渦軸發動機超扭試驗標準研究

鄒 黎，王 旭，馮 興，周七二，王 博

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

1 引言

上世紀80年代，我國以美國70年代的軍用標準《航空渦輪噴氣和渦輪風扇發動機通用規范》(MIL-E-5007D)和《渦輪軸和渦輪螺槳發動機通用規范》(MIL-E-8593A)為藍本，編制了《航空渦輪螺槳和渦輪軸發動機通用規范》(GJB 242-1987)[1]，為航空渦軸/渦槳發動機設計提供了標準，使渦軸/渦槳發動機研制有章可循、有理可依，對設計、制造、考核和交付等工作發揮了積極而重要的作用[2]。

隨著發動機技術和經驗的不斷積累，美國于1995年將MIL-E-8593A與《航空渦噴渦扇發動機通用規范》(MIL-E-87231)合并，修訂成JSGS-87231A《航空渦噴渦扇渦軸渦槳發動機通用規范》，該標準中還新增了超扭試驗[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動機聯合使用規范指南》，均保留著超扭試驗，足見其重要性。

2018 年，陸軍裝備部在GJB 242-1987 的基礎上，參照JSGS-87231A和JSSG-2007，并結合近年來國內型號研制經驗和貫徹GJB 242-1987的經驗，頒布了GJB 242A-2018《航空渦輪螺槳和渦輪軸發動機通用規范》[4]，其中增加了超扭試驗。

GJB 242A-2018 頒布之前，我國僅有部分渦軸發動機完成了整機超扭試驗，且方法不一。既有參考《航空發動機適航規定》(CCAR-33)，亦有參考國外資料，試驗目標也不盡相同，無章可循，困擾了試驗的開展。因此，解讀新軍標以及尋求一套通用的超扭試驗目標參數制定方法已是必然。

為規范渦軸發動機超扭試驗，本文結合《航空渦噴渦扇渦軸渦槳發動機聯合使用規范指南》(JSSG-2007)、《歐洲航空安全局(EASA)發動機合格審定規范》(CS-E)、《Airworthiness Standards Aircraft Engines》(FAR-33)等6 部含有超扭試驗的國內外標準和適航規定，詳細對比了超扭試驗考核方式、試驗目標、合格判定準則，從動力渦輪扭矩、燃氣渦輪溫度、動力渦輪轉速、滑油溫度、試驗持續時間等5 個方面，分別對軍用和民用渦軸發動機提出了超扭試驗目標選取建議。

2 考核方法

經統計，GJB 242A-2018、CCAR-33、JSSG-2007、JSGS-87231A、FAR-33、CS-E等6 部標準和規定，共提出了3 種考核方式(整機試驗，部件試驗，分析)、5種試驗目標(動力渦輪扭矩，燃氣渦輪溫度，動力渦輪轉速，滑油溫度，試驗持續時間)，以及相應的合格判定準則，如表1所示。其中：

表1 考核方式、試驗目標與合格判定準則Table 1 Methods of assessment,test objective and qualification criteria

(1) 僅JSGS-87231A 提出需同時采用分析和試驗的方法進行考核[5]，而其余5部標準僅要求部件或整機考核即可[6]。

(2) 僅JSGS-87231A和JSSG-2007提出動力渦輪扭矩和試驗持續時間2種試驗目標，而其余4部標準提出了動力渦輪扭矩、燃氣渦輪溫度、動力渦輪轉速、滑油溫度和試驗持續時間5種試驗目標。

3 考核方式

3.1 整機試驗

目前，國內渦軸發動機一般在地面臺架采用整機試驗的方式完成超扭試驗，通過調整水力測功器負載，調整直升機引氣量、電機加載等方法，達到燃氣渦輪溫度、扭矩、動力渦輪轉速等要求。該方法能真實模擬發動機超扭情況，容易讓用戶/局方接受和信服。

3.2 部件試驗

除整機試驗外，還可以采用部件等效試驗法考核。JSSG-2007提出了具體的部件試驗方法[6]。

與整機試驗不同的是，部件試驗本身不能產生高溫高壓氣體，需要氣源站提供合適的氣源，通過穩壓段、閥門等管道設備后才能穩定輸送到試驗臺，這對部件試驗臺的建造提出了更高要求。此外，部件試驗較難模擬渦輪部件的封嚴、冷卻等系統。以上因素可能造成部件試驗進口燃氣溫度和冷熱態葉尖間隙不穩定，影響試驗效果。

3.3 分析

雖然純粹的分析不能完全代替試驗，但在盤、軸、材料等領域有足夠基礎研究的條件下，可選擇分析的方法，能適當降低研制經費，節約試驗資源。

4 試驗目標

4.1 動力渦輪扭矩

軍標和適航規定對動力渦輪扭矩的要求如表2所示。軍標要求最大允許穩態扭矩極限值(機械的)不低于扭矩規定值的120%，而適航規定要求達到發動機允許的最大扭矩。

表2 動力渦輪扭矩規定Table 2 Torque specification for power turbines

以往經驗表明，由于失靈或其他異常情況輸出軸扭矩可能增加[6]，實際裝機使用時超扭主要是由于發動機狀態非正常升高和動力渦輪轉速非正常降低導致。以下基于3型軍用發動機和3型民用發動機分析2種情況造成的后果。

(1) 發動機狀態非正常升高

渦軸發動機的燃氣發生器轉速ng設有最高允許穩態轉速和最高瞬態轉速，正常情況下發動機在最高允許穩態轉速以下工作，當ng非正常升高至最高瞬態轉速時，此時對應的扭矩應為發動機所能達到的極限之一。經計算，該條件下3 型軍用發動機的扭矩增加至111.1%～114.1%，而3 型民用發動機的扭矩增加至115.0%～126.3%。

(2) 動力渦輪轉速非正常降低

正常裝機情況下，渦軸發動機動力渦輪轉速維持100%恒定。同功率狀態下，隨著動力渦輪轉速的降低扭矩升高，當非正常降至最低允許值時，直升機將失去有效升力[7-9]，此時對應的扭矩應為發動機所能達到的極限之二。經計算，該條件下3 型軍用發動機的扭矩增加至109.7%～110.6%，而3 型民用發動機的扭矩增加至109.9%～117.5%。

(3) 發動機狀態非正常升高且動力渦輪轉速非正常降低

當發動機狀態非正常升高且動力渦輪轉速降低時，其對應的動力渦輪扭矩應為發動機所能達到的最大值。經計算，該條件下3 型軍用發動機的扭矩增加至122.1%～126.2%，而3 型民用發動機的扭矩增加至134.9%～143.0%。據此，軍用發動機的扭矩增量在20%附近，而民用發動機的扭矩增量較大。

理論上，軸、軸承、齒輪等零件尺寸越大和材料越好，發動機承扭能力越強，但尺寸增大會增加零件質量，影響功重比，材料越好會影響整機造價。因此，發動機設計時，應綜合考慮直升機需求、發動機自身能力、市場價格等因素，零件的尺寸和材料滿足需求即可。

4.2 燃氣渦輪溫度

軍標和適航規定對燃氣渦輪溫度的要求如表3所示。所有標準均要求達到發動機所能達到的最高穩態溫度。軍用發動機的最大狀態一般為應急狀態或起飛狀態，民機的最大狀態一般為30 s OEI(1 臺發動機不工作)、2 min OEI 或連續OEI，狀態定義的區別決定了燃氣渦輪溫度的選擇?？偟膩碚f，一般建議選擇允許工作時間大于2 min使用狀態對應的最高允許穩態溫度。

表3 燃氣渦輪溫度規定Table 3 Gas Turbine temperature specification

4.3 動力渦輪轉速

軍標和適航規定對動力渦輪轉速的要求如表4所示。渦軸發動機一般為恒定100%動力渦輪轉速控制，因此超扭試驗選取100%額定轉速作為最高轉速即可。若按標準要求，同時達到要求的扭矩和動力渦輪轉速，發動機將達到很高的狀態，ng甚至超過最高瞬態轉速，試驗風險較大。為降低試驗風險，且不降低考核強度，可采取適當降低動力渦輪轉速、同時增加試驗時間的方式。試驗持續時間為15np,max/np,test(np,max額定轉速；np,test為降低后的動力渦輪轉速)。

表4 動力渦輪轉速規定Table 4 Power Turbine speed specification

4.4 滑油溫度

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

表5 滑油溫度規定Table 5 Oil temperature specification

對于帶體內減速器的渦軸發動機，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節進入發動機的滑油溫度。值得一提的是，渦軸發動機設有最高允許穩態滑油溫度和最大允許滑油溫度，超扭試驗應選取最大滑油溫度。

對于未帶體內減速器的渦軸發動機，裝配有不可人工調控的散熱裝置，正常情況下該裝置可保證滑油溫度在正常范圍內。由于滑油溫度不可調，因此該類發動機超扭試驗的滑油溫度只需在正常范圍內即可。

4.5 試驗持續時間

軍標和適航規定對試驗持續時間的要求如表6所示。除JSGS-87231A要求至少為5 min、JSSG-2007沒有要求外，其余標準要求均一致?？紤]到實際試驗可能降低動力渦輪轉速，因此應根據實際情況計算出總試驗時間，再分段試驗。

表6 試驗持續時間規定Table 6 Permitting time specification

5 合格判定準則

軍標和適航規定對合格判定準則的要求如表7所示。由表可知，部分標準雖給出了合格判定準則，但未有詳細的檢查程序。以下為阿赫耶1C 發動機超扭試驗后的主要檢查項，供讀者參考：①軸、軸承等轉子件有無損壞、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 合格判定準則Table 7 Test objectives and qualification criteria

6 結論

基于國內外軍用標準、適航規定以及我國實際情況，分別提出了動力渦輪扭矩、燃氣渦輪溫度、動力渦輪轉速、滑油溫度、試驗持續時間等5個試驗參數的確定方法，能夠為我國渦軸發動機超扭試驗的開展提供一定參考。具體為：

(1) 軍用渦軸發動機動力渦輪扭矩選取120%規定值，民用渦軸發動機動力渦輪扭矩選取最大瞬態扭矩，該值并不一定是規定值的1.2倍。

(2) 對于帶體內減速器的渦軸發動機，滑油溫度選取最大瞬態滑油溫度；對于未帶體內減速器的渦軸發動機，滑油溫度只需在正常范圍內即可。

(3) 燃氣渦輪溫度建議選取允許使用時間大于2 min的工作狀態所對應的最高允許穩態溫度。

(4) 應根據實際試驗情況，適當降低動力渦輪轉速，并根據降低后的轉速計算試驗持續時間。