航空发动机加速任务试车标准研究

于宏军 朱 瑾 张 勇 杨九高 司荣宁

（1．中航工业综合技术研究所，北京 100028；2.沈阳发动机设计研究所，辽宁 沈阳 110015）

总结以往的使用经验，现代航空发动机的发展是由极力追求高性能、强调高推重比的动力性能和低油耗的经济性能，转向综合权衡发动机性能、寿命、可靠性、耐久性、结构完整性、使用性、维修性和寿命期总费用。寿命已成为航空发动机重要技术指标之一。随着高性能航空发动机设计因素构成的完善和不断发展，先进的航空发动机总技术寿命达到了几万小时，而采用全寿命试车来确定发动机的寿命试验周期太长、燃油费用和资源消耗太大，适用性明显变差。因此各航空发动机大国都在研究新的长期试车技术，以适应发动机的需要。长期试车的方法也从全寿命试车、150/300h持久试车拓展到目前先进的加速模拟试车。

航空发动机发展的早期，发动机寿命仅为几十到几百小时，限制发动机技术寿命的主要因素是零部件的应力断裂和蠕变。各国都采用模拟外场实际使用的工作状态、持续时间和状态的变换来进行全寿命长期试车。MIL–E–5007D《航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范》及GJB 241–1987《航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范》的150h鉴定长期试车是用来检验发动机性能稳定性、结构强度的可靠性、使用的适航性；它不是一种严格加速模拟试车，功率状态的分配及状态变换与实际使用相差很远，因而它不能严格确定发动机的技术寿命。

由于航空发动机设计水平的提高，先进的航空发动机总技术寿命达到了几万小时，限制发动机寿命的主要因素起了很大变化。在70年代初，据统计分析，先进航空发动机75%重要零部件的寿命主要受疲劳损伤的限制。美国在航空发动机研制过程中首先采用了加速模拟试车，在台架上进行循环，预先暴露外场使用中可能出现的各种结构缺陷和故障，以便尽快采取改进措施，并预测发动机循环限和寿命限。并且早在1983年9月的MIL–E–5007E中已明确要求开展与飞行任务有关的加速任务试车（AMT）。美国空军对加速任务试车的定义是：发动机在地面台架上进行的一种模拟外场使用任务，而缩短时间的试车，其试车大纲能直接反映使用中全部高功率状态的变换及相应时间。70年代，前苏联采用了加速等效试验进行加速模拟试车。其概念和作法是用大载荷、热冲击、大功率状态、共振状态以及增加疲劳循环次数等各种办法，进行台架试车，使发动机零部件和整机在相当短的时间内，发生故障、累积磨损程度和造成的损坏与全寿命试车有相同的结果。我国从70年代后，对一些老机型涡喷涡桨发动机，根据实际使用经验，参照前苏联的一些方法，考虑综合模拟断裂、高频振动疲劳和蠕变、腐蚀、低循环疲劳和热疲劳等影响因素，进行了加速模拟试车，取得了一些经验。

国内外加速模拟试车实例已经证明，加速模拟试车是复现使用故障、零部件的承载能力和循环疲劳，弄清发动机结构完整性的极好方法，由于它能在装机投入使用前找出存在的问题，缩短研制总时间。因此建立航空发动机加速模拟试车要求，具有重要的现实意义。

以下就国军标《航空发动机加速模拟试车要求》中相关具体标准条款进行研究。

1 关于任务剖面和任务混频

对于任务剖面和任务混频，标准中规定“使用部门应提供发动机的设计任务剖面（或使用任务剖面）及对应的任务混频”。

研制初期，在精确飞行任务及其任务混频还得不到的情况下，可利用发动机型号规范中推荐的设计工作循环数。可为了切实弄清发动机实际使用负荷，确定发动机载荷循环，必须对有关使用部队进行大量调查，查阅有关飞行计划报表和飞行员的飞行日记，并向空、地勤人员详细了解关于飞行任务种类、地面试车中故障与起飞着陆频度。另一方面在飞机上装飞参记录仪记录有关参数，如油门角度变化、燃气涡轮温度、转速等随时间变化情况，以及飞机飞行高度、速度、外界大气温度，以便更准确模拟真正的使用条件。

2 关于环境混频

对于环境混频，标准中规定“发动机使用部门应根据所配装飞机部署区域的环境大气条件来提供环境混频。在环境混频中所考虑的大气条件，不包括大气压力变化的影响，仅考虑对发动机热力循环有影响的大气温度。如尚无装机对象，在寿命损伤分析时宜采用表1中的环境混频要求”。

在环境混频中所考虑的大气条件，仅限于对发动机热力循环有影响的大气温度。大气中其他因素，如湿度、盐份等对发动机特定构件的影响，在构件的损伤分析中另行考虑。

高海拔机场起飞时，由于大气压力的降低，其起飞离地速度要增加，这可以通过增加滑跑距离来达到，而不一定非要提高起飞推力不可。然而，大气温度的变化会导致发动机燃气温度的变化。因此，涡喷、涡扇发动机环境混频通常仅考虑大气温度混频。仅需给出机场大气温度混频，对流层以内的温度分布可按线性变化处理。

3 关于加速试车谱的推导原则

标准中规定“删去或折合综合任务谱中对零组件损坏无影响或影响不大的工作状态后，可得到加速模拟试车谱。无论是删除或折合都应以寿命损伤计算为依据，将可以忽略的损伤删除或按损伤等效原则进行折合。”加速模拟试车谱的形成见图1所示。

加速试车谱中推导原则可根据实际情况主要从以下一些方面选取：

● 低循环疲劳损伤是发动机旋转件的主要损伤因素，必须重点考虑；

● 加速模拟试车循环结束时慢车状态时间必须足以冷却盘的轮毂处，以便模拟发动机隔夜停车。然后使发动机停车，并用起动机带转使气流通道冷却到环境温度，以保证发动机再起动时处于实的热应变状态下，使发动机经历一个完整的热应变循环。可以风车或带转冷却发动机。英国军用发动机设计规范（DEF STN 00970）规定：冷却结束时，第一排涡轮工作叶片的温度应不超过大约100℃；

● 起动时，由慢车到中间及以上状态的加速速率决定了涡轮盘等部件的热梯度。为确保损伤率与外场一致，该加速过程的加速速率必须与使用用法一致。另外，各慢车状态的保持时间也决定了盘心孔到轮缘的热梯度，该梯度影响涡轮盘的低循环疲劳寿命，所以慢车状态的保持时间也必须与外场用法相一致；

● 大状态工作时间是影响发动机热件寿命的关键性因素，必须重点考虑；

● 加力点火次数和加力时间是影响加力筒体及尾喷管等部件的寿命关键性因素，因此也须重点考虑；

● 由于飞机飞行时高度不断变化，周围的大气温度变化也很大，另外，随着季节、地域的变化，发动机工作的大气条件也在变化，因此在发动机试车过程中必须考虑进气加温问题；

另外，高马赫数飞行任务对发动机寿命有着较大的影响，因此也必须在发动机试车过程中考虑进气加压问题；

● 功率提取和飞机引气会影响涡轮冷却空气流量，同时为了获得所需的性能需放宽对涡轮排气温度的限制，这些都可能加大对热端部件寿命的损伤，经验表明T6温度一般会提高3℃～5℃；

● 为了维持要求的推力状态，有些发动机需适时地调整涡轮排气温度限制值，在编制加速模拟试车谱时应视情考虑限制值调整对发动机热件寿命的影响。

4 关于高循环疲劳试车谱

加速模拟试车循环中删掉了很大一部分功率的运行时间，对发动机部分功率状态振动敏感的任何部件都不能得到试车的验证。因此对于在发动机部分转速下振动敏感的发动机零件，附加高循环疲劳试车，使这些零件在引起振动响应条件下进行试车。

5 关于加速系数

发动机的加速系数是指限制发动机使用寿命的关键件最小的加速系数，加速系数的评定是AMT过程中的关键技术之一，它的正确与否取决于能否精确预测关键件在各种工作状态的真实工作参数，同时还应根据发动机的各具体结构和材料的特性而定。目前，在理论上，按零、部件承受的不同温度和应力换算其当量寿命的方法可较精确地计算出发动机各零、部件及整机的使用寿命，从而来评定某一特定AMT循环的加速系数。

加速系数的大小取决于所模拟飞行任务剖面中低功率状态所占百分比，以及AMT中发动机载荷增大的程度，目前航空发动机的加速系数民用型的一般为5～8，军用型的一般为2～3。但必须注意的是：同一AMT大纲对不同型别的发动机和每个不同零、部件来说，其加速系数是不同的，而且相互间的差别较大；即使是同样型号的数台发动机，由于它们所装备的飞机型号不一样，其加速系数也各不相同。然而，为了确定发动机的加速系数，最合理的AMT应保证决定其寿命的关键零、部件的加速系数均相同。

表1给出了国外部分进行过加速试车的发动机的加速系数。由于战斗机和攻击机大量的使用时间是高温高转速状态，所以，它们的加速试车系数通常在3以内。一般来说，典型战斗机加速系数为2.5，运输机发动机加速系数为10或更大。

表1 国外部分发动机加速试车加速系数

6 关于加速试车谱的验证和修改

新发动机研制初期，根据发动机使用部门提出的设计任务循环制定的加速任务试车循环，不一定同试飞实践完全符合，必须经过反复验证和修改。

一般发动机从研制阶段到生产使用阶段根据实际情况可考虑适时安排以下阶段的加速试车。

发动机首飞前一般应进行加速模拟试车。试车程序应模拟型号规范中的设计任务循环。最短试车时间至少应为用于首次飞行试飞大纲中计划使用时间的2倍，且该试车不在试飞用发动机上进行；

设计定型前，一般应按型号规范中规定的设计任务循环，至少进行设计寿命一半时间的加速模拟试车；

生产定型前，一般应按型号规范中规定的设计任务循环，至少进行设计寿命1倍时间的加速模拟试车；

在批生产阶段应进行加速试车。试车程序应模拟从使用用法数据中导出的使用任务循环，最短试车时间应是设计使用寿命的一倍。

在进行加速模拟试车的同时还应根据条件按实际使用任务进行1:1的实时试车，通过两种试车的对比，检验其等效程度，在经验不多的情况下，进行这种试车尤为必要。

假如两种试车对发动机零部件造成的损坏差别很大，就应对已确定循环的苛刻程度进行修改。另一方面，还应根据最新获得发动机实际使用情况的资料来修改已确定的循环。随着以后使用任务的改变，加速模拟试车循环也需要进行相应的修改。

对于那些对发动机零部件寿命的影响不应忽略，但不删除又不便于加速模拟试车循环简化的状态可以安排专项模拟试验予以解决。

另外，加速模拟试车主要是一种结构耐久性试车，有些发动机零件的损坏是不能完全通过该方法来模拟，特别是那些与发动机总工作时间、飞机机动载荷等相关的故障模式，比如外部作用力和振动引起的载荷等与安装环境影响紧密相关的一些部件故障模式就不能完全暴露出来。例如：发动机的轴承、齿轮等传动部件，发动机工作状态及瞬变在这类部件上的载荷影响不大，这些部件的寿命主要取决于接触应力和磨损，与发动机总运转时间和飞行机动载荷紧密相关，而在地面台架试车就不能完全地模拟；感受飞机外部流场压力和振动载荷的尾喷管鱼鳞片的故障在AMT中也不能模拟；而验证发动机附件和调节系统部件的寿命，要通过与发动机总的工作时间相关的一般台架试车来完成。

7 关于加速任务试车的完成

为了判断加速试车是否成功，需要有明确的准则。在未试车到所要求的持续时间之前，很可能发现一些问题。因此，一旦问题发生，就需要用准则来确定工作步骤和随后要采取的措施（即剩余试验持续时间、问题起因、修改措施、使用结论和重新设计后的试验等）。

8 结论

航空发动机加速任务试车是复现发动机使用故障、零部件的承载能力和循环疲劳，弄清发动机结构完整性，确定发动机寿命的重要方法。本文对国军标《航空发动机加速模拟试车要求》中任务剖面和任务混频、环境混频、加速试车谱推导原则、高周疲劳试车谱、加速系数、加速试车谱的验证和修改等重要标准条款进行研究，可为该标准的正确贯彻实施，提高我国航空发动机加速任务试车水平提供参考借鉴。