某無人機(jī)用小型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)壽命試車研究

顧志崗 錢松林 彭云暉 吳進(jìn)軍

（南京模擬技術(shù)研究所，南京 210016）

壽命是航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵指標(biāo)之一。美空軍在MIL-E-87231配套使用的《MIL-STD-1783 結(jié)構(gòu)完整性大綱》中規(guī)定：“設(shè)計(jì)使用壽命和設(shè)計(jì)用法的驗(yàn)證要通過分析、設(shè)計(jì)發(fā)展試驗(yàn)與發(fā)動(dòng)機(jī)試車來完成?！币虼耍ㄟ^壽命試車確定壽命指標(biāo)成為發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中必不可少的研究內(nèi)容。

隨著無人機(jī)應(yīng)用的日益廣泛，當(dāng)前迫切需要有針對(duì)無人機(jī)用發(fā)動(dòng)機(jī)定壽延壽方面的指南。本文借鑒有人機(jī)載荷譜編制方法對(duì)某小型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)壽命試車展開研究，通過計(jì)算結(jié)果與試車結(jié)果對(duì)比分析，為相近或同類小發(fā)動(dòng)機(jī)壽命指標(biāo)確定提供參考。

1 載荷譜編制

1.1 編制方法

載荷譜反映了結(jié)構(gòu)件在工作中磨損、蠕變、應(yīng)力斷裂或過大、高低周疲勞裂紋造成機(jī)件失效，是壽命試車研究的基礎(chǔ)和前提。

某小型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)配裝于某亞音速無人機(jī)，其設(shè)計(jì)載荷譜選取了10多架用途相近無人機(jī)飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行任務(wù)循環(huán)統(tǒng)計(jì)及任務(wù)混頻，在領(lǐng)先試飛階段，基于大量外場飛行測試，人們通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)開展了使用載荷循環(huán)推導(dǎo)。

1.2 工作任務(wù)載荷統(tǒng)計(jì)

在渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的使用過程中，低循環(huán)疲勞和蠕變是造成發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件損傷的重要因素[1]。低循環(huán)疲勞損傷循環(huán)參照美軍《MIL-STD-1783 結(jié)構(gòu)完整性大綱》中規(guī)定的三種典型循環(huán)：（1）I類循環(huán)：0-最大/中間-0循環(huán)；（2）II類循環(huán)：慢車-最大/中間-慢車循環(huán)；（3）III類循環(huán)：巡航-最大/中間-巡航循環(huán)。

依據(jù)《航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)完整性指南》（GJB/Z101-1997），發(fā)動(dòng)機(jī)蠕變損傷應(yīng)統(tǒng)計(jì)等于或大于中間功率時(shí)間[2]。采用分析獲得的設(shè)計(jì)載荷譜與使用載荷譜編制壽命試車譜，試車循環(huán)剖面按1h計(jì)，其工作任務(wù)載荷統(tǒng)計(jì)對(duì)比結(jié)果如1所示。

表1 設(shè)計(jì)譜與使用譜任務(wù)載荷對(duì)比（一）

表1 設(shè)計(jì)譜與使用譜任務(wù)載荷對(duì)比（二）

2 壽命試車對(duì)比驗(yàn)證

分別采用設(shè)計(jì)譜、使用譜編制試車譜進(jìn)行壽命試車，每次循環(huán)考核時(shí)間為1h，通過測定相同推力值上的排氣溫度和耗油率以考核發(fā)動(dòng)機(jī)是否到壽，詳細(xì)標(biāo)準(zhǔn)是：換算耗油率不超過初始校準(zhǔn)試車時(shí)的5%；穩(wěn)態(tài)排氣溫度不超過初始校準(zhǔn)試車時(shí)的5%[3-4]。

2.1 試車結(jié)果對(duì)比

設(shè)計(jì)譜編制的試車譜（下稱譜一）第16h運(yùn)轉(zhuǎn)性能明顯惡化，而使用譜編制的試車譜（下稱譜二）第20h運(yùn)轉(zhuǎn)性能明顯惡化。

在相同推力值上對(duì)兩譜壽命試車結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，筆者發(fā)現(xiàn)：譜一耗油率第10h較第1h變化不大，第16h較第1h明顯升高，尤其是在大推力狀態(tài)升高超過5%，譜二耗油率第16h尚未出現(xiàn)明顯升高，第20h方明顯升高超過5%；譜一大狀態(tài)排氣溫度第16h惡化程度超出5%，而譜二大狀態(tài)排氣溫度第16h惡化程度尚在允許范圍之內(nèi)，直至第20h惡化程度超過5%。

2.2 分解檢查對(duì)比

分解檢查發(fā)動(dòng)機(jī)，目視各零部件，譜一16h開車后渦輪轉(zhuǎn)子有兩個(gè)葉片葉尖出現(xiàn)明顯斷裂，斷裂部位位于排氣邊，集中于靠近葉尖1/3處，呈不規(guī)則圓弧狀，采用熒光檢測技術(shù)對(duì)其余葉片及壓氣機(jī)葉片進(jìn)行檢查，均未發(fā)現(xiàn)裂紋。

2.3 試車壽命與計(jì)算損傷對(duì)比

對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果，可以看出：采用譜一（設(shè)計(jì)譜編制試車譜）試車壽命15h較譜二（使用譜編制試車譜）試車壽命19h短21.1%，這與壽命損傷計(jì)算結(jié)果20%相接近。

2.4 載荷譜編制對(duì)壽命試車結(jié)果影響分析

第4節(jié)采用不同試車譜進(jìn)行壽命試車，唯一不同是分別采用了設(shè)計(jì)載荷譜、使用載荷譜進(jìn)行編制，載荷譜編制對(duì)壽命試車結(jié)果產(chǎn)生如此影響，分析認(rèn)為，其根本原因有兩個(gè)。

2.4.1 載荷譜散度差異

該無人機(jī)用發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)載荷譜與使用載荷譜編制方法均借鑒有人機(jī)。一般來說，有人機(jī)可靠性、安全性要求均較無人機(jī)高，相近或類似的飛機(jī)在結(jié)構(gòu)上比較接近，在編制飛行訓(xùn)練大綱過程中，會(huì)綜合考慮可靠性及安全性要求。因此，在不同階段根據(jù)有人機(jī)飛行任務(wù)獲得的載荷譜是一類有人機(jī)群的均值譜，這種均值載荷譜散度對(duì)最終的整機(jī)載荷譜影響較小。

無人機(jī)在飛行可靠性及安全性方面并沒有有人機(jī)要求高，即使是同樣一款無人機(jī)，都有可能按不同任務(wù)需求，依照計(jì)劃開展不一樣的飛行任務(wù)。因此，在編制設(shè)計(jì)載荷譜過程中，雖然選擇的是與裝機(jī)對(duì)象相近的無人機(jī)，但由于實(shí)際的飛行航程、續(xù)航時(shí)間、速度及有效載荷能力有較大差異，在分析過程中又對(duì)多種與發(fā)動(dòng)機(jī)使用載荷直接相關(guān)的變量進(jìn)行了大量的簡化、模糊合并，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)個(gè)體使用載荷與統(tǒng)計(jì)獲得的均值存在一定差異，也就是載荷譜散度較大。從這個(gè)角度上說，使用載荷譜更多地參考了實(shí)際的飛行循環(huán)，用它開展壽命試車研究更能反映其壽命期內(nèi)載荷特點(diǎn)。

2.4.2 經(jīng)濟(jì)性

無人機(jī)用發(fā)動(dòng)機(jī)要求重量輕、油耗小，因此設(shè)計(jì)選材及工藝均從低成本角度考慮，其壽命指標(biāo)往往也并不高，甚至有一次性使用發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)。本文研究的小型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)正是這一類發(fā)動(dòng)機(jī)的代表，導(dǎo)向器內(nèi)外環(huán)采用不銹鋼材料加工，對(duì)于這種短壽發(fā)動(dòng)機(jī)，載荷譜差異帶來的損傷對(duì)比會(huì)較為凸現(xiàn)，進(jìn)而出現(xiàn)明顯的試車壽命差異。

3 結(jié)論

研究結(jié)果表明，某小型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)采用設(shè)計(jì)載荷譜壽命損傷計(jì)算值較使用載荷譜計(jì)算值至少高20%；某小型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)使用載荷譜編制試車譜試車壽命較設(shè)計(jì)載荷譜試車壽命高20%；采用使用載荷譜開展壽命試車較設(shè)計(jì)載荷譜更能反映發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際載荷特征，其壽命指標(biāo)更具有經(jīng)濟(jì)性。