郭攀峰，朱利，孫倩倩

（中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司，湖南 株洲 412002）

渦輪前溫度是航空發(fā)動機各項溫度限制值中一個很重要的參數(shù)，它決定了發(fā)動機的性能是否得到充分發(fā)揮，渦輪前溫度設(shè)計值的高低受現(xiàn)有渦輪材料與冷卻技術(shù)的制約。由于技術(shù)欠缺不能直接監(jiān)控渦輪前溫度，某型渦槳發(fā)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(shè)置是否合理對發(fā)動機的使用起著關(guān)鍵的作用。某型渦槳發(fā)動機在使用過程中, 出現(xiàn)H高度以下起飛狀態(tài)渦輪出口溫度超過限制值（A℃）的情況，成為了影響發(fā)動機使用的一個重要問題。本文針對該現(xiàn)象產(chǎn)生原因進行分析，并根據(jù)計算和試驗結(jié)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(fā)動機根據(jù)使用需要，在發(fā)動機總體性能計算的基礎(chǔ)上，參照同系列渦槳發(fā)動機和АИ-20Д發(fā)動機的經(jīng)驗，確定了某型渦槳發(fā)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(jīng)過全面試驗驗證。

1.2 初步原因分析

對某型渦槳發(fā)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(fā)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(fā)動機制造差異。在發(fā)動機臺架上錄取了多臺發(fā)動機試車時起飛狀態(tài)的渦輪出口溫度，發(fā)現(xiàn)相似的溫度條件下，不同的發(fā)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(fā)動機的工作條件，如進排氣損失等比預(yù)想地惡劣。

（4）發(fā)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(jīng)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(fā)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(fā)動機渦輪出口溫度是一個復(fù)雜的綜合影響的問題，限制值需在發(fā)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(tǒng)計確定；由于某型渦槳發(fā)動機試車和使用經(jīng)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(fā)動機渦輪工作葉片，導(dǎo)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(fā)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(dǎo)向葉片。某型渦槳發(fā)動機導(dǎo)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(jié)果表明，渦輪出口溫度為A+50℃時,發(fā)動機的最高燃氣溫度為981℃，低于導(dǎo)向葉片材料的最高限制溫度，且在發(fā)動機工作中，導(dǎo)葉為靜子非受力件，因此，導(dǎo)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(fā)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(shù)（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(jù)發(fā)動機研制要求規(guī)定的外場使用載荷分布，起飛狀態(tài)占發(fā)動機總壽命的2%，在2000h首翻期內(nèi)，起飛狀態(tài)總工作時數(shù)為40h；5000h壽命期內(nèi)，起飛狀態(tài)總工作時數(shù)為100h。在發(fā)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(shù)進行了計算分析，從計算分析結(jié)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(shù)內(nèi)，持久強度儲備系數(shù)為1.09，160h內(nèi)為1.02，均大于1，且計算是按發(fā)動機最嚴酷的工作條件考慮，因此，發(fā)動機起飛狀態(tài)下渦輪出口溫度達A+50℃，渦輪部件仍能滿足發(fā)動機在壽命期內(nèi)安全可靠的工作。

2.2 驗證情況

為驗證某型渦槳發(fā)動機起飛狀態(tài)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(chǔ)上，進行了發(fā)動機的廠內(nèi)臺架驗證試車。

（1）摸底試驗。抽取某型渦槳發(fā)動機進行了摸底試驗。在起飛狀態(tài)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(xù)工作了5min。試驗完成后，對發(fā)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(jié)果正常。

（2）超溫試驗。抽取某型渦槳發(fā)動機進行了發(fā)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(tài)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(xù)工作了5min。

試驗后，對渦輪和燃燒部件按發(fā)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(jié)果表明，各零部件正常，葉片金相未變化。

2.3 研究結(jié)果

根據(jù)對發(fā)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(jù)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(fā)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(tài)發(fā)動機的可靠工作。據(jù)此，重新調(diào)整了某型渦槳發(fā)動機外場渦輪出口溫度監(jiān)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(tài)和0.85額定狀態(tài)的限制值也相應(yīng)進行了調(diào)整。

3 結(jié)語

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