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1、关于确定发动机涡轮限制温度问题的探讨石 靖 ( 中国肮空工业第6 0 8 研究所， 4 1 2 0 0 2 )摘要在航空发动机的设计 研制过程中，确定涡轮的限 制温度是一个重要而又 涉及多方面的复杂问题。本文就 几个关于发动机涡轮温度的 定义及其物理内涵作了 简明的叙述。 举例说明了温度裕度的组成，分析了确定温度裕度的相关因素。 给出了确定红线温度的 方法与步骤.1 前言在发动机设计研制过程中确定它的限 制温度( 又称红线温度) 是一个重要而又较为复杂的问 题 它涉及发动机工作包线、 气动循环参数、 涡 轮叶片材料、 传热冷却设计、 强度寿命等多方面的因素 我们对此缺乏经验，为此首先对几个机种
2、的型号规范、 用户手册、设计报告中的相关内 容进行了 收 集归纳整理， 在此基础上对限制温度的物理概念、确定限制温度的相关因素进行了初浅的分析。 对 发动机限 制温度的确定提出了建议。2 关于发动机限制温度的定义及其物理内涵。在发动机的型号规范、 设计报告中常出 现多 种关于温度的条文如规定 温度、 红线温度、 极限 温度、 最大允许 温度、温度裕度等，它们的确切定义和内 涵是什么需要弄明白，否则将会出 现因理解上的 差异而造成混淆。 2 . 1 燃 气温度指发动机某个截面上整个燃气流道面积稳定燃气 温度的平均值。平均值应理解为沿周向、径向的质量平 均值。对T 4 5 ( 指总温，本文不带中
3、号， 下同) 来说， 应 由全流程参数测量测出环形流道的温度场， 沿周向径向质量平均，然后找出 代表平均值的几个特征 点进行测量。 而不是随意定几点。当然准确测出 平均值也不是一件容易的事，但应尽力去做。 2 . 2规定燃气温 度对涡 轴发动机来说，在整个飞行包线内 为达到发动机性能状态和寿命， 燃气发生器第一级涡轮 转子进口允许的最大燃气温度。由 于测量上的原因， 通常 给出T 4 5 的 最大 测量 温度。 从 本质 上来说， 是通 过测量T 4 ， 控制T o t 的 温度，确保工作叶片的强度寿命与可靠性。 2 . 3红线温度美国G E公司把发动机特征截面在特定状态下不能超过的温度称为红
4、线温度。可以认为红线温度与规定温度是一致的。叶片寿命是按照红线温度下对应的叶片实体温度计算的。 2 . 4温度极限嫌气发生器转子进口 最大允许稳态燃气温度极限值比 发动机工作包线内可能产生的最大然气温 度 ( 规定温度T 4 1 )至少高1 5 C ,涡轴一 4 发动机最大允许稳态和最大瞬态测量温度极限值 ( 几 极限)和规定值的比较见表l a表1涡 轴一 4 发动机 测量 温度极限 与规定 值的比 较 表 极限值规 定 值A T 4 5 & P - : ( 0 .2 m i n )9 6 5 应急 ( 2 . 5 m in )9 1 7一9 0 3一1 1 4 遥 大( I O m i n
5、)一8 8 28 6 71 5 中间 ( 3 0 m i t t )1 8 6 78 5 21 5 最大连续和以下8 0 58 0 4l1 起动瞬态一18 6 2持久试车时发动机可在等于或大于规定温度下工作，其极限值除最大连续及以下状态以外与上 表相近。 25最大允许燃气温度稳定和瞬态规定的最大允许 燃气温度是发动机工作均不许超过的极限。初步认为与极限温度相同 2 . 6超温试验转子 结构完整性超 温试验， 发动机应 在燃气发生器 第一 级涡 轮转子 进口 燃气温度 ( T 4 1 ) 至 少比 最大允许稳态温度高4 5 和不低于最大允许稳态转速下工作5 分钟。即超温试验的T 4 : 至少比相
6、应的极限温度高4 5 C ，比 规定温度至少高5 0 C o 2 . 7温度裕度特征截面的红线温度与设计值之差称为温度裕度。一 般说来， 温度裕度大，发动机工作范围 较宽，可靠性强， 但红线温度高，其寿命相对较短。3 温度裕度的组成温度裕度一般是指 燃气发生器转子进口 温度的规定值( 红线温度) 与达到温度发动机设计点功率 时的 温度设计值的差值。相应其他状态也有对应的裕度值。 为了说明温度裕度的组成，以下列出了 大 型民 用发 动机E ( G E ) 的 实 例，见 表2 0 表2 E ( G E ) 毛 】 裕 度 组 成表 对发动机的直接增加量l 发动机达到功率设定最小与平均差值7 .
7、2 C 起 飞 功 率设 定 下 发 动 机 过 渡 态一1 6 .7 起飞时预定扩大的间隙1 1 . 1 总增加量 ( D A )3 5 . 0 2 0 偶然事件变化士l 湿度3 . 8 发动机质量变化1 4 名 控 制 系 统公 差一1 3 . 8 总计方根 ( R S S )增加2 0 . 5 新 发 动 机 需 要的 总 增 加 量( D A + R S S ) - I!5 5 .5 发 动 机 运 行 恶 化 增 加 量一2 2 .2 总 增加 量 T 4 117 7 . 7 C由 表可以 看出，除了 性能恶化的增加量 2 2 .2 外， 还考虑了 推力 ( 功率) 与平均值的差异，
8、 起 飞 过渡态和起飞间隙的 增大所引 起的温度上 升以 及零组件制 造和控制系统公 差引 起的均方根增加 值。 这个裕度是保证发动机交付和寿命期内正常工作所必须保证的。4 确定限制温度的相关因素有了 温度裕度和气动力设计参数就得出了限 制温度， 但是针对具体型号如何来确定限 制温度仍然 不是一件简单的事情。限制温度与一些相关因素比 如气动设计点，工作包线循环参数、涡轮叶片材 料、传热冷却设计、寿命设计等密切相关，以 下作一简要分析。 4 . 1限制温度与气动设计点的选择发动机工作包线循环参致相关。目 前， 通常以 最大起飞 状态为气动性能设计点， 而且对热天采用降低功率 ( 推力)的 设计，
9、这 样 在热天大状态特别是应急状态的T 4 : 与环境温度的差就比 较低，因而可采用较小的握度裕度。最近俄罗斯专家提出以 应急状态作为气动力设计点， 使发动机在应急状态可多 次使用而不用返 厂 检查。 但是 起飞 状态的 温度裕 度A T 4 1 就增加到1 2 0 - 1 3 0 C o 温度裕度的 增加， 其实质是 将发 动机 的 使用范围加大了，可靠性、 泼辣性加强了。 4 . 2限制温度的加大对高温部件特别是涡轮叶片的材料选择及传热冷却设计提出了 更高的要求。4 . 3限制 温度的 加大将使涡轮叶片的寿 命有 所降低。 美 国G E 公司 明 确指出 叶片 寿命是 按照 红 线温度 计
10、算的。显然，限制温度的变化将对寿命产生影响。5 关于红线温度的确定对几个机种最大起飞状态的设计温度和红线温度进行了 收集、 鉴别、整理、归纳，见表3 0 表3 最大起飞状态设计温度和规定 ( 红线)温度 ( ) 涡轴一 1涡轴_ 2涡 轴 一 ， 1祸 轴 礴民 机I I民机2T o o设计值1 0 3 71 1 0 71 1 8 71 2 5 78 4 0 1 5 1 0 规定值9 4 8 .3 Ti1 0 8 .3T 4 1设计值1 0 2 81 0 5 71 1 3 71 2 1 98 2 4 . 41 3 4 3 规定值1 2 9 09 3 2 21 4 2 0T7 11 0 7 .
11、87 7T 设 计值 77 48 1 08 8 28 1 9 4 5 0 .68 5 9 规定值! 8 3 58 4 59 1 28 6 7， _ 5 5 29 2 0 , n s T1 6 13 53 0 11 月 吕 ， 1 1 0 1 .4 6 1发动机厂商 在用户手册中会给出红线温度或规定温度，但通常不会给出设计值。 表3 中 有的设 计值为估算值，因此其温度裕度仅供参考。尽管如此， 我们还是可以 从中 得出一些参考和启 迪。由 表可以看出， 涡轴发动机的温度裕度在3 0 - 6 1 C， 而民 用机在6 0 - 1 0 0 C 。 从涡轴一到涡轴一系列来 看， 似乎可看出一个现象，随
12、着系列的发展，设计制造积累了 经验逐步走向 成熟其容差缩小，性能 衰退减缓，尽管其设计温度有所提高，但是其温度裕度还是有所降低。民 用发动机的 温度裕度较大 是否因其起飞 过渡态和间隙增大较为严重， 还是因为民 机的特点更加强调安全可靠尚不能肯定。俄罗斯u“AM 对涡轴发动机第一级祸轮叶片设计考虑热天及性能恶化等因 紊增加4 5 裕度， 同时还指出 对第二级以 后叶片的温度裕度有所降低。在新机设计研制中 要确定其 温度裕度，需根据新机自 身的属性作深入细致的工作。 综前所述， 确定红线温度的方法与步骤建议如下: 依据订货方对发动机的使用要求确定发动机的设计点是最大起飞状态还是应急 状态。 目前国 内一 般以最大起飞 状态为设计点，由总体气动设计工程师根据各部件切实可达到的效率并留 有一定 余地给出涡轮各截面设计值。 依据发动机类型分别研究温度裕度的 三个组成部分的具体数值， 即 新发动机直接增加值、 偶 然事件2 a 概率增加值和性能恶化增加值。 依据初步确定的红 线温度， 进行高 温部件特别是燃气发生 器 ( 高压) 涡轮叶片的材料选择、 冷却传热设计和强度寿命计算。 综合考虑发动机使用类型、 循环参数、飞行包线、高 沮涡 轮叶片设 计等方面的因素经多次反复协调确定红线温度。
