似的飛機在結構上比較接近，在編制飛行訓練大綱過程中，會綜合考慮可靠性及安全性要求。因此，在不同階段根據有人機飛行任務獲得的載荷譜是一類有人機群的均值譜，這種均值載荷譜散度對最終的整機載荷譜影響較小。

無人機在飛行可靠性及安全性方面并沒有有人機要求高，即使是同樣一款無人機，都有可能按不同任務需求，依照計劃開展不一樣的飛行任務。因此，在編制設計載荷譜過程中，雖然選擇的是與裝機對象相近的無人機，但由于實際的飛行航程、續航時間、速度及有效載荷能力有較大差異，在分析過程中又對多種與發動機使用載荷直接相關的變量進行了大量的簡化、模糊合并，從而導致發動機個體使用載荷與統計獲得的均值存在一定差異，也就是載荷譜散度較大。從這個角度上說，使用載荷譜更多地參考了實際的飛行循環，用它開展壽命試車研究更能反映其壽命期內載荷特點。

2.4.2 經濟性

無人機用發動機要求重量輕、油耗小，因此設計選材及工藝均從低成本角度考慮，其壽命指標往往也并不高，甚至有一次性使用發動機出現。本文研究的小型渦噴發動機正是這一類發動機的代表，導向器內外環采用不銹鋼材料加工，對于這種短壽發動機，載荷譜差異帶來的損傷對比會較為凸現，進而出現明顯的試車壽命差異。

3 結論

研究結果表明，某小型渦噴發動機采用設計載荷譜壽命損傷計算值較使用載荷譜計算值至少高20%；某小型渦噴發動機使用載荷譜編制試車譜試車壽命較設計載荷譜試車壽命高20%；采用使用載荷譜開展壽命試車較設計載荷譜更能反映發動機實際載荷特征，其壽命指標更具有經濟性。