航空發(fā)動(dòng)機(jī)清洗車噴液罐設(shè)計(jì)

秦崢嶸，劉元周，曹慶宇，吉海云

（沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽110015）

0 引 言

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)在各種復(fù)雜的自然環(huán)境下長期使用，必然會(huì)導(dǎo)致在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)積存各種固態(tài)或液態(tài)雜質(zhì)，當(dāng)這些雜質(zhì)積存量達(dá)到一定的程度時(shí)勢必會(huì)改變發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的工作環(huán)境，造成葉片通道的流通能力下降，進(jìn)而引起葉片的強(qiáng)度下降、空氣流場的改變并導(dǎo)致工作效率下降，最終使得整機(jī)推力降低、耗油率升高，此外還可能引發(fā)疑難故障（如發(fā)動(dòng)機(jī)喘振），甚至影響飛行安全。因此對發(fā)動(dòng)機(jī)氣流通道定期進(jìn)行清洗以恢復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能是十分必要的[1]。

發(fā)動(dòng)機(jī)清洗車是發(fā)動(dòng)機(jī)流道清洗必備的設(shè)備，而噴液罐則是清洗車的重要部件，其性能和安全性將直接影響清洗車的使用功能[2～4]。本文結(jié)合某型發(fā)動(dòng)機(jī)清洗車的設(shè)計(jì)背景，對該清洗車中的噴液罐設(shè)計(jì)過程進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 噴液罐功能設(shè)計(jì)

1)噴液罐有效體積不小于240 L，設(shè)計(jì)壓力不低于0.6 MPa。2)噴液罐加水口應(yīng)設(shè)置濾網(wǎng)，防止雜物進(jìn)入噴液罐內(nèi)。3)排水口出口應(yīng)設(shè)置過濾裝置，取水口應(yīng)位于噴液罐的下部，避免混入氣體并增加有效體積。4)噴液罐應(yīng)設(shè)置排液口，用于排出使用后罐內(nèi)剩余液體和清洗罐內(nèi)表面時(shí)排污水。排液口的設(shè)置應(yīng)方便操作，且能將罐內(nèi)液體全部排出。5)噴液罐設(shè)置排氣閥，能夠安全、快速地排空噴液罐和管路中的氣體。6)噴液罐應(yīng)具備加熱功能，可以把清洗液最高加熱到85 ℃，并具備溫度顯示及超溫報(bào)警功能。7)噴液罐應(yīng)具備液位、壓力顯示及超壓保護(hù)功能。

2 噴液罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

噴液罐結(jié)構(gòu)如圖1 所示，噴液罐由上、下2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭及直筒段焊接而成，其中直筒段的內(nèi)徑為500 mm，高度為530 mm，整個(gè)噴液罐容積約為152 L，使用2個(gè)噴液罐來滿足總有效容積240 L 的要求。

噴液罐的主要接口布置在上部，加水口采用的過濾器的過濾孔徑為1 mm，用來補(bǔ)充清洗用液體和對噴液罐內(nèi)部進(jìn)行清理；出液口位于側(cè)上方，并用彎管延伸到噴液罐下部取水，能有效地增加噴液罐的有效體積，并避免混入氣體；噴液罐通過高壓氮?dú)鉃閲娨汗拊黾訅毫?，最高壓力可達(dá)0.6 MPa，加壓氣入口置于噴水罐上部，此外在上部還設(shè)置了排氣口。采用壓力表顯示壓力，采用聯(lián)通式液位計(jì)來顯示噴液罐內(nèi)液體的液位；采用電接點(diǎn)溫度表和溫度控制系統(tǒng)配合使用來控制罐內(nèi)液體的溫度，罐體內(nèi)液體溫度一般控制在65～85 ℃之間。排液口設(shè)置在噴液罐的最低點(diǎn)，并配有球閥用于排出罐內(nèi)液體。噴液罐外有保溫層，既能通過保溫減少能耗，又可避免人員燙傷。在噴水罐的上部還設(shè)有安全閥，以保證罐內(nèi)壓力不超過0.6 MPa。2 個(gè)噴液罐牢固地安裝于移動(dòng)車體上，以方便在不同地點(diǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)清洗工作。

3 噴液罐設(shè)計(jì)

3.1 噴液罐壁厚計(jì)算

噴液罐的壁厚是噴液罐的關(guān)鍵參數(shù)之一，該參數(shù)的計(jì)算關(guān)系到噴液罐的安全性，罐體材料采用06Cr19Ni10。按照設(shè)計(jì)要求，該噴液罐設(shè)計(jì)壓力為0.6 MPa,罐體壁厚計(jì)算參照GB 150 標(biāo)準(zhǔn)，分別計(jì)算圓筒和封頭部分的壁厚。

圖1 噴液罐結(jié)構(gòu)

圓筒壁厚δ的計(jì)算公式按式（1）計(jì)算，公式的適用范圍為pc≤0.4［σ］tΦ，設(shè)計(jì)溫度取為100 ℃。

式中：δ為圓筒的計(jì)算厚度；pc為計(jì)算壓力，使用壓力（0.6 MPa）的1.05倍,pc=0.63 MPa；Di為圓筒內(nèi)直徑，Di=500 mm；Φ為焊接接頭系數(shù),帶襯板的焊縫系數(shù)Φ=0.9；［σ］t為設(shè)計(jì)溫度下圓筒材料的許用應(yīng)力，選用材料06Cr19Ni10在100℃的屈服極限為205 MPa，安全系數(shù)取2，因此許用應(yīng)力［σ］為102.5 MPa，?。郐遥輙=102.5 MPa。

將以上參數(shù)代入式（1）得δ=pcDi/(2［σ］tΦ-pc) =0.63×500/(2×102.5×0.9-0.63)=1.7 mm。

考慮到鋼板的下偏差及設(shè)計(jì)裕度，取罐體厚度δ=3 mm。

3.2 封頭設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)直筒的內(nèi)徑尺寸，通過查表初步確定出標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭內(nèi)壁曲面高度為125 mm，按式(3)可計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的形狀系數(shù)K為1。選擇封頭與圓筒壁厚相同，安全系數(shù)取2，代入式(2)，計(jì)算得到封頭可承受的壓力為1.1 MPa，遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)壓力0.6 MPa。

3.3 水壓試驗(yàn)壓力校核

噴液罐設(shè)計(jì)壓力P為0.6 MPa，按照GB 150要求，水壓試驗(yàn)按照設(shè)計(jì)壓力的1.25倍進(jìn)行打壓，需對打壓狀態(tài)下噴液罐強(qiáng)度進(jìn)行校核，當(dāng)σT≤[σ]T時(shí)，罐體強(qiáng)度滿足要求，其中σT為試驗(yàn)壓力下的圓筒應(yīng)力，[σ]T為水壓試驗(yàn)下圓筒許用應(yīng)力水平。試驗(yàn)壓力下σT根據(jù)下式計(jì)算：

其中，σs為試驗(yàn)溫度下材料的下屈服點(diǎn)，取σs= 205 MPa。

將其代入式（5）得[σ]T=0.9×205=184.5 MPa。因σT≤[σ]T，罐體水壓試驗(yàn)強(qiáng)度校核合格。

3.4 噴液罐開孔設(shè)計(jì)

3.4.1 開孔原則

橢圓封頭開孔及直筒段上開孔范圍應(yīng)遵循在殼體上開孔的最大直徑不得超過以下數(shù)值：對于圓筒，當(dāng)其內(nèi)徑d≤1500 mm時(shí)，開孔最大直徑d≤0.5Di，且d≤500 mm；在橢圓形封頭過渡部分開孔時(shí)，橢圓形封頭上開孔的孔邊，或外加補(bǔ)強(qiáng)元件的邊緣與封頭邊緣間的投影距離不小于0.1Di。

根據(jù)開孔范圍要求，設(shè)計(jì)需要開孔最大直徑為91 mm,滿足d≤0.5Di=250 mm且d≤500 mm的要求。此外，橢圓封頭上開孔距離封頭邊緣的最小投影距離為75.4 mm≥0.1Di，滿足規(guī)定要求。

3.4.2 開孔的尺寸和位置

噴液罐在上橢圓封頭、下橢圓封頭和圓柱筒體上均有開孔，如圖2 所示。其中上橢圓封頭總共開孔8 個(gè)，分別為加液口、出液口、進(jìn)氣口、排氣口、壓力表、溫度表、安全閥及液位計(jì)的上安裝口，下橢圓封頭2 個(gè)開孔分別為液位計(jì)下安裝孔和排液口，圓柱筒體開孔1 個(gè)，為電加熱器開孔，各開孔直徑數(shù)值如表1 所示。

圖2 噴液罐開孔布置

3.4.3 開孔補(bǔ)強(qiáng)及強(qiáng)度校核

根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，符合下列情況的開孔，可不考慮進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)：在圓筒體、球體、錐體及凸形封頭（以封頭中心為中心的80%封頭內(nèi)直徑范圍內(nèi)）上，焊相應(yīng)接管。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊表32.2-44[4]，壓力不大于0.6 MPa，筒體內(nèi)直徑不大于1000 mm，厚度系數(shù)為1.0的開口接管小于φ57 mm×5 mm的不需要補(bǔ)強(qiáng)。

根據(jù)以上要求，本噴液罐僅需要對橢圓封頭φ91加液口開孔和直筒段φ70電加熱器開口處進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

圓筒或球殼開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積按下式計(jì)算：

式中: d為開孔直徑；δ為殼體開孔處的計(jì)算厚度，δ=3 mm；δnt為接管名義厚度，mm；C為厚度附加量，C=0.28 mm；fr為強(qiáng)度削弱系數(shù)，取fr=1.0。

根據(jù)式（6），噴液罐加液口開孔和電加熱器開孔補(bǔ)強(qiáng)面積有：1）加液口補(bǔ)強(qiáng)面積A1=91×3+2×3×（3-0.28）×(1-1)=273 mm2；2）加熱器開孔補(bǔ)強(qiáng)面積A2=70×3+2×3×(10-0.28)×(1-1)=210 mm2。

表1 噴液罐開孔表

3.5 噴液罐保溫層厚度設(shè)計(jì)

罐內(nèi)120 L熱水溫度從85 ℃下降至65 ℃時(shí)，所釋放熱量計(jì)算公式為

4 結(jié) 語

本文根據(jù)某型發(fā)動(dòng)機(jī)清洗車噴液罐設(shè)計(jì)要求，對罐體設(shè)計(jì)計(jì)算過程進(jìn)行梳理，從噴液罐壁厚設(shè)計(jì)、強(qiáng)度校核、開孔設(shè)計(jì)、保溫層厚度計(jì)算等4 個(gè)方面對噴液罐進(jìn)行了詳細(xì)介紹，設(shè)計(jì)出滿足使用要求的噴液罐，為后續(xù)同類清洗噴液罐的設(shè)計(jì)提供了參考。