航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣密性設(shè)計(jì)和驗(yàn)證

王秋陽 黃正斌 孟祥海

摘要： 泄漏對航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能、安全和壽命均有重要影響，但目前國內(nèi)軍標(biāo)、航標(biāo)等仍尚未建立航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣密性檢查的評定方法和試驗(yàn)規(guī)范。本文從商用發(fā)動(dòng)機(jī)研制需求出發(fā)，制定了一套涵蓋設(shè)計(jì)、裝配和試驗(yàn)整個(gè)研制階段的發(fā)動(dòng)機(jī)氣密性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證思路：主動(dòng)策劃典型結(jié)構(gòu)泄漏特性研究、并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化;策劃發(fā)動(dòng)機(jī)多層級的打壓試驗(yàn)、提前識別泄漏風(fēng)險(xiǎn);建立發(fā)動(dòng)機(jī)泄漏影響分析方法和評估模型;利用打壓方案支撐進(jìn)行試驗(yàn)過程中的漏油問題排故等。構(gòu)建氣密性設(shè)計(jì)、仿真、試驗(yàn)耦合的多學(xué)科研究體系，以支撐發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，為提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能、可靠性和安全性奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

Abstract： Leakage has an important impact on the performance， safety and service life of aero-engine. However， the evaluation method and test specification for air tightness inspection of aero-engine have not been established in domestic military standard and navigation standard. Based on the requirements of commercial engine development， a set of ideas of engine air tightness design and verification covering the whole development stage of design， assembly and test is formulated in this paper： actively planning the research on leakage characteristics of typical structure and optimizing the structure; Plan multi-level pressure test of engine and identify leakage risk in advance; The analysis method and evaluation model of engine leakage impact are established; Using the pressure scheme to support the oil leakage problem in the test process. The multidisciplinary research system of air tightness design， simulation and test coupling is constructed to support engine running test and lay the technical foundation for improving engine performance， reliability and safety.

關(guān)鍵詞： 泄漏;氣密性設(shè)計(jì);多層級打壓

Key words： leak;air tightness design;multi level pressure

中圖分類號：V231.96? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）19-0001-03

0? 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，由于內(nèi)流與外流存在較大的壓力差，在機(jī)匣安裝邊、測量傳感器安裝座、幾何可調(diào)機(jī)構(gòu)等處不可避免地會(huì)存在漏氣現(xiàn)象，大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)末級每1%的漏氣會(huì)使推力降低1.1%，高壓渦輪進(jìn)口溫度升高約12K。過量的、非正常漏氣對發(fā)動(dòng)機(jī)性能、可靠性和安全性等會(huì)產(chǎn)生較大影響。發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)非設(shè)計(jì)的氣體泄漏將直接導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率下降，整機(jī)推力降低，甚至引起壓氣機(jī)失速/喘振等損壞發(fā)動(dòng)機(jī)的惡劣故障;高溫氣體泄漏還可能產(chǎn)生倒灌入低溫部件或發(fā)動(dòng)機(jī)核心艙中，燒蝕低溫部件而影響發(fā)動(dòng)機(jī)壽命，甚至引起火災(zāi)，后果不堪設(shè)想。

近期，在某型號發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程的試車環(huán)節(jié)，頻繁暴露出發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣問題，由于缺乏發(fā)動(dòng)機(jī)氣密性檢查的手段而始終未確認(rèn)過發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)物結(jié)構(gòu)的密封狀態(tài)，而現(xiàn)階段泄漏問題涉及的零部件較多且影響范圍較廣，問題集中暴露在靠后端的試車階段，不僅嚴(yán)重影響了型號研制和試驗(yàn)進(jìn)程，而且反復(fù)繁雜的故障排查和結(jié)構(gòu)改進(jìn)工作也耗費(fèi)了巨大的人力物力，造成研制任務(wù)的開展非常被動(dòng)。因此，在項(xiàng)目研制過程中不斷積累經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，有組織的策劃開展航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和試驗(yàn)驗(yàn)證工作刻不容緩。

經(jīng)調(diào)研，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)便有氣密性設(shè)計(jì)和過程控制方法研究[1][2]。針對航空發(fā)動(dòng)機(jī)，美國早在E3項(xiàng)目中就開展了發(fā)動(dòng)機(jī)氣密性試驗(yàn)，并在后續(xù)型號研制過程中不斷完善氣密性評定方法。而我國目前軍標(biāo)、航標(biāo)等仍尚未建立航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣密性檢查的評定方法和試驗(yàn)規(guī)范，甚至尚未開展過任何型號發(fā)動(dòng)機(jī)的氣密性檢查試驗(yàn)。

本文主要研究制定一套貫穿設(shè)計(jì)、裝配和試驗(yàn)的氣密性設(shè)計(jì)和驗(yàn)證方法，從在正向設(shè)計(jì)中考慮氣密性設(shè)計(jì)主動(dòng)策劃典型結(jié)構(gòu)泄漏特性試驗(yàn)，到采取方案提前識別泄漏位置獲取泄漏量，基于泄漏檢查形成泄漏對發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的評估方法等維度，開展對發(fā)動(dòng)機(jī)氣密性設(shè)計(jì)和泄漏影響評定的研究，對于填補(bǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)泄漏檢查、評估的空白、促進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)研制具有重要意義。

1? 總體思路

為了降低發(fā)動(dòng)機(jī)型號泄漏問題的困擾，需要對發(fā)動(dòng)機(jī)氣密性設(shè)計(jì)提前策劃實(shí)施。本文主要制定了一套涵蓋設(shè)計(jì)、裝配和試驗(yàn)整個(gè)研制階段的發(fā)動(dòng)機(jī)氣密性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證思路。

①在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)階段，考慮發(fā)動(dòng)機(jī)氣密性設(shè)計(jì)。針對典型的密封結(jié)構(gòu)主動(dòng)策劃密封特性試驗(yàn)，提升發(fā)動(dòng)機(jī)氣密性設(shè)計(jì)，形成典型密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，以指導(dǎo)后期進(jìn)行氣密性設(shè)計(jì)或指導(dǎo)進(jìn)行密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

②在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配階段，策劃多層級打壓試驗(yàn)，提前識別泄漏。摸索制定一套從組件級到部件系統(tǒng)級再到整機(jī)級的“多層級”打壓試驗(yàn)方案、試驗(yàn)流程和要求，用于識別發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)物狀態(tài)下的泄漏位置和獲取泄漏數(shù)據(jù)，進(jìn)而反向支持典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及試驗(yàn)評估。

③在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)階段，運(yùn)用打壓試驗(yàn)支撐試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。通過搭建數(shù)值仿真模型，分析多層級打壓試驗(yàn)結(jié)果的非設(shè)計(jì)泄漏量對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，判斷泄漏量是否滿足性能要求，進(jìn)而用于發(fā)動(dòng)機(jī)性能模型的修正;相反，發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)也將反過來不斷校核非設(shè)計(jì)泄漏影響評估。針對試驗(yàn)過程中的漏油漏氣問題，也可通過打壓試驗(yàn)進(jìn)行位置判別和后續(xù)試驗(yàn)方案指導(dǎo)。

2? 發(fā)動(dòng)機(jī)氣密性設(shè)計(jì)

關(guān)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型結(jié)構(gòu)的氣密性設(shè)計(jì)，吳立夫、李傳喜等進(jìn)行機(jī)匣安裝邊的密封特性研究[3][4];艾延延等對安裝邊螺栓連接密封特性進(jìn)行了研究[5];陳芝來等對管路連接密封特性進(jìn)行了研究[6]。但未對機(jī)匣安裝座、測試引線座以及及其他航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的典型密封結(jié)構(gòu)件進(jìn)行系統(tǒng)性的密封特性研究。為了提升發(fā)動(dòng)機(jī)氣密性設(shè)計(jì)，針對航空發(fā)動(dòng)機(jī)上典型密封結(jié)構(gòu)，比如法蘭安裝座結(jié)構(gòu)、機(jī)匣安裝邊連接結(jié)構(gòu)和測試引線座等，系統(tǒng)策劃實(shí)施典型密封結(jié)構(gòu)特性試驗(yàn)探索其設(shè)計(jì)原則和泄漏特性，依據(jù)典型結(jié)構(gòu)泄漏特性試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果優(yōu)化密封結(jié)構(gòu)正向設(shè)計(jì)方案。

①針對法蘭安裝座通過不同密封形式、不同安裝座結(jié)構(gòu)形式及不同密封件等變量，開展不同環(huán)境參數(shù)下的打壓試驗(yàn)，獲取不同結(jié)構(gòu)形式及環(huán)境變量下的泄漏特性。

②針對測試接口形式，設(shè)計(jì)不同的測試引線座封堵結(jié)構(gòu)形式，獲取各封堵結(jié)構(gòu)的密封性，以指導(dǎo)后續(xù)測試封堵方案設(shè)計(jì)。

③針對其他航空發(fā)動(dòng)機(jī)具有典型泄漏特性件，比如VSV結(jié)構(gòu)、管接頭等結(jié)構(gòu)，進(jìn)行特性研究。

目前共策劃約20項(xiàng)典型結(jié)構(gòu)特征的泄漏特性研究試驗(yàn)。

3? 發(fā)動(dòng)機(jī)打壓試驗(yàn)

3.1 多層級打壓試驗(yàn)方案

發(fā)動(dòng)機(jī)零部件眾多，加上研制階段的試驗(yàn)件涉及了成百上千個(gè)測試改裝，泄漏位置的精確識別及其困難。為了能高效而系統(tǒng)的評估發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣位置和漏氣量，故策劃設(shè)計(jì)了發(fā)動(dòng)機(jī)打壓試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)泄漏位置快速定位、泄漏量快速獲取。同時(shí)，為了分級校驗(yàn)泄漏位置、提升打壓試驗(yàn)的泄漏檢查精度，獲取各漏氣位置的漏氣量，策劃進(jìn)行組件級、部件系統(tǒng)級和整機(jī)級的分層級打壓試驗(yàn)。各層級分別根據(jù)可能的漏氣位置及不同漏氣位置對發(fā)動(dòng)機(jī)的性能影響而制定具體的打壓方案。

通過上述分層級打壓試驗(yàn)，可得到不同位置的具體漏氣量，由于不同位置的漏氣對發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的評估占比不同，故通過該方法可以得到相對準(zhǔn)確的漏氣位置及漏氣量的分配，便于性能專業(yè)評估。

基于以上實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可進(jìn)一步制定適用于發(fā)動(dòng)機(jī)泄漏檢查的打壓試驗(yàn)流程和規(guī)范。

3.2 結(jié)合打壓結(jié)果優(yōu)化氣密性設(shè)計(jì)

通過對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行打壓試驗(yàn)，識別泄漏位置，分析泄漏產(chǎn)生原因，進(jìn)而進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)、裝配等環(huán)節(jié)，并在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)及裝配中舉一反三，逐步實(shí)現(xiàn)減小泄漏位置及泄漏量。某項(xiàng)目在采用打壓試驗(yàn)后共發(fā)現(xiàn)約30項(xiàng)漏氣現(xiàn)象，主要分布在VSV葉柄、機(jī)匣安裝邊、連接螺栓孔、測試引線座、管路連接安裝邊等位置。收獲的典型設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及裝配經(jīng)驗(yàn)如下：

①對于測試引線安裝座盡量采用單孔單線引線方式，若是在無法采用單孔單線引線方式，應(yīng)在線與線采取封膠或其他方式保證密封。

②連接安裝邊設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意兩邊留有足夠的空間保證連接螺栓的安裝，以避免出現(xiàn)裝配時(shí)發(fā)現(xiàn)安裝螺栓無空間安裝的情況。

③安裝座結(jié)構(gòu)形式應(yīng)根據(jù)使用環(huán)境和座子形式采用合適的密封結(jié)構(gòu)，采取不合適的密封形式極有可能導(dǎo)致泄漏。比如某項(xiàng)目燃燒室機(jī)匣上引氣座安裝座結(jié)構(gòu)形式如下圖所示，配套采用銅材質(zhì)平墊片進(jìn)行密封，矩形長邊中央?yún)^(qū)域螺栓預(yù)緊力作用較弱，無法達(dá)到足夠的壓應(yīng)力，墊片變形不足以消除表面粗糙度、機(jī)加刀紋等微觀缺陷，進(jìn)而導(dǎo)致試車過程中出現(xiàn)泄漏;后修改為C型圈結(jié)構(gòu)形式后，不再出現(xiàn)泄漏。

某項(xiàng)目目前共計(jì)對16項(xiàng)典型漏氣位置進(jìn)行設(shè)計(jì)或裝配優(yōu)化，其中9項(xiàng)已在后續(xù)臺份進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證效果較好;另有7項(xiàng)還在設(shè)計(jì)優(yōu)化中，待設(shè)計(jì)優(yōu)化完成后在后續(xù)臺份進(jìn)行驗(yàn)證。

4? 對整機(jī)試驗(yàn)的支撐

4.1 建立泄漏影響評估方法

在裝配階段通過打壓試驗(yàn)，可獲得發(fā)動(dòng)機(jī)靜態(tài)打壓狀態(tài)下的泄漏位置、泄漏流量等泄漏數(shù)據(jù)，可據(jù)此評估泄漏對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。目前已建立了一套發(fā)動(dòng)機(jī)非設(shè)計(jì)漏氣對性能影響的評估方法和流程：

①基于打壓試驗(yàn)獲取不同界面的漏氣位置和漏氣面積;

②基于上述漏氣位置和漏氣面積評估得到各位置的漏氣量，獲取與W25的關(guān)系;

③基于具體的漏氣量或漏氣比例評估對性能參數(shù)的影響。

通過某項(xiàng)目的評估，壓氣機(jī)出口外漏氣為1%W25時(shí)，會(huì)導(dǎo)致Tt4升高20.15K，SFC增加1.25%，對發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響較大。

該評估方法為發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)性能模型修正提供了有效支撐，也為發(fā)動(dòng)機(jī)試車提前識別了風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 建立高效故障排查定位能力

由于設(shè)計(jì)不完善、裝配不合理或試車狀態(tài)影響等因素，發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)漏油、漏氣故障，對試車進(jìn)度和試車安全產(chǎn)生重大影響。針對泄漏型故障，可利用打壓試驗(yàn)方法，實(shí)現(xiàn)快速泄漏位置定位和零組件損傷排查評定，建立高效泄漏故障排查定位的能力。運(yùn)用該方法為發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)提供故障快速排查以識別風(fēng)險(xiǎn)的有力支撐。

某項(xiàng)目試車過程中，在完成起動(dòng)試驗(yàn)停車檢查后發(fā)現(xiàn)滑油箱消耗量6L左右，主流道及引氣管均有明顯的殘留油跡。為快速定位泄漏位置，采用在試車臺上經(jīng)通風(fēng)管供氣對軸承腔進(jìn)行打壓檢查，配套通過孔探儀觀察懷疑漏油位置，最終迅速定位。同時(shí)判斷出泄漏量較大，繼續(xù)試車風(fēng)險(xiǎn)較大，最終總師系統(tǒng)決策下臺分解。采用該方法為項(xiàng)目的開展提供了有力支撐。

5? 結(jié)論

通過本項(xiàng)目的研究，將填補(bǔ)國內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)氣密性正向設(shè)計(jì)、泄漏檢查、泄漏影響評估的空白，預(yù)期將有效的改善發(fā)動(dòng)機(jī)泄漏問題，逐漸完善某型號發(fā)動(dòng)機(jī)氣密性設(shè)計(jì)。通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)、完善裝配和測試、提升泄漏定位能力和提前評估泄漏對性能影響的風(fēng)險(xiǎn)等，降低試車泄漏故障率和風(fēng)險(xiǎn)程度，對發(fā)動(dòng)機(jī)研制的質(zhì)量提升具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

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