某发动机超温试验的实现

兰 锴

中国航发湖南动力机械研究所 湖南 株洲400412

超温试验是GJB·242A-2018《航空涡轮螺桨和涡轮轴发动机通用规范》中规定的试验项目，其目的是在高温条件下考核热端部件转子的结构完整性，各国在新研军、民发动机的研制过程中均对该项试验十分重视。该种试验技术难度高、风险大，调整方法较少。本文首先对超温试验的难点进行了分析。基于发动机试验数据，对可采用的方法进行了模拟性能计算，研究了各种试验方法的优缺点，提出了使发动机转速和温度达到规定值的最优实施方案。最后完成了超温试验。

1 超温试验难点

1.1 测试难点 对于高水平的航空发动机，难以对一级涡轮前温度Tt4.1 温度直接进行测量。首先现代航空发动机一级高压涡轮前转子温度水平已达到1300～1500℃水平，温度水平高，结构复杂，测试环境恶劣，常规热电偶无法在高温中进行测量。其次，在涡轮机匣部位布置热电偶，需要对涡轮机匣进行改装用于布置测试线缆。而随着发动机热端部件冷却结构日益复杂，在燃气涡轮机匣附近进行改装用于测试，将破坏已有的机匣结构，既影响发动机结构强度寿命，同时也带来机匣测试孔密封不良、冷却结构改变的风险。且热电偶在高温环境下进行测试，其强度、可靠性将大大下降，将对整机试验带来安全隐患。最后，布置热电偶将造成热电偶附近流场不均匀，可能造成高压涡轮转子进口温度场、压力场不均匀，造成局部压力、温度偏高或偏低。对于高水平的航空发动机，其热端部件的冷却系统设计精密复杂，而涡轮进口流场、冷却结构的局部变化将影响涡轮冷却气量的分配，甚至造成燃气倒灌现象，严重将造成高温部件烧蚀。因此，在超温试验中，通常采用对燃气涡轮出口Tt4.5 温度或动力涡轮出口温度进行测试，间接对Tt4.1 温度进行监控。

1.2 试验方法难点 根据国军标的要求，超温试验应在至少超过第一级涡轮转子进口稳态最高允许燃气温度45℃，及在不低于稳态最高允许转速下，至少工作5 min，即试验需要同时达到燃气发生器转子转速不低于发动机稳态最高允许转速、第一级涡轮转子进口温度超过发动机稳态最高允许燃气温度的两个条件，为试验方法的确定增加了难度。

2 调整方法对发动机性能影响及优缺点

2.1 引气对转速和Tt4.1 的影响对最大状态引气对转速和Tt4.1 的影响进行计算分析，当引气5%时，Tt4.1 温度增加100℃时，转速下降了0.5 %。说明仅通过引气方法无法满足超温试验的要求。而调节引气对于Tt4.1 的温升影响较大，可用于调节Tt4.1 温度。

2.2 涡轮导向器面积对转速和Tt4.1 的影响 调整涡轮导向器面积是调整发动机性能的常用方法。但目前尚未用于超温试验发动机状态调节。该发动机涡轮导向器面积为不可调装置，但考虑到发动机试制过程中的加工、制造偏差，筛选制造中面积偏大或偏小的涡轮导向器叶片，分别叠加偏差，可使发动机涡轮导向器在实际装配中在3%～3%的范围内浮动。考虑通过调整涡轮导向器面积作为转速和温度调节的手段。通过整机性能模型计算最大状态，得到涡轮导向器流函数对发动机性能的影响。并通过试验数据对性能进行了校核。计算可知，调整涡轮导向器面积对于发动机转速的影响较大，在调整涡轮导向器流函数为2%时，即可达到提升高压转速0.84%的目标。调整涡轮导向器面积可作为调整转速的方法之一。

2.3 涡轮效率对转速和Tt4.1 的影响 通过调整发动机涡轮结构，如调整涡轮叶尖间隙，可改变涡轮效率，间接调整发动机性能。受涡轮结构及转子碰磨限制，叶尖间隙只可调大不可调小。因而涡轮效率只可向调低的方向改变。采用性能模型计算调低涡轮效率后发动机性能的调整方向。

计算可知，在调整涡轮效率后，发动机转速出现下降。分析其原因为，在调整涡轮效率后，涡轮功与压气机功无法平衡，需要更多的燃油、提升发动机涡轮温度使涡轮功和压气机功达到平衡，但涡轮效率降低的影响对转速的影响更大，因而出现转速下降。

对于该发动机而言，其转速升高的需求大于温度升高的需求，因此，调整涡轮效率使发动机温度、转速上升的方法不适用。

3 超温试验的实施方案

第2节已论述了超温试验各因素的影响，可得出一个结论，采用单方法无法使发动机调整到涡轮前温度Tt4.1和转速同时达到超温试车要求的状态。可用于调节的方法包括压气机后引气、调整涡轮导向器面积。考虑到本次试验的优先级为调整转速，需要分析组合试验方案的可行性：

调整转速达到限制转速，调节Tt4.1温度达到限制温度。由2.1节可知，压气机后引气对发动机温升影响较大，而对转速影响较小。而由2.2节可见，调整涡轮导向器面积可使发动机转速上升、涡轮前温度下降。通过调整涡轮导向器面积可使发动机转速达到限制转速以上100%～101%，再调节引气使发动机温度达到限制温度。

该调整方法可在实际试验过程中，根据被试发动机的具体试验情况，灵活调整发动机试验措施。

4 超温试验的实施

该涡桨发动机在调整涡轮导向器面积2%后，开展超温试验，最终达到了涡轮前温度、转速满足国军标要求的试验目标，为发动机研制累积了宝贵的研制经验。