于宏軍 朱 瑾 張 勇 楊九高 司榮寧

（1．中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028；2.沈陽發(fā)動機(jī)設(shè)計研究所，遼寧 沈陽 110015）

總結(jié)以往的使用經(jīng)驗，現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展是由極力追求高性能、強(qiáng)調(diào)高推重比的動力性能和低油耗的經(jīng)濟(jì)性能，轉(zhuǎn)向綜合權(quán)衡發(fā)動機(jī)性能、壽命、可靠性、耐久性、結(jié)構(gòu)完整性、使用性、維修性和壽命期總費用。壽命已成為航空發(fā)動機(jī)重要技術(shù)指標(biāo)之一。隨著高性能航空發(fā)動機(jī)設(shè)計因素構(gòu)成的完善和不斷發(fā)展，先進(jìn)的航空發(fā)動機(jī)總技術(shù)壽命達(dá)到了幾萬小時，而采用全壽命試車來確定發(fā)動機(jī)的壽命試驗周期太長、燃油費用和資源消耗太大，適用性明顯變差。因此各航空發(fā)動機(jī)大國都在研究新的長期試車技術(shù)，以適應(yīng)發(fā)動機(jī)的需要。長期試車的方法也從全壽命試車、150/300h持久試車拓展到目前先進(jìn)的加速模擬試車。

航空發(fā)動機(jī)發(fā)展的早期，發(fā)動機(jī)壽命僅為幾十到幾百小時，限制發(fā)動機(jī)技術(shù)壽命的主要因素是零部件的應(yīng)力斷裂和蠕變。各國都采用模擬外場實際使用的工作狀態(tài)、持續(xù)時間和狀態(tài)的變換來進(jìn)行全壽命長期試車。MIL–E–5007D《航空渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)通用規(guī)范》及GJB 241–1987《航空渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)通用規(guī)范》的150h鑒定長期試車是用來檢驗發(fā)動機(jī)性能穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的可靠性、使用的適航性；它不是一種嚴(yán)格加速模擬試車，功率狀態(tài)的分配及狀態(tài)變換與實際使用相差很遠(yuǎn)，因而它不能嚴(yán)格確定發(fā)動機(jī)的技術(shù)壽命。

由于航空發(fā)動機(jī)設(shè)計水平的提高，先進(jìn)的航空發(fā)動機(jī)總技術(shù)壽命達(dá)到了幾萬小時，限制發(fā)動機(jī)壽命的主要因素起了很大變化。在70年代初，據(jù)統(tǒng)計分析，先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)75%重要零部件的壽命主要受疲勞損傷的限制。美國在航空發(fā)動機(jī)研制過程中首先采用了加速模擬試車，在臺架上進(jìn)行循環(huán)，預(yù)先暴露外場使用中可能出現(xiàn)的各種結(jié)構(gòu)缺陷和故障，以便盡快采取改進(jìn)措施，并預(yù)測發(fā)動機(jī)循環(huán)限和壽命限。并且早在1983年9月的MIL–E–5007E中已明確要求開展與飛行任務(wù)有關(guān)的加速任務(wù)試車（AMT）。美國空軍對加速任務(wù)試車的定義是：發(fā)動機(jī)在地面臺架上進(jìn)行的一種模擬外場使用任務(wù)，而縮短時間的試車，其試車大綱能直接反映使用中全部高功率狀態(tài)的變換及相應(yīng)時間。70年代，前蘇聯(lián)采用了加速等效試驗進(jìn)行加速模擬試車。其概念和作法是用大載荷、熱沖擊、大功率狀態(tài)、共振狀態(tài)以及增加疲勞循環(huán)次數(shù)等各種辦法，進(jìn)行臺架試車，使發(fā)動機(jī)零部件和整機(jī)在相當(dāng)短的時間內(nèi)，發(fā)生故障、累積磨損程度和造成的損壞與全壽命試車有相同的結(jié)果。我國從70年代后，對一些老機(jī)型渦噴渦槳發(fā)動機(jī)，根據(jù)實際使用經(jīng)驗，參照前蘇聯(lián)的一些方法，考慮綜合模擬斷裂、高頻振動疲勞和蠕變、腐蝕、低循環(huán)疲勞和熱疲勞等影響因素，進(jìn)行了加速模擬試車，取得了一些經(jīng)驗。

國內(nèi)外加速模擬試車實例已經(jīng)證明，加速模擬試車是復(fù)現(xiàn)使用故障、零部件的承載能力和循環(huán)疲勞，弄清發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)完整性的極好方法，由于它能在裝機(jī)投入使用前找出存在的問題，縮短研制總時間。因此建立航空發(fā)動機(jī)加速模擬試車要求，具有重要的現(xiàn)實意義。

以下就國軍標(biāo)《航空發(fā)動機(jī)加速模擬試車要求》中相關(guān)具體標(biāo)準(zhǔn)條款進(jìn)行研究。

1 關(guān)于任務(wù)剖面和任務(wù)混頻

對于任務(wù)剖面和任務(wù)混頻，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定“使用部門應(yīng)提供發(fā)動機(jī)的設(shè)計任務(wù)剖面（或使用任務(wù)剖面）及對應(yīng)的任務(wù)混頻”。

研制初期，在精確飛行任務(wù)及其任務(wù)混頻還得不到的情況下，可利用發(fā)動機(jī)型號規(guī)范中推薦的設(shè)計工作循環(huán)數(shù)。可為了切實弄清發(fā)動機(jī)實際使用負(fù)荷，確定發(fā)動機(jī)載荷循環(huán)，必須對有關(guān)使用部隊進(jìn)行大量調(diào)查，查閱有關(guān)飛行計劃報表和飛行員的飛行日記，并向空、地勤人員詳細(xì)了解關(guān)于飛行任務(wù)種類、地面試車中故障與起飛著陸頻度。另一方面在飛機(jī)上裝飛參記錄儀記錄有關(guān)參數(shù)，如油門角度變化、燃?xì)鉁u輪溫度、轉(zhuǎn)速等隨時間變化情況，以及飛機(jī)飛行高度、速度、外界大氣溫度，以便更準(zhǔn)確模擬真正的使用條件。

2 關(guān)于環(huán)境混頻

對于環(huán)境混頻，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定“發(fā)動機(jī)使用部門應(yīng)根據(jù)所配裝飛機(jī)部署區(qū)域的環(huán)境大氣條件來提供環(huán)境混頻。在環(huán)境混頻中所考慮的大氣條件，不包括大氣壓力變化的影響，僅考慮對發(fā)動機(jī)熱力循環(huán)有影響的大氣溫度。如尚無裝機(jī)對象，在壽命損傷分析時宜采用表1中的環(huán)境混頻要求”。

在環(huán)境混頻中所考慮的大氣條件，僅限于對發(fā)動機(jī)熱力循環(huán)有影響的大氣溫度。大氣中其他因素，如濕度、鹽份等對發(fā)動機(jī)特定構(gòu)件的影響，在構(gòu)件的損傷分析中另行考慮。

高海拔機(jī)場起飛時，由于大氣壓力的降低，其起飛離地速度要增加，這可以通過增加滑跑距離來達(dá)到，而不一定非要提高起飛推力不可。然而，大氣溫度的變化會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)燃?xì)鉁囟鹊淖兓?。因此，渦噴、渦扇發(fā)動機(jī)環(huán)境混頻通常僅考慮大氣溫度混頻。僅需給出機(jī)場大氣溫度混頻，對流層以內(nèi)的溫度分布可按線性變化處理。

3 關(guān)于加速試車譜的推導(dǎo)原則

標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定“刪去或折合綜合任務(wù)譜中對零組件損壞無影響或影響不大的工作狀態(tài)后，可得到加速模擬試車譜。無論是刪除或折合都應(yīng)以壽命損傷計算為依據(jù)，將可以忽略的損傷刪除或按損傷等效原則進(jìn)行折合?！奔铀倌M試車譜的形成見圖1所示。

加速試車譜中推導(dǎo)原則可根據(jù)實際情況主要從以下一些方面選?。?/p>

● 低循環(huán)疲勞損傷是發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)件的主要損傷因素，必須重點考慮；

● 加速模擬試車循環(huán)結(jié)束時慢車狀態(tài)時間必須足以冷卻盤的輪轂處，以便模擬發(fā)動機(jī)隔夜停車。然后使發(fā)動機(jī)停車，并用起動機(jī)帶轉(zhuǎn)使氣流通道冷卻到環(huán)境溫度，以保證發(fā)動機(jī)再起動時處于實的熱應(yīng)變狀態(tài)下，使發(fā)動機(jī)經(jīng)歷一個完整的熱應(yīng)變循環(huán)?？梢燥L(fēng)車或帶轉(zhuǎn)冷卻發(fā)動機(jī)。英國軍用發(fā)動機(jī)設(shè)計規(guī)范（DEF STN 00970）規(guī)定：冷卻結(jié)束時，第一排渦輪工作葉片的溫度應(yīng)不超過大約100℃；

● 起動時，由慢車到中間及以上狀態(tài)的加速速率決定了渦輪盤等部件的熱梯度。為確保損傷率與外場一致，該加速過程的加速速率必須與使用用法一致。另外，各慢車狀態(tài)的保持時間也決定了盤心孔到輪緣的熱梯度，該梯度影響渦輪盤的低循環(huán)疲勞壽命，所以慢車狀態(tài)的保持時間也必須與外場用法相一致；

● 大狀態(tài)工作時間是影響發(fā)動機(jī)熱件壽命的關(guān)鍵性因素，必須重點考慮；

● 加力點火次數(shù)和加力時間是影響加力筒體及尾噴管等部件的壽命關(guān)鍵性因素，因此也須重點考慮；

● 由于飛機(jī)飛行時高度不斷變化，周圍的大氣溫度變化也很大，另外，隨著季節(jié)、地域的變化，發(fā)動機(jī)工作的大氣條件也在變化，因此在發(fā)動機(jī)試車過程中必須考慮進(jìn)氣加溫問題；

另外，高馬赫數(shù)飛行任務(wù)對發(fā)動機(jī)壽命有著較大的影響，因此也必須在發(fā)動機(jī)試車過程中考慮進(jìn)氣加壓問題；

● 功率提取和飛機(jī)引氣會影響渦輪冷卻空氣流量，同時為了獲得所需的性能需放寬對渦輪排氣溫度的限制，這些都可能加大對熱端部件壽命的損傷，經(jīng)驗表明T6溫度一般會提高3℃～5℃；

● 為了維持要求的推力狀態(tài)，有些發(fā)動機(jī)需適時地調(diào)整渦輪排氣溫度限制值，在編制加速模擬試車譜時應(yīng)視情考慮限制值調(diào)整對發(fā)動機(jī)熱件壽命的影響。

4 關(guān)于高循環(huán)疲勞試車譜

加速模擬試車循環(huán)中刪掉了很大一部分功率的運行時間，對發(fā)動機(jī)部分功率狀態(tài)振動敏感的任何部件都不能得到試車的驗證。因此對于在發(fā)動機(jī)部分轉(zhuǎn)速下振動敏感的發(fā)動機(jī)零件，附加高循環(huán)疲勞試車，使這些零件在引起振動響應(yīng)條件下進(jìn)行試車。

5 關(guān)于加速系數(shù)

發(fā)動機(jī)的加速系數(shù)是指限制發(fā)動機(jī)使用壽命的關(guān)鍵件最小的加速系數(shù)，加速系數(shù)的評定是AMT過程中的關(guān)鍵技術(shù)之一，它的正確與否取決于能否精確預(yù)測關(guān)鍵件在各種工作狀態(tài)的真實工作參數(shù)，同時還應(yīng)根據(jù)發(fā)動機(jī)的各具體結(jié)構(gòu)和材料的特性而定。目前，在理論上，按零、部件承受的不同溫度和應(yīng)力換算其當(dāng)量壽命的方法可較精確地計算出發(fā)動機(jī)各零、部件及整機(jī)的使用壽命，從而來評定某一特定AMT循環(huán)的加速系數(shù)。

加速系數(shù)的大小取決于所模擬飛行任務(wù)剖面中低功率狀態(tài)所占百分比，以及AMT中發(fā)動機(jī)載荷增大的程度，目前航空發(fā)動機(jī)的加速系數(shù)民用型的一般為5～8，軍用型的一般為2～3。但必須注意的是：同一AMT大綱對不同型別的發(fā)動機(jī)和每個不同零、部件來說，其加速系數(shù)是不同的，而且相互間的差別較大；即使是同樣型號的數(shù)臺發(fā)動機(jī)，由于它們所裝備的飛機(jī)型號不一樣，其加速系數(shù)也各不相同。然而，為了確定發(fā)動機(jī)的加速系數(shù)，最合理的AMT應(yīng)保證決定其壽命的關(guān)鍵零、部件的加速系數(shù)均相同。

表1給出了國外部分進(jìn)行過加速試車的發(fā)動機(jī)的加速系數(shù)。由于戰(zhàn)斗機(jī)和攻擊機(jī)大量的使用時間是高溫高轉(zhuǎn)速狀態(tài)，所以，它們的加速試車系數(shù)通常在3以內(nèi)。一般來說，典型戰(zhàn)斗機(jī)加速系數(shù)為2.5，運輸機(jī)發(fā)動機(jī)加速系數(shù)為10或更大。

表1 國外部分發(fā)動機(jī)加速試車加速系數(shù)

6 關(guān)于加速試車譜的驗證和修改

新發(fā)動機(jī)研制初期，根據(jù)發(fā)動機(jī)使用部門提出的設(shè)計任務(wù)循環(huán)制定的加速任務(wù)試車循環(huán)，不一定同試飛實踐完全符合，必須經(jīng)過反復(fù)驗證和修改。

一般發(fā)動機(jī)從研制階段到生產(chǎn)使用階段根據(jù)實際情況可考慮適時安排以下階段的加速試車。

發(fā)動機(jī)首飛前一般應(yīng)進(jìn)行加速模擬試車。試車程序應(yīng)模擬型號規(guī)范中的設(shè)計任務(wù)循環(huán)。最短試車時間至少應(yīng)為用于首次飛行試飛大綱中計劃使用時間的2倍，且該試車不在試飛用發(fā)動機(jī)上進(jìn)行；

設(shè)計定型前，一般應(yīng)按型號規(guī)范中規(guī)定的設(shè)計任務(wù)循環(huán)，至少進(jìn)行設(shè)計壽命一半時間的加速模擬試車；

生產(chǎn)定型前，一般應(yīng)按型號規(guī)范中規(guī)定的設(shè)計任務(wù)循環(huán)，至少進(jìn)行設(shè)計壽命1倍時間的加速模擬試車；

在批生產(chǎn)階段應(yīng)進(jìn)行加速試車。試車程序應(yīng)模擬從使用用法數(shù)據(jù)中導(dǎo)出的使用任務(wù)循環(huán)，最短試車時間應(yīng)是設(shè)計使用壽命的一倍。

在進(jìn)行加速模擬試車的同時還應(yīng)根據(jù)條件按實際使用任務(wù)進(jìn)行1:1的實時試車，通過兩種試車的對比，檢驗其等效程度，在經(jīng)驗不多的情況下，進(jìn)行這種試車尤為必要。

假如兩種試車對發(fā)動機(jī)零部件造成的損壞差別很大，就應(yīng)對已確定循環(huán)的苛刻程度進(jìn)行修改。另一方面，還應(yīng)根據(jù)最新獲得發(fā)動機(jī)實際使用情況的資料來修改已確定的循環(huán)。隨著以后使用任務(wù)的改變，加速模擬試車循環(huán)也需要進(jìn)行相應(yīng)的修改。

對于那些對發(fā)動機(jī)零部件壽命的影響不應(yīng)忽略，但不刪除又不便于加速模擬試車循環(huán)簡化的狀態(tài)可以安排專項模擬試驗予以解決。

另外，加速模擬試車主要是一種結(jié)構(gòu)耐久性試車，有些發(fā)動機(jī)零件的損壞是不能完全通過該方法來模擬，特別是那些與發(fā)動機(jī)總工作時間、飛機(jī)機(jī)動載荷等相關(guān)的故障模式，比如外部作用力和振動引起的載荷等與安裝環(huán)境影響緊密相關(guān)的一些部件故障模式就不能完全暴露出來。例如：發(fā)動機(jī)的軸承、齒輪等傳動部件，發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)及瞬變在這類部件上的載荷影響不大，這些部件的壽命主要取決于接觸應(yīng)力和磨損，與發(fā)動機(jī)總運轉(zhuǎn)時間和飛行機(jī)動載荷緊密相關(guān)，而在地面臺架試車就不能完全地模擬；感受飛機(jī)外部流場壓力和振動載荷的尾噴管魚鱗片的故障在AMT中也不能模擬；而驗證發(fā)動機(jī)附件和調(diào)節(jié)系統(tǒng)部件的壽命，要通過與發(fā)動機(jī)總的工作時間相關(guān)的一般臺架試車來完成。

7 關(guān)于加速任務(wù)試車的完成

為了判斷加速試車是否成功，需要有明確的準(zhǔn)則。在未試車到所要求的持續(xù)時間之前，很可能發(fā)現(xiàn)一些問題。因此，一旦問題發(fā)生，就需要用準(zhǔn)則來確定工作步驟和隨后要采取的措施（即剩余試驗持續(xù)時間、問題起因、修改措施、使用結(jié)論和重新設(shè)計后的試驗等）。

8 結(jié)論

航空發(fā)動機(jī)加速任務(wù)試車是復(fù)現(xiàn)發(fā)動機(jī)使用故障、零部件的承載能力和循環(huán)疲勞，弄清發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)完整性，確定發(fā)動機(jī)壽命的重要方法。本文對國軍標(biāo)《航空發(fā)動機(jī)加速模擬試車要求》中任務(wù)剖面和任務(wù)混頻、環(huán)境混頻、加速試車譜推導(dǎo)原則、高周疲勞試車譜、加速系數(shù)、加速試車譜的驗證和修改等重要標(biāo)準(zhǔn)條款進(jìn)行研究，可為該標(biāo)準(zhǔn)的正確貫徹實施，提高我國航空發(fā)動機(jī)加速任務(wù)試車水平提供參考借鑒。