某无人机用小型涡喷发动机寿命试车研究

顾志岗 钱松林 彭云晖 吴进军

（南京模拟技术研究所，南京 210016）

寿命是航空发动机关键指标之一。美空军在MIL-E-87231配套使用的《MIL-STD-1783 结构完整性大纲》中规定：“设计使用寿命和设计用法的验证要通过分析、设计发展试验与发动机试车来完成。”因此，通过寿命试车确定寿命指标成为发动机研制过程中必不可少的研究内容。

随着无人机应用的日益广泛，当前迫切需要有针对无人机用发动机定寿延寿方面的指南。本文借鉴有人机载荷谱编制方法对某小型涡喷发动机寿命试车展开研究，通过计算结果与试车结果对比分析，为相近或同类小发动机寿命指标确定提供参考。

1 载荷谱编制

1.1 编制方法

载荷谱反映了结构件在工作中磨损、蠕变、应力断裂或过大、高低周疲劳裂纹造成机件失效，是寿命试车研究的基础和前提。

某小型涡喷发动机配装于某亚音速无人机，其设计载荷谱选取了10多架用途相近无人机飞行数据进行任务循环统计及任务混频，在领先试飞阶段，基于大量外场飞行测试，人们通过数据统计开展了使用载荷循环推导。

1.2 工作任务载荷统计

在涡喷发动机的使用过程中，低循环疲劳和蠕变是造成发动机关键零部件损伤的重要因素[1]。低循环疲劳损伤循环参照美军《MIL-STD-1783 结构完整性大纲》中规定的三种典型循环：（1）I类循环：0-最大/中间-0循环；（2）II类循环：慢车-最大/中间-慢车循环；（3）III类循环：巡航-最大/中间-巡航循环。

依据《航空发动机结构完整性指南》（GJB/Z101-1997），发动机蠕变损伤应统计等于或大于中间功率时间[2]。采用分析获得的设计载荷谱与使用载荷谱编制寿命试车谱，试车循环剖面按1h计，其工作任务载荷统计对比结果如1所示。

表1 设计谱与使用谱任务载荷对比（一）

表1 设计谱与使用谱任务载荷对比（二）

2 寿命试车对比验证

分别采用设计谱、使用谱编制试车谱进行寿命试车，每次循环考核时间为1h，通过测定相同推力值上的排气温度和耗油率以考核发动机是否到寿，详细标准是：换算耗油率不超过初始校准试车时的5%；稳态排气温度不超过初始校准试车时的5%[3-4]。

2.1 试车结果对比

设计谱编制的试车谱（下称谱一）第16h运转性能明显恶化，而使用谱编制的试车谱（下称谱二）第20h运转性能明显恶化。

在相同推力值上对两谱寿命试车结果进行对比，笔者发现：谱一耗油率第10h较第1h变化不大，第16h较第1h明显升高，尤其是在大推力状态升高超过5%，谱二耗油率第16h尚未出现明显升高，第20h方明显升高超过5%；谱一大状态排气温度第16h恶化程度超出5%，而谱二大状态排气温度第16h恶化程度尚在允许范围之内，直至第20h恶化程度超过5%。

2.2 分解检查对比

分解检查发动机，目视各零部件，谱一16h开车后涡轮转子有两个叶片叶尖出现明显断裂，断裂部位位于排气边，集中于靠近叶尖1/3处，呈不规则圆弧状，采用荧光检测技术对其余叶片及压气机叶片进行检查，均未发现裂纹。

2.3 试车寿命与计算损伤对比

对比试验结果与计算结果，可以看出：采用谱一（设计谱编制试车谱）试车寿命15h较谱二（使用谱编制试车谱）试车寿命19h短21.1%，这与寿命损伤计算结果20%相接近。

2.4 载荷谱编制对寿命试车结果影响分析

第4节采用不同试车谱进行寿命试车，唯一不同是分别采用了设计载荷谱、使用载荷谱进行编制，载荷谱编制对寿命试车结果产生如此影响，分析认为，其根本原因有两个。

2.4.1 载荷谱散度差异

该无人机用发动机设计载荷谱与使用载荷谱编制方法均借鉴有人机。一般来说，有人机可靠性、安全性要求均较无人机高，相近或类似的飞机在结构上比较接近，在编制飞行训练大纲过程中，会综合考虑可靠性及安全性要求。因此，在不同阶段根据有人机飞行任务获得的载荷谱是一类有人机群的均值谱，这种均值载荷谱散度对最终的整机载荷谱影响较小。

无人机在飞行可靠性及安全性方面并没有有人机要求高，即使是同样一款无人机，都有可能按不同任务需求，依照计划开展不一样的飞行任务。因此，在编制设计载荷谱过程中，虽然选择的是与装机对象相近的无人机，但由于实际的飞行航程、续航时间、速度及有效载荷能力有较大差异，在分析过程中又对多种与发动机使用载荷直接相关的变量进行了大量的简化、模糊合并，从而导致发动机个体使用载荷与统计获得的均值存在一定差异，也就是载荷谱散度较大。从这个角度上说，使用载荷谱更多地参考了实际的飞行循环，用它开展寿命试车研究更能反映其寿命期内载荷特点。

2.4.2 经济性

无人机用发动机要求重量轻、油耗小，因此设计选材及工艺均从低成本角度考虑，其寿命指标往往也并不高，甚至有一次性使用发动机出现。本文研究的小型涡喷发动机正是这一类发动机的代表，导向器内外环采用不锈钢材料加工，对于这种短寿发动机，载荷谱差异带来的损伤对比会较为凸现，进而出现明显的试车寿命差异。

3 结论

研究结果表明，某小型涡喷发动机采用设计载荷谱寿命损伤计算值较使用载荷谱计算值至少高20%；某小型涡喷发动机使用载荷谱编制试车谱试车寿命较设计载荷谱试车寿命高20%；采用使用载荷谱开展寿命试车较设计载荷谱更能反映发动机实际载荷特征，其寿命指标更具有经济性。