某型民用涡轴发动机加速任务试验谱研究

（中国航发湖南动力机械研究所，湖南株洲 412002）

航空发动机适航规定(CCAR-33R2)第33.90条款（初始维修检查）明确要求发动机需要进行翻修间隔期（TBO）试验，以确定初始维修检查的时限。随着当前发动机设计寿命越来越长，采用1:1的试验谱进行翻修间隔期考核试验时，将带来试验周期长、资金和人力耗费巨大等一系列问题，并且过长的试验周期不利于快速发现发动机存在的问题，并作出改进设计。因此目前国际上普遍采用发动机加速任务试验对其翻修间隔期进行验证，以有效缩短试验周期和减少试验成本。

某型民用涡轴发动机采用了加速任务试验的方式对其翻修间隔期进行了验证，并获得局方批准。本文对其加速任务试验谱进行研究，可为其他型号发动机开展加速任务试验提供参考。

1.发动机典型任务载荷谱

1.1 直升机典型任务剖面

表1 某直升机典型任务

表2 海上飞行任务剖面

直升机方基于飞行需求给定了三种典型任务剖面，见表1。

其中海上飞行任务剖面见表2。

1.2 发动机任务载荷谱

基于直升机方提供的典型飞行任务剖面（环境条件、飞行速度以及功率等），同时考虑安装损失、发动机性能衰减等因素，采用发动机整机性能模型可确定发动机对应的任务载荷谱（燃气发生器转速N1和燃气涡轮出口温度T45）[1]。

其中海上飞行任务剖面对应的发动机任务载荷谱见表3。

表3 海上飞行任务发动机载荷谱

2.加速任务试验谱研究

2.1 基本原则

制定加速任务试验谱时需要保证在整个翻修间隔期内下列损伤是等效的：（1）蠕变损伤；（2）低循环疲劳（主循环和次循环）；（3）高温持续时间。

2.2 参考循环

分析发动机转子疲劳寿命时需要先制定参考循环，根据参考循环计算转子低循环疲劳寿命，即整个翻修间隔期内转子消耗的参考循环次数。

根据飞行任务剖面和载荷谱，确定的燃气发生器和动力涡轮标准参考循环见图1和图2。

图1 燃气发生器参考循环

2.3 蠕变损伤计算

表4是燃气涡轮叶片在每个典型任务谱的蠕变损伤。

表4 某型发动机典型任务和混合任务蠕变损伤

由表4可知，一个混合任务需要的时间为T4，故一个翻修间隔期内累计混合任务数量为TBO/T4，蠕变损伤为TBO/T4＊l4，同时考虑到发动机未来发展的需要，根据相似型号发动机的使用经验，将蠕变损伤的目标值由TBO/T4＊l4根据使用经进一步提高为L。

2.4 燃气涡轮盘低循环疲劳损伤计算

表5是燃气涡轮盘在每个典型任务谱的低循环疲劳损伤。

由表5可知，一个翻修间隔期内发动机燃气涡轮消耗的主循环数为TBO/T4，次循环数为X5，折合参考循环数为TBO/T4＊m4次。其中TBO/T4＊m4次参考循环应为加速任务试验必须考核的最小值，同时考虑到发动机未来发展的需要，根据相似型号发动机的使用经验，将燃气发生器的参考循环数进一步提高为M。

表5 燃气涡轮盘低循环疲劳损伤

2.5 动力涡轮盘低循环疲劳计算

表6是动力涡轮盘在每个典型任务谱的低循环疲劳损伤。

表6 动力涡轮低循环疲劳损伤

由于涡轴发动机在使用过程中动力涡轮转速保持恒定，因此其次循环为0，主要考虑主循环疲劳损伤。

由表6可知，一个翻修间隔期内发动机动力涡轮消耗的主循环数为TBO/T4，折合参考循环数为TBO/T4＊n4次。其中TBO/T4＊n4次参考循环应为加速任务试验必须考核最小值，同时考虑到发动机未来发展的需要，根据相似型号发动机的使用经验，将燃气发生器的参考循环数进一步提高为N。

2.6 高温持续时间

高温状态主要体现对燃气涡轮叶片的氧化以及疲劳损伤，根据损伤等效原则，加速任务试验谱中的高温状态持续时间应不低于发动机任务载荷谱中的时间[2]。

根据发动机任务载荷谱和燃气涡轮叶片材料的蠕变疲劳材料数据，统计的满足高温状态条件的持续时间为T1，故加速任务试验谱中高温持续时间不得低于T1。

2.7 加速任务试验谱要求

综合上述分析，加速任务试验谱必须满足以下要求：

（1）燃气涡轮盘和动力涡轮盘主循环数不低于TBO/T4次；

（2）燃气涡轮盘次循环数不低于X5次；

（3）燃气涡轮叶片蠕变损伤大于L；

（4）燃气涡轮低循环疲劳消耗大于M次参考循环；

（5）动力涡轮低循环疲劳消耗大于N次参考循环；

（6）高温状态的持续时间不小于T1。

2.8 加速任务试验谱

表7 加速任务试验谱1

表8 加速任务试验谱2

根据2.7节要求，最终确定该型发动机两个加速任务试验谱，两个任务谱的主要内容见表7和表8。其中加速任务试验谱1需要进行总次数的80%，试验谱2需要进行总次数的20%。

3.加速任务试验谱与典型混合任务谱对比

加速任务试验谱和典型混合任务谱对比见表9。由表可知，最终确定的加速任务试验谱在低循环疲劳、蠕变损伤以及高温状态持续时间等方面均大于典型混合任务谱，试验更加苛刻的同时总试验时间只有翻修间隔期的1/4。

表9 加速任务试验谱和典型混和任务谱对比

4.总结

本文对某型民用涡轴发动机加速任务试验谱进行了研究，得到以下结论：

（1）根据直升机方提供的典型飞行任务剖面，考虑安装损失、发动机性能衰减等因素，计算得到发动机的任务载荷谱；

（2）制定加速任务试验谱时需要保证在整个翻修间隔期内损伤是等效的；

（3）最终确定的加速任务试验谱在低循环疲劳、蠕变损伤以及高温状态持续时间等方面均大于典型混合任务谱，但试验时间只有翻修间隔期的1/4，大大减少了试验时间；

（4）由于加速任务试验时间比翻修间隔期短，无法充分考核如轴承以及附件传动齿轮的寿命，需要额外进行寿命分析或者补充验证试验。