鄒 黎，王 旭，馮 興，周七二，王 博

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

1 引言

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

隨著發(fā)動機技術(shù)和經(jīng)驗的不斷積累，美國于1995年將MIL-E-8593A與《航空渦噴渦扇發(fā)動機通用規(guī)范》(MIL-E-87231)合并，修訂成JSGS-87231A《航空渦噴渦扇渦軸渦槳發(fā)動機通用規(guī)范》，該標(biāo)準(zhǔn)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(fā)動機聯(lián)合使用規(guī)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(chǔ)上，參照J(rèn)SGS-87231A和JSSG-2007，并結(jié)合近年來國內(nèi)型號研制經(jīng)驗和貫徹GJB 242-1987的經(jīng)驗，頒布了GJB 242A-2018《航空渦輪螺槳和渦輪軸發(fā)動機通用規(guī)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(fā)動機完成了整機超扭試驗，且方法不一。既有參考《航空發(fā)動機適航規(guī)定》(CCAR-33)，亦有參考國外資料，試驗?zāi)繕?biāo)也不盡相同，無章可循，困擾了試驗的開展。因此，解讀新軍標(biāo)以及尋求一套通用的超扭試驗?zāi)繕?biāo)參數(shù)制定方法已是必然。

為規(guī)范渦軸發(fā)動機超扭試驗，本文結(jié)合《航空渦噴渦扇渦軸渦槳發(fā)動機聯(lián)合使用規(guī)范指南》(JSSG-2007)、《歐洲航空安全局(EASA)發(fā)動機合格審定規(guī)范》(CS-E)、《Airworthiness Standards Aircraft Engines》(FAR-33)等6 部含有超扭試驗的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)和適航規(guī)定，詳細(xì)對比了超扭試驗考核方式、試驗?zāi)繕?biāo)、合格判定準(zhǔn)則，從動力渦輪扭矩、燃?xì)鉁u輪溫度、動力渦輪轉(zhuǎn)速、滑油溫度、試驗持續(xù)時間等5 個方面，分別對軍用和民用渦軸發(fā)動機提出了超扭試驗?zāi)繕?biāo)選取建議。

2 考核方法

經(jīng)統(tǒng)計，GJB 242A-2018、CCAR-33、JSSG-2007、JSGS-87231A、FAR-33、CS-E等6 部標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)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?zāi)繕?biāo)(動力渦輪扭矩，燃?xì)鉁u輪溫度，動力渦輪轉(zhuǎn)速，滑油溫度，試驗持續(xù)時間)，以及相應(yīng)的合格判定準(zhǔn)則，如表1所示。其中：

表1 考核方式、試驗?zāi)繕?biāo)與合格判定準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(xù)時間2種試驗?zāi)繕?biāo)，而其余4部標(biāo)準(zhǔn)提出了動力渦輪扭矩、燃?xì)鉁u輪溫度、動力渦輪轉(zhuǎn)速、滑油溫度和試驗持續(xù)時間5種試驗?zāi)繕?biāo)。

3 考核方式

3.1 整機試驗

目前，國內(nèi)渦軸發(fā)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(diào)整水力測功器負(fù)載，調(diào)整直升機引氣量、電機加載等方法，達到燃?xì)鉁u輪溫度、扭矩、動力渦輪轉(zhuǎn)速等要求。該方法能真實模擬發(fā)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(chǎn)生高溫高壓氣體，需要氣源站提供合適的氣源，通過穩(wěn)壓段、閥門等管道設(shè)備后才能穩(wěn)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(yán)、冷卻等系統(tǒng)。以上因素可能造成部件試驗進口燃?xì)鉁囟群屠錈釕B(tài)葉尖間隙不穩(wěn)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(lǐng)域有足夠基礎(chǔ)研究的條件下，可選擇分析的方法，能適當(dāng)降低研制經(jīng)費，節(jié)約試驗資源。

4 試驗?zāi)繕?biāo)

4.1 動力渦輪扭矩

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

表2 動力渦輪扭矩規(guī)定Table 2 Torque specification for power turbines

以往經(jīng)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(fā)動機狀態(tài)非正常升高和動力渦輪轉(zhuǎn)速非正常降低導(dǎo)致。以下基于3型軍用發(fā)動機和3型民用發(fā)動機分析2種情況造成的后果。

(1) 發(fā)動機狀態(tài)非正常升高

渦軸發(fā)動機的燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速ng設(shè)有最高允許穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速和最高瞬態(tài)轉(zhuǎn)速，正常情況下發(fā)動機在最高允許穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速以下工作，當(dāng)ng非正常升高至最高瞬態(tài)轉(zhuǎn)速時，此時對應(yīng)的扭矩應(yīng)為發(fā)動機所能達到的極限之一。經(jīng)計算，該條件下3 型軍用發(fā)動機的扭矩增加至111.1%～114.1%，而3 型民用發(fā)動機的扭矩增加至115.0%～126.3%。

(2) 動力渦輪轉(zhuǎn)速非正常降低

正常裝機情況下，渦軸發(fā)動機動力渦輪轉(zhuǎn)速維持100%恒定。同功率狀態(tài)下，隨著動力渦輪轉(zhuǎn)速的降低扭矩升高，當(dāng)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(yīng)的扭矩應(yīng)為發(fā)動機所能達到的極限之二。經(jīng)計算，該條件下3 型軍用發(fā)動機的扭矩增加至109.7%～110.6%，而3 型民用發(fā)動機的扭矩增加至109.9%～117.5%。

(3) 發(fā)動機狀態(tài)非正常升高且動力渦輪轉(zhuǎn)速非正常降低

當(dāng)發(fā)動機狀態(tài)非正常升高且動力渦輪轉(zhuǎn)速降低時，其對應(yīng)的動力渦輪扭矩應(yīng)為發(fā)動機所能達到的最大值。經(jīng)計算，該條件下3 型軍用發(fā)動機的扭矩增加至122.1%～126.2%，而3 型民用發(fā)動機的扭矩增加至134.9%～143.0%。據(jù)此，軍用發(fā)動機的扭矩增量在20%附近，而民用發(fā)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(fā)動機承扭能力越強，但尺寸增大會增加零件質(zhì)量，影響功重比，材料越好會影響整機造價。因此，發(fā)動機設(shè)計時，應(yīng)綜合考慮直升機需求、發(fā)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?xì)鉁u輪溫度

軍標(biāo)和適航規(guī)定對燃?xì)鉁u輪溫度的要求如表3所示。所有標(biāo)準(zhǔn)均要求達到發(fā)動機所能達到的最高穩(wěn)態(tài)溫度。軍用發(fā)動機的最大狀態(tài)一般為應(yīng)急狀態(tài)或起飛狀態(tài)，民機的最大狀態(tài)一般為30 s OEI(1 臺發(fā)動機不工作)、2 min OEI 或連續(xù)OEI，狀態(tài)定義的區(qū)別決定了燃?xì)鉁u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(tài)對應(yīng)的最高允許穩(wěn)態(tài)溫度。

表3 燃?xì)鉁u輪溫度規(guī)定Table 3 Gas Turbine temperature specification

4.3 動力渦輪轉(zhuǎn)速

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

表4 動力渦輪轉(zhuǎn)速規(guī)定Table 4 Power Turbine speed specification

4.4 滑油溫度

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

表5 滑油溫度規(guī)定Table 5 Oil temperature specification

對于帶體內(nèi)減速器的渦軸發(fā)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(diào)節(jié)進入發(fā)動機的滑油溫度。值得一提的是，渦軸發(fā)動機設(shè)有最高允許穩(wěn)態(tài)滑油溫度和最大允許滑油溫度，超扭試驗應(yīng)選取最大滑油溫度。

對于未帶體內(nèi)減速器的渦軸發(fā)動機，裝配有不可人工調(diào)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(nèi)。由于滑油溫度不可調(diào)，因此該類發(fā)動機超扭試驗的滑油溫度只需在正常范圍內(nèi)即可。

4.5 試驗持續(xù)時間

軍標(biāo)和適航規(guī)定對試驗持續(xù)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(biāo)準(zhǔn)要求均一致?？紤]到實際試驗可能降低動力渦輪轉(zhuǎn)速，因此應(yīng)根據(jù)實際情況計算出總試驗時間，再分段試驗。

表6 試驗持續(xù)時間規(guī)定Table 6 Permitting time specification

5 合格判定準(zhǔn)則

軍標(biāo)和適航規(guī)定對合格判定準(zhǔn)則的要求如表7所示。由表可知，部分標(biāo)準(zhǔn)雖給出了合格判定準(zhǔn)則，但未有詳細(xì)的檢查程序。以下為阿赫耶1C 發(fā)動機超扭試驗后的主要檢查項，供讀者參考：①軸、軸承等轉(zhuǎn)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(zhǔn)則Table 7 Test objectives and qualification criteria

6 結(jié)論

基于國內(nèi)外軍用標(biāo)準(zhǔn)、適航規(guī)定以及我國實際情況，分別提出了動力渦輪扭矩、燃?xì)鉁u輪溫度、動力渦輪轉(zhuǎn)速、滑油溫度、試驗持續(xù)時間等5個試驗參數(shù)的確定方法，能夠為我國渦軸發(fā)動機超扭試驗的開展提供一定參考。具體為：

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

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

(3) 燃?xì)鉁u輪溫度建議選取允許使用時間大于2 min的工作狀態(tài)所對應(yīng)的最高允許穩(wěn)態(tài)溫度。

(4) 應(yīng)根據(jù)實際試驗情況，適當(dāng)降低動力渦輪轉(zhuǎn)速，并根據(jù)降低后的轉(zhuǎn)速計算試驗持續(xù)時間。