某航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)排氣系統(tǒng)改造技術(shù)研究

薛洪科， 常鴻雯， 胡銘鑫

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽110015）

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)是對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行綜合試驗(yàn)研究和生產(chǎn)試車的重要設(shè)施[1]。根據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制進(jìn)程要求，從發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)開始到最后生產(chǎn)交付部隊(duì)使用，需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)試車工作。試車臺(tái)排氣系統(tǒng)的作用是將發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的高溫、高速燃?xì)馀湃氪髿猸h(huán)境中。由于試車臺(tái)排氣系統(tǒng)的引射作用，使試車間內(nèi)產(chǎn)生氣流的流動(dòng)，為保證發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)氣動(dòng)流場(chǎng)的品質(zhì)，對(duì)試車臺(tái)內(nèi)的氣流速度、空氣流量等都有嚴(yán)格的要求，往往這些控制參數(shù)都取決于試車臺(tái)的排氣系統(tǒng)。

在發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車臺(tái)中，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣過程類似于引射混合器的工作過程，發(fā)動(dòng)機(jī)的尾噴口氣流作為主流，后端排氣系統(tǒng)的排氣筒體為氣流混合管，發(fā)動(dòng)機(jī)的尾噴口氣流將試車間內(nèi)的常溫空氣引射進(jìn)排氣筒體，兩股氣流在排氣筒體內(nèi)充分混合降溫后進(jìn)入排氣消聲塔，再由排氣消聲塔排向大氣。發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車臺(tái)排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式有所差別，但工作原理相同。

近年來，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)試車任務(wù)的逐漸繁重，對(duì)試車臺(tái)排氣系統(tǒng)的破壞程度日趨嚴(yán)重，在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)損壞情況，需要比較頻繁地進(jìn)行修復(fù)工作，浪費(fèi)了大量的時(shí)間，嚴(yán)重影響了發(fā)動(dòng)機(jī)試車任務(wù)的進(jìn)程。為解決上述問題，急需對(duì)某航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)排氣系統(tǒng)進(jìn)行維修改造工作。

1 試車臺(tái)排氣系統(tǒng)簡介

1.1 試車臺(tái)排氣系統(tǒng)組成

試車臺(tái)始建于20世紀(jì)90年代，試車臺(tái)的排氣系統(tǒng)采用二級(jí)引射排氣方式，保證發(fā)動(dòng)機(jī)排氣及其所引射冷氣流順利排出的要求。試車臺(tái)的排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，試車臺(tái)排氣系統(tǒng)主要由一級(jí)引射筒體、二級(jí)引射筒體、開孔擴(kuò)散器及筒體支撐等部分組成[2]。

圖1 排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

排氣系統(tǒng)的一級(jí)引射筒體前端為固定支撐結(jié)構(gòu)，后端為活動(dòng)支撐結(jié)構(gòu)。在發(fā)動(dòng)機(jī)高溫排氣作用下，一級(jí)引射筒體會(huì)產(chǎn)生軸向膨脹，該膨脹量則由活動(dòng)支撐結(jié)構(gòu)吸收?；顒?dòng)支撐的兩側(cè)均為單立柱鉸接結(jié)構(gòu)，即立柱兩端與地面上的安裝座和筒體上的安裝座均采用圓柱銷連接形式，一級(jí)引射筒體受熱膨脹伸長時(shí)，立柱向后端擺動(dòng)來吸收筒體的軸向膨脹位移，一級(jí)引射筒體上的安裝座直接焊接在筒體側(cè)壁上。

1.2 排氣系統(tǒng)存在的問題

試車臺(tái)排氣系統(tǒng)在使用過程中，一級(jí)引射筒體多次出現(xiàn)損壞情況，筒體損壞集中表現(xiàn)在兩方面:一方面是一級(jí)引射筒體的活動(dòng)支撐安裝座與筒體焊接位置，筒體側(cè)壁經(jīng)常出現(xiàn)開裂現(xiàn)象；另一方面是一級(jí)引射筒體底部約1/3范圍內(nèi)的筒體側(cè)壁損壞嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為筒體側(cè)壁開裂，甚至出現(xiàn)脫落掉塊現(xiàn)象。

1.3 損壞原因簡要分析

根據(jù)試車臺(tái)排氣系統(tǒng)的工作過程，分析一級(jí)引射筒體損壞的原因主要有以下三個(gè)方面。

1）在發(fā)動(dòng)機(jī)試車過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴氣流對(duì)一級(jí)引射筒產(chǎn)生沖擊，同時(shí)有激波等復(fù)雜流場(chǎng)產(chǎn)生，從而給引射筒一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)載荷。其中部分發(fā)動(dòng)機(jī)的尾噴口沿軸線下偏一定角度，如圖2所示，使一級(jí)引射筒體承受一定的徑向載荷，由于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣波動(dòng)范圍較大，導(dǎo)致一級(jí)引射筒體始終處于振動(dòng)狀態(tài)。

2）一級(jí)引射筒體后端的活動(dòng)支撐結(jié)構(gòu)形式抗振能力較差，隨著排氣系統(tǒng)工作時(shí)間的增加，圓柱銷與銷孔間隙逐漸增大，導(dǎo)致一級(jí)引射筒體在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣過程中振動(dòng)加大；活動(dòng)支撐的安裝座直接焊接在一級(jí)引射筒體側(cè)壁上，使一級(jí)引射筒體上安裝座處的側(cè)壁始終承受振動(dòng)載荷作用，導(dǎo)致筒體材料產(chǎn)生疲勞裂紋。

3）部分發(fā)動(dòng)機(jī)的尾噴口沿軸線下偏一定角度。發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中尾噴口氣流存在與一級(jí)引射筒體接觸的趨勢(shì)，發(fā)動(dòng)機(jī)最高排氣溫度可達(dá)2000 K，排氣雖經(jīng)過摻混換熱后到達(dá)一級(jí)引射筒體側(cè)壁，但氣流仍處于較高的溫度，一級(jí)引射筒體長期在高溫氣流作用下，導(dǎo)致筒體材料產(chǎn)生熱疲勞裂紋。

2 排氣系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)方案

2.1 改造設(shè)計(jì)任務(wù)

通過上述分析，一級(jí)引射筒體損壞的主要原因是筒體側(cè)壁直接承受振動(dòng)載荷及筒體局部受熱疲勞。為解決上述問題，本次改造設(shè)計(jì)任務(wù)主要涉及下述兩個(gè)方面。

1）由于原有一級(jí)引射筒體損壞嚴(yán)重，對(duì)筒體進(jìn)行更換，同時(shí)對(duì)筒體的支撐結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，避免支撐結(jié)構(gòu)的安裝座與筒體側(cè)壁直接接觸，消除振動(dòng)載荷對(duì)一級(jí)引射筒體側(cè)壁的直接影響。

2）進(jìn)行一級(jí)引射筒體隔熱設(shè)計(jì)，解決一級(jí)引射筒體直接承受過熱氣流，避免發(fā)動(dòng)機(jī)高溫排氣與一級(jí)引射筒體側(cè)壁直接接觸的問題。

圖3 一級(jí)引射筒體結(jié)構(gòu)簡圖

2.2 一級(jí)引射筒體及支撐設(shè)計(jì)方案

在發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)排氣系統(tǒng)中，一級(jí)引射筒體的結(jié)構(gòu)尺寸和位置尺寸是決定排氣系統(tǒng)性能指標(biāo)的重要參數(shù)，為保證試車臺(tái)排氣系統(tǒng)性能指標(biāo)不發(fā)生改變，新一級(jí)引射筒體的結(jié)構(gòu)尺寸按原筒體設(shè)計(jì)，同時(shí)應(yīng)保證一級(jí)引射筒體在排氣系統(tǒng)中的位置尺寸與原筒體位置保持一致。

一級(jí)引射筒體及支撐方案如圖3所示，主要由一級(jí)引射筒體、筒體安裝耳、上支撐座和支撐底座等部分組成。

一級(jí)引射筒體采用四點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)形式，支撐點(diǎn)布置如圖4所示。支撐點(diǎn)1為固定支撐，限定一級(jí)引射筒體的軸向及徑向位置；支撐點(diǎn)2為滑動(dòng)支撐，限定一級(jí)引射筒體的軸向位置，可承受筒體徑向受熱膨脹產(chǎn)生的位移；支撐點(diǎn)3為滑動(dòng)支撐，限定一級(jí)引射筒體徑向位置，可承受筒體軸向受熱膨脹產(chǎn)生的位移；支撐點(diǎn)4為滑動(dòng)支撐，可同時(shí)承受一級(jí)引射筒體的軸向及徑向受熱膨脹產(chǎn)生的位移。

圖4 一級(jí)引射筒體支撐點(diǎn)示意圖

一級(jí)引射筒體的固定支撐為安裝座的平面鋼板接觸，利用螺栓擰緊固定；滑動(dòng)支撐為安裝座的平面鋼板之間夾裝滾棒的結(jié)構(gòu)形式，并利用螺栓及定距套預(yù)留安裝間隙，滑動(dòng)支撐處的軸向躥動(dòng)為滾動(dòng)摩擦，徑向躥動(dòng)為滑動(dòng)摩擦。在一級(jí)引射筒體的各支撐位置，筒體采用環(huán)形“工”字加強(qiáng)筋進(jìn)行加強(qiáng)，筒體安裝耳焊接在“工”字加強(qiáng)筋上，該結(jié)構(gòu)形式避免一級(jí)引射筒體側(cè)壁直接承受振動(dòng)載荷。

2.3 一級(jí)引射筒體隔熱設(shè)計(jì)方案

圖5 一級(jí)引射筒體隔熱結(jié)構(gòu)簡圖

根據(jù)前述對(duì)一級(jí)引射筒體損壞分析，并結(jié)合試車臺(tái)排氣系統(tǒng)的工作實(shí)際，一級(jí)引射筒體隔熱設(shè)計(jì)方案采用內(nèi)襯隔熱導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)形式，即在一級(jí)引射筒體內(nèi)部下端120°范圍內(nèi)鋪設(shè)一層隔熱導(dǎo)流板，隔熱導(dǎo)流板覆蓋整個(gè)筒體的長度，隔熱導(dǎo)流板選用耐高溫金屬材料。一級(jí)引射筒體隔熱設(shè)計(jì)方案如圖5所示，主要由隔熱導(dǎo)流板、導(dǎo)流板支撐梁等部分組成。

在一級(jí)引射筒體長度方向上，隔熱導(dǎo)流板由多段弧形鋼板組成，多段弧形鋼板采用瓦片搭接式結(jié)構(gòu)形式；導(dǎo)流板支撐梁作為隔熱導(dǎo)流板的支撐骨架，直接焊接在一級(jí)引射筒體的筒壁上，為方便隔熱導(dǎo)流板損壞后進(jìn)行更換，隔熱導(dǎo)流板與支撐梁采用螺栓連接固定的結(jié)構(gòu)形式，螺栓連接固定結(jié)構(gòu)預(yù)留吸收導(dǎo)流板熱膨脹的間隙。

上述隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中，隔熱導(dǎo)流板與一級(jí)引射筒體側(cè)壁之間預(yù)留一定的高度空間，由隔熱導(dǎo)流板、導(dǎo)流支撐梁和一級(jí)引射筒體的筒壁形成一個(gè)前后開口的流通腔體，當(dāng)排氣系統(tǒng)工作時(shí)，依靠隔熱導(dǎo)流板承受發(fā)動(dòng)機(jī)高溫氣流，由于氣流的引射作用，在上述流通腔體中會(huì)有一股常溫冷卻氣流通過，常溫冷卻氣流既對(duì)隔熱導(dǎo)流板進(jìn)行冷卻降溫，同時(shí)又將發(fā)動(dòng)機(jī)高溫排氣與一級(jí)引射筒體側(cè)壁進(jìn)行了有效的隔離，從而避免一級(jí)引射筒體受高溫氣流影響。

3 結(jié)論

本文對(duì)某航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)排氣系統(tǒng)的一級(jí)引射筒體及支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，并對(duì)一級(jí)引射筒體進(jìn)行了隔熱保護(hù)設(shè)計(jì)，改進(jìn)支撐結(jié)構(gòu)的抗振能力明顯優(yōu)于原有的單立柱鉸接結(jié)構(gòu)，同時(shí)隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可有效防止發(fā)動(dòng)機(jī)高溫排氣對(duì)一級(jí)引射筒體的直接影響。通過上述設(shè)計(jì)方案可有效解決試車臺(tái)排氣系統(tǒng)一級(jí)引射筒體開裂損壞的問題。