某型民用渦軸發動機加速任務試驗譜研究

（中國航發湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002）

航空發動機適航規定(CCAR-33R2)第33.90條款（初始維修檢查）明確要求發動機需要進行翻修間隔期（TBO）試驗，以確定初始維修檢查的時限。隨著當前發動機設計壽命越來越長，采用1:1的試驗譜進行翻修間隔期考核試驗時，將帶來試驗周期長、資金和人力耗費巨大等一系列問題，并且過長的試驗周期不利于快速發現發動機存在的問題，并作出改進設計。因此目前國際上普遍采用發動機加速任務試驗對其翻修間隔期進行驗證，以有效縮短試驗周期和減少試驗成本。

某型民用渦軸發動機采用了加速任務試驗的方式對其翻修間隔期進行了驗證，并獲得局方批準。本文對其加速任務試驗譜進行研究，可為其他型號發動機開展加速任務試驗提供參考。

1.發動機典型任務載荷譜

1.1 直升機典型任務剖面

表1 某直升機典型任務

表2 海上飛行任務剖面

直升機方基于飛行需求給定了三種典型任務剖面，見表1。

其中海上飛行任務剖面見表2。

1.2 發動機任務載荷譜

基于直升機方提供的典型飛行任務剖面（環境條件、飛行速度以及功率等），同時考慮安裝損失、發動機性能衰減等因素，采用發動機整機性能模型可確定發動機對應的任務載荷譜（燃氣發生器轉速N1和燃氣渦輪出口溫度T45）[1]。

其中海上飛行任務剖面對應的發動機任務載荷譜見表3。

表3 海上飛行任務發動機載荷譜

2.加速任務試驗譜研究

2.1 基本原則

制定加速任務試驗譜時需要保證在整個翻修間隔期內下列損傷是等效的：（1）蠕變損傷；（2）低循環疲勞（主循環和次循環）；（3）高溫持續時間。

2.2 參考循環

分析發動機轉子疲勞壽命時需要先制定參考循環，根據參考循環計算轉子低循環疲勞壽命，即整個翻修間隔期內轉子消耗的參考循環次數。

根據飛行任務剖面和載荷譜，確定的燃氣發生器和動力渦輪標準參考循環見圖1和圖2。

圖1 燃氣發生器參考循環

2.3 蠕變損傷計算

表4是燃氣渦輪葉片在每個典型任務譜的蠕變損傷。

表4 某型發動機典型任務和混合任務蠕變損傷

由表4可知，一個混合任務需要的時間為T4，故一個翻修間隔期內累計混合任務數量為TBO/T4，蠕變損傷為TBO/T4＊l4，同時考慮到發動機未來發展的需要，根據相似型號發動機的使用經驗，將蠕變損傷的目標值由TBO/T4＊l4根據使用經進一步提高為L。

2.4 燃氣渦輪盤低循環疲勞損傷計算

表5是燃氣渦輪盤在每個典型任務譜的低循環疲勞損傷。

由表5可知，一個翻修間隔期內發動機燃氣渦輪消耗的主循環數為TBO/T4，次循環數為X5，折合參考循環數為TBO/T4＊m4次。其中TBO/T4＊m4次參考循環應為加速任務試驗必須考核的最小值，同時考慮到發動機未來發展的需要，根據相似型號發動機的使用經驗，將燃氣發生器的參考循環數進一步提高為M。

表5 燃氣渦輪盤低循環疲勞損傷

2.5 動力渦輪盤低循環疲勞計算

表6是動力渦輪盤在每個典型任務譜的低循環疲勞損傷。

表6 動力渦輪低循環疲勞損傷

由于渦軸發動機在使用過程中動力渦輪轉速保持恒定，因此其次循環為0，主要考慮主循環疲勞損傷。

由表6可知，一個翻修間隔期內發動機動力渦輪消耗的主循環數為TBO/T4，折合參考循環數為TBO/T4＊n4次。其中TBO/T4＊n4次參考循環應為加速任務試驗必須考核最小值，同時考慮到發動機未來發展的需要，根據相似型號發動機的使用經驗，將燃氣發生器的參考循環數進一步提高為N。

2.6 高溫持續時間

高溫狀態主要體現對燃氣渦輪葉片的氧化以及疲勞損傷，根據損傷等效原則，加速任務試驗譜中的高溫狀態持續時間應不低于發動機任務載荷譜中的時間[2]。

根據發動機任務載荷譜和燃氣渦輪葉片材料的蠕變疲勞材料數據，統計的滿足高溫狀態條件的持續時間為T1，故加速任務試驗譜中高溫持續時間不得低于T1。

2.7 加速任務試驗譜要求

綜合上述分析，加速任務試驗譜必須滿足以下要求：

（1）燃氣渦輪盤和動力渦輪盤主循環數不低于TBO/T4次；

（2）燃氣渦輪盤次循環數不低于X5次；

（3）燃氣渦輪葉片蠕變損傷大于L；

（4）燃氣渦輪低循環疲勞消耗大于M次參考循環；

（5）動力渦輪低循環疲勞消耗大于N次參考循環；

（6）高溫狀態的持續時間不小于T1。

2.8 加速任務試驗譜

表7 加速任務試驗譜1

表8 加速任務試驗譜2

根據2.7節要求，最終確定該型發動機兩個加速任務試驗譜，兩個任務譜的主要內容見表7和表8。其中加速任務試驗譜1需要進行總次數的80%，試驗譜2需要進行總次數的20%。

3.加速任務試驗譜與典型混合任務譜對比

加速任務試驗譜和典型混合任務譜對比見表9。由表可知，最終確定的加速任務試驗譜在低循環疲勞、蠕變損傷以及高溫狀態持續時間等方面均大于典型混合任務譜，試驗更加苛刻的同時總試驗時間只有翻修間隔期的1/4。

表9 加速任務試驗譜和典型混和任務譜對比

4.總結

本文對某型民用渦軸發動機加速任務試驗譜進行了研究，得到以下結論：

（1）根據直升機方提供的典型飛行任務剖面，考慮安裝損失、發動機性能衰減等因素，計算得到發動機的任務載荷譜；

（2）制定加速任務試驗譜時需要保證在整個翻修間隔期內損傷是等效的；

（3）最終確定的加速任務試驗譜在低循環疲勞、蠕變損傷以及高溫狀態持續時間等方面均大于典型混合任務譜，但試驗時間只有翻修間隔期的1/4，大大減少了試驗時間；

（4）由于加速任務試驗時間比翻修間隔期短，無法充分考核如軸承以及附件傳動齒輪的壽命，需要額外進行壽命分析或者補充驗證試驗。