发动机舱
关键词： 壁面材料；使用温度；限制值
中图分类号：V2文献标识码：A文章编号：1671－7597（2011）0110009－01
0 引言
飞行试验是指飞行器、动力装置及机载装备在真实的飞行环境条件下进行的各种试验。借助精确的测试手段获得实际试验数据。最终鉴定设计产品是否达到战术、技术指标和使用要求，
从而可以给出飞行试验鉴定结论。规范要求发动机试飞时，某些部件应有零、部件表面温度、环境温度的使用温度范围，特别是工作与高温条件下的部件。该温度使用限制值是指发动机各零、部件和附件的表面温度、工作环境温度在发动机长期工作条件下不能超过这一温度值。而对于旨在冷却发动机壁面结构，改善发动机短舱环境条件的通风冷却系统，这样的使用温度限制值则更为有意义。该值作为判断通风冷却系统设计效果是至关重要的。例如某型发动机燃烧室段外壁面使用温度限制值为650℃，则发动机在工作时，各种状态下该处的壁面工作温度应低于650℃。温度限制值作为通风冷却系统试飞鉴定依据简单而有效，在试飞中已经有了较长时间应用时间，但是目前试飞中却存在一些问题，而且缺乏深入的认识，基于上述原因，本文对此进行了讨论。
1 材料的热疲劳强度及发动机壁面材料选用[1]
冶金工业中，材料在用于高温循环应力下工作时，材料常发生高温环境下的疲劳破坏。而这样的热环境高温条件对材料的强度极限σb和屈服极限σs有着明显影响。根据试验，材料在用于高温环境下时，材料的强度极限σb和屈服极限σs随着工作环境温度的升高，先有明显的下降的趋势，随后再随温度上升有明显的跃升，然后再次下降，直到材料的σb和σs达到最
小值，接近于零。基于上述原因，用于高温条件下的材料必须考虑温度对材料热强度的影响，由于航空发动机是工作在热环境条件下的机械部件。因此合理选用材料是非常重要的一步工作。可以认为，线胀系数小、导热系数大的材料，对于降低热应力是有效的。而高温持久极限高、韧性好的材料，能提高热疲劳强度。发动机壳体材料通常选用高温合金材料。材料都是在一定的使用温度范围才能表现优良的性能，这也就是该种材料的使用温度。
航空发动机是工作在高温下的装置，因此其本身的结构材料必须是耐高温材料，例如，某涡喷型发动机试飞中加力筒体段外壁面所测最高温度高达881度（出现在高空小表速飞行时），这无疑对材料的力学性能提出了苛刻的要求，必须具有良好的高温强度。而高温合金凭借其使用性能和使用温度两方面的高要求成为航空发动机用材料得最佳选择。目前发动机高温部件多采用的合金有镍基合金，钛合金和铁基合金。一般来说高温合金具有下列特性：1）很好的高温强度及韧性；2）优异的高温应力破断性能；3）热疲劳寿命长；4）耐高温氧化及应力腐蚀。而每种复合材料受到其力学性能，特别是高温力学性能的限制，都有其适用的温度范围。例如：钛合金由于强度高，塑性好，在400℃条件下组织稳定，蠕变强度较高，所以适用于制造400℃以下长期工作的零件，如有高温强度要求的发动机零件；Inconelalloy718合金（一种Ni-Cr镍基高温合金）经常被用于航空制造中涡轮叶片、发动机部
件、连接件的典型高温合金和耐蚀合金。它的特点是易加工性；在700℃时具有高的抗拉强度、疲劳强度、抗蠕变强度和断裂强度。例如下表列出了某型发动机外壁面使用材料及其使用温度。（其中GH为高温合金，1Cr18Ni9ti为奥氏体型不锈钢）
某型发动机各高温壁面材料及温度限制值
2 发动机壁面材料使用温度限制值与通风冷却系统鉴定试飞的关系
对于动力装置通风冷却系统试飞项目，目的是考核发动机的通风冷却系统设计效果是否达到冷却发动机外部要求，从而保证发动机及飞机的安全可靠工作。发动机通风冷却主要是指对发动结构壁面、舱内附件及发动机舱环境的冷却，简单讲是指从进气道旁路或者机舱的导风罩进来的冷气流在发动机外部与机身结构之间形成的通道内冷却发动机结构壁面，保证发动机外壁面结构部件工作在材料使用温度范围内，从而保证发动机的安全使用。GJB243A规定必须有零、部件和附件的表面温度环境温度的使用限制值。试飞中，通过温度传感器测取发动机壁面炽热部位表面温度、附件的工作环境温度。将所测温度与材料使用温度限制值进行比较，以评定其冷却通风设计的合理性。例如某型发动机燃烧室段壁面材料的使用温度限制值为650℃，则发动机在工作时，应保证所测该处温度在各种状态下工作温度应低于650
℃。一旦在试飞中出现较长时间的超温现象，将会影响发动机的安全使用，曾经在试飞中，喷口作动筒出现渗漏油问题，经分析是作动筒内材料长期耐高温而发生老化所至。这说明冷却通风系统的设计有待改进，否则在这样长期的温度条件下工作，会降低材料的使用寿命。
3 温度限制值在通风冷却试飞应用中存在的问题
通风冷却专业从最初由于涡喷型发动机单涵道设计不利于通风冷却，因此工作温度较高，工作时发动机表面温度高达800、900度，可想而知其
对飞行安全造成的威胁。同时，使得该领域在设计及试飞中得到重视及发展，也因此对发动机壳体材料选用提出很高要求。但是任何材料都有其使用条件，尤其被用于持续高温条件下。由于材料及发动机设计不断改进，温度限制值已经成为该专业现在得出试飞结论的判断依据，但是在这一过程中存在一些问题：
1）某些型号试飞过程中，并未对材料的温度限制值给出明确的限制值数值，相当于没有指标依据，显然在这种情况下很难给出完整准确试飞结论。这无疑是对试飞过程作为鉴定
产品安全的重要过程及资源的一种浪费。
2）针对使用材料特点，提高温度限制值的准确性，例如，在某型号试飞中，发动机外壳某段最高温度为500度，但实际试飞最高温度超过这一限制值，而设计方最简单的做法却是提高温度限制值，之所以能这样做，可能是因为这并未对发动机使用中产生明显可见的影响。
3）对于超温程度会对发动机材料安全使用造成多大的影响，这些都没有做试验报告及跟踪研究。
4）温度限制值作为判断依据固然有效和重要，但是基于以上问题的存在，是否可以同时有其他有用的判断依据来鉴定通风冷却系统。
4 结束语
温度限制值是根据材料在高温条件下的使用性能而来的。在材料应用于高温工作部件时显得尤为重要，例如发动机试飞。文中已描述了其对于试飞的重要意义，尤其对新研制的发动机。但是在其作为试飞鉴定依据时，有些地方有待于在以后的试飞工作研究完善。
1）通过总结归纳以往型号课题及材料学知识，对一般的发动机材料的使用温度限制形成经验认识，即使没有温度限制值，课题进行中也可以有据可依。
2）对于用限制值作为试飞结论的依据的方法是否是最佳的方法。目前较为简单的用测得最高温度值和材料温度限制值比较而给出结论的做法是否是最合适的方法，这种以结果推算原因，并且在这种情况下如果出现超温，那么怎么改进通风条件都是较难给出定量的结果。
3）如果试飞中测得壁面温度高于其材料的使用温度，会对材料长期使用造成多大的影响。这些都可以做一些更细致的工作。
参考文献：
[1]机械设计手册，机械工业出版社，1991.
作者简介：
王涛（1979-），女，2003年毕业于西北工业大学飞行器动力工程专业，现从事航空发动机通风冷却系统飞行试验研究工作。
发布评论