某型渦槳發動機渦輪出口溫度高的研究分析

郭攀峰，朱利，孫倩倩

（中國航發南方工業有限公司，湖南 株洲 412002）

渦輪前溫度是航空發動機各項溫度限制值中一個很重要的參數，它決定了發動機的性能是否得到充分發揮，渦輪前溫度設計值的高低受現有渦輪材料與冷卻技術的制約。由于技術欠缺不能直接監控渦輪前溫度，某型渦槳發動機通過限制渦輪出口溫度的方法來間接限制渦輪前溫度，因此渦輪出口溫度限制值的設置是否合理對發動機的使用起著關鍵的作用。某型渦槳發動機在使用過程中, 出現H高度以下起飛狀態渦輪出口溫度超過限制值（A℃）的情況，成為了影響發動機使用的一個重要問題。本文針對該現象產生原因進行分析，并根據計算和試驗結果對放寬限制的可行性進行了論證。

1 原因分析

1.1 渦輪出口溫度限制值的確定

某型渦槳發動機根據使用需要，在發動機總體性能計算的基礎上，參照同系列渦槳發動機和АИ-20Д發動機的經驗，確定了某型渦槳發動機渦輪出口溫度限制值；確定方法主要基于理論計算和分析，帶有部分主觀因素，限于條件，也未經過全面試驗驗證。

1.2 初步原因分析

對某型渦槳發動機渦輪出口溫度偏高問題，分析主要有以下幾種可能因素。

（1）該發動機采用4支熱電偶測量渦輪出口溫度不能夠完全真實地反映渦輪出口的平均溫度。

（2）發動機制造差異。在發動機臺架上錄取了多臺發動機試車時起飛狀態的渦輪出口溫度，發現相似的溫度條件下，不同的發動機渦輪出口溫度存在個體差異，最高與最低的溫度差值達到44℃。

（3）發動機的工作條件，如進排氣損失等比預想地惡劣。

（4）發動機性能衰減。

（5）測量誤差。

（6）燃油流量偏差。

（7）其他因素。

限于經驗和水平，在最初確定渦輪出口溫度限制值時，對上述因素考慮不夠，在實際情況下，上述因素綜合影響了發動機的渦輪出口溫度。

2 放寬渦輪出口溫度限制值的可行性研究

從上述分析可知，發動機渦輪出口溫度是一個復雜的綜合影響的問題，限制值需在發動機長期試車中，在最高渦輪前溫度條件下，測量實際渦輪后溫度再統計確定；由于某型渦槳發動機試車和使用經驗不夠，渦輪出口溫度限制值的確定考慮不周。為此從渦輪部件強度分析和試驗兩方面進行論證，研究放寬渦輪出口溫度限制值的可行性。

2.1 渦輪部件強度分析

（1）渦輪部件主要零件材料使用溫度限制。該型渦槳發動機渦輪工作葉片，導向葉片以及渦輪盤的材料主要為DZ22B、GH4133、K423A、K403，上述材料的最高限制溫度如表1。

表1 某型渦槳發動機渦輪部件材料最高限制溫度

（2）渦輪部件強度分析。

①導向葉片。某型渦槳發動機導向葉片材料為K423A和K403，其材料溫度最高限制值為1000℃，通過計算和試驗測量結果表明，渦輪出口溫度為A+50℃時,發動機的最高燃氣溫度為981℃，低于導向葉片材料的最高限制溫度，且在發動機工作中，導葉為靜子非受力件，因此，導向葉片在A+50℃的燃氣溫度下能安全可靠的工作。

②工作葉片。某型渦槳發動機工作葉片材料為GH4133與DZ22B，GH4133與DZ22B兩材料的持久強度極限σSR計算式分別如下。

GH4133：

其 中：P=T（lgt+23.01）/105；T=（9×θ/5+32）+460；a0=-2.3；a1=32.651；a2=-57.578；a3=21.485。

DZ22B：

其 中：T ＝（9×θ/5+32）+460；x=lgσSR；b0=-18.04；b1=0.236×106；b2=-0.243×106；b3=0.107×106；b4=-0.164×105。

表2 最薄弱部位持久強度及儲備系數（二級葉片榫頭）

各式中，t為斷裂時間，T為絕對溫度，θ為工作溫度。

根據發動機研制要求規定的外場使用載荷分布，起飛狀態占發動機總壽命的2%，在2000h首翻期內，起飛狀態總工作時數為40h；5000h壽命期內，起飛狀態總工作時數為100h。在發動機最高燃氣溫度（T=B℃）下，對渦輪主要零件持久強度及持久強度儲備系數進行了計算分析，從計算分析結果來看，工作葉片與渦輪盤，持久強度最薄弱的零件與部位是二級右工作葉片，位于葉片上齒根部，見表2。

在50h的工作時數內，持久強度儲備系數為1.09，160h內為1.02，均大于1，且計算是按發動機最嚴酷的工作條件考慮，因此，發動機起飛狀態下渦輪出口溫度達A+50℃，渦輪部件仍能滿足發動機在壽命期內安全可靠的工作。

2.2 驗證情況

為驗證某型渦槳發動機起飛狀態渦輪出口溫度限制放寬至A+50℃是否可行，在渦輪部件強度分析的基礎上，進行了發動機的廠內臺架驗證試車。

（1）摸底試驗。抽取某型渦槳發動機進行了摸底試驗。在起飛狀態下將渦輪后燃氣溫度最高試到了A+52.5℃，并保持該溫度連續工作了5min。試驗完成后，對發動機的燃燒室部件和渦輪部件進行了精密測量和無損檢測，結果正常。

（2）超溫試驗。抽取某型渦槳發動機進行了發動機超溫試驗。超溫試驗中對渦輪前溫度進行了全過程測量，并用12支熱電偶測量了渦輪出口溫度，在最高燃氣溫度下，渦輪前溫度為B℃，車臺渦輪出口平均溫度為A+50℃。在超溫狀態下，渦輪前溫度為B+40℃，車臺渦輪出口平均溫度為A+73.3℃，并保持該溫度連續工作了5min。

試驗后，對渦輪和燃燒部件按發動機長試后檢查要求進行了故檢、精密測量和無損檢測，并對一、二、三工作葉片進行了冶金分析。檢查結果表明，各零部件正常，葉片金相未變化。

2.3 研究結果

根據對發動機渦輪出口溫度限制值的確定方式、影響因素的分析，在保證安全的前提下，根據實際情況有限度地放寬溫度限制是有效的解決措施；通過對渦輪部件的強度計算分析和實際超溫試驗，證明將某型渦槳發動機在空中H高度以下渦輪后燃氣溫度限制值放寬至A+50℃能保證使用過程中起飛狀態發動機的可靠工作。據此，重新調整了某型渦槳發動機外場渦輪出口溫度監控限制值，將H高度以下渦輪后燃氣溫度限制值放寬至A+50℃，額定狀態和0.85額定狀態的限制值也相應進行了調整。

3 結語

調整了渦輪出口溫度監控限制值后,某型渦槳發動機在后續使用以及使用后的分解檢查過程中未出現因為渦輪出口溫度過高導致的各類發動機損傷，因此可以認為放寬某型渦槳發動機渦輪出口溫度限制值的措施是合理可行的。