淺析氣流溫度及壓力對臺架引射筒裂紋的影響

趙宇 張蔭鰲

摘 要：針對大型引射筒出現裂紋，影響發動機交付的現象，通過對發動機試車臺架引射筒壁面溫度及壓力的測試結果進行分析，進而確定和排除溫度和壓力對筒體裂紋故障的影響，為引射筒裂紋排故工作掃清障礙。

關鍵詞：氣流溫度；壓力；臺架引射筒；裂紋

近年來，隨著發動機推力的不斷提高，試車臺架引射筒（以下簡稱筒體）的破壞程度也日趨嚴重，發動機噴口噴出的高壓、高溫的氣流是否是造成引射筒裂紋的直接原因始終困擾著技術人員。雖然各臺架的引射筒裂紋的方位、截面、方向、大小各不相同，但裂紋的產生均在距引射筒體口10m長度范圍內。為了分析和研究筒體裂紋產生的原因，試驗組決定在某臺架對筒體的內外壁的溫度及筒體內壁感受的壓力（總壓P*、靜壓P）進行試驗研究。

1 試驗目的

測取引射筒不同截面、位置的內壁面所感受的燃氣流溫度t、總壓P*、靜壓P，分析和研究引射筒裂紋產生的原因是否與其有關。

2 試驗方案的選擇

為了防止測試試驗中的盲目布點而對引射筒造成損壞以及由此帶來試驗后的大量修補工作，因此，在筒體壁面打孔時，嚴格控制了開孔的數量及直徑。選點時，采用了主次對比法：選擇了距離筒體口6.8m處的B區即裂紋嚴重的環形帶作為測試的中心區域，并以此處為基準前后展開布，進行溫度變化比較。以此判斷燃氣溫度和壓力是否對筒體產生影響。

3 試驗方法的選擇

為了真實、可靠的測取筒體的內、外壁面溫度，此次選用了筒壁表面敷設熱電偶的測試方法。即根據中間導體定律，將兩根？準0.5mm的E型熱電偶平行、間隔一定距離、分別用儲能點焊機點焊在筒體內外壁面的等溫線上。之后，將偶絲穿上絕緣陶瓷管，由筒體壁面孔引出，與補償導線相連，輸出端接入數采系統。這種敷設法的熱電偶與壁面接觸良好，準確度高。

為了測取筒內各截面總壓P*和靜壓P的數值，采用在筒壁上打孔，將總壓受感部通過焊接在筒體上的安裝座插入筒體內。靜壓感頭平貼在筒體內壁面，轉接部分與筒體外壁焊接。試驗時，氣流壓力由總、靜壓受感部傳送給傳感器，由傳感器轉變為電信號，輸給顯示記錄儀。

4 試驗數據

在試驗中，分別錄取了發動機不同轉速工作狀態時的筒體溫度和壓力。

5 試驗結果的初步分析

（1）由距離筒體進口6.8m處，沿圓周方向的徑向嚴重裂紋區（即B區）作為研究中心，與左右展開的區域測試結果相比較，筒體所感受的輻射溫度是前低后高，上低下高的分布形式。其原因是由于發動機尾噴口噴射出的高壓、高速氣流與引射筒引射部分的靜止氣體（室內空氣）最初有明顯界限的隔熱所致，由于兩股氣流不斷的相互作用，界線逐漸消失，溫度也隨之逐漸提高，筒體外壁溫度并不高。而上低下高的溫度表現形式是由于發動機尾噴口下傾角度所至。測試結果表明筒體B區所感受的最高溫度只有47℃，不屬于高溫、高熱，不具有對筒體材料由急冷急熱所造成的塑性變形而產生疲勞斷裂的能力。

（2）由B區測得的總壓P*和靜壓P均為負壓（低于大氣壓），且幾乎等同。由此表明發動機尾噴口噴出的高壓高速氣流噴入引射筒，在兩股氣流的粘性摩擦和紊流混合過程中伴隨機械能的損失，速度逐漸拉平，且趨近于零，使得總、靜壓近似等同。

（3）僅從B區總壓P*、靜壓P測試的結果還不能作為筒體裂紋的判定依據，只是可以認為靠近筒體內壁的該處氣體是成紊流混合狀態。

6 有關現象的探討

6.1 P*總壓受感部斷裂后從引筒進口竄出現象的分析

安裝在引射筒B區P*總壓受感部，經歷了某發動機的多次試車，次日下午又進行了四種狀態的兩次P*參數測試均為正常。但試車停止15分鐘后，此受感部從根部斷裂，掉下的？準12×2×150的長感頭呈“S”型，兩端變為鈍圓飛出引射筒，掉在發動機間進門左側1M處臺面上。經過對引射筒內壁觀察，斷裂后的受感部在引射筒內運動軌跡。根據引射筒的工作原理和兩股氣流的流動特性而言，即在兩層氣流之間有一個混合區，這就是氣體的粘性對兩層氣流作用的表現。B處靠近壁面的氣流一般不是層狀，氣體微團有明顯亂竄，而且做著雜亂無章的運動，形成了紊流混合，噴流經過紊流混合，帶動了一部分外界氣體，同時也帶動了斷裂掉下的受感部向后移動，當噴流后移的能量逐漸減退至與受感部重量等同時，后移運動停止，由于射流與紊流的壓差作用，使之貼靠筒壁，這時氣體的反壓作用又使感頭貼靠壁面開始向引射筒的進口方向游動。由于距進口5.7m處有凸起的筒體接縫焊道阻礙，使之感頭往返碰擊凸起的焊道，當反壓進一步加大，使感頭彈射到對面的筒壁上，之后繼續向引射筒體進口方向游動，直至從筒體口竄出。

這種現象目前只是從理論上所做的有限解釋。其實兩股氣流的混合過程十分復雜，迄今對于混合過程的內布過程，人們還在繼續進行不斷研究。真實現象還有待今后的大量試驗加以確認。同理可證，我們曾插入發動機擴散器的T4*熱電偶斷裂后直接吹到了引射筒里邊。順理成章，解釋就較容易了。

6.2 超音速噴口波系的影響分析

由于某發動機尾噴口均采用了收斂--擴張式超音速噴口，噴出的超音速氣流往往會根據不同的外界壓強情況，在噴口處出現激波或膨脹波。這些波和噴流的自由邊界相交后會發生反射，成為復雜的波系。然而，是超臨界波系還是亞臨界波系，是否還隨發動機的工作狀態變化而改變，目前均未確定。但是，根據超音速噴流特性，以及等截面混合引射筒的性能有關資料介紹，當引射筒進口的靜壓PH大于噴射流出口的靜壓（PH>PS）時，往往產生的是亞臨界波系。在筒體上半圓產生的間斷性的裂紋特性和斷續的長度范圍與其基本相似。由于激波與膨脹波系在引射筒的反射，來回的振蕩，同時對周圍的氣體產生的擾動和傳播，使整個引射筒體內的氣流參數都因此而變化。當激波突增的壓強超過一定的量級，長此以往就會振壞周圍的物體。且M數越大，距離越近，則影響也相應增大，尤其是低頻、大振幅的振動其危害程度更大。

6.3 波系長度的分析

從多個試車臺架引射筒裂紋的特征來看，其中幾個臺架的引射筒裂紋均產生在喇叭口里邊，唯有直徑更大的臺架筒體的裂紋從喇叭口處開始有裂紋且較為嚴重。經實地測量發動機尾噴口與引射筒入口的距離分別尾2M、2M、1.85M、1.87M、1.7M。如果利用空氣動力學M數的概念初步估算波形邊界長度的量級，在軸對稱的超音速噴流成波浪形狀時，它的起伏長度L是：

L=1.3 D0（M12-1）1/2

D0-尾噴口直徑

這種估算如能成立，筒體進口處裂紋的受損程度也就不難理解了。而筒體內裂紋的方向，無論是沿徑向，還是沿周向，初步認為是由筒體板材制造加工過程中，組織結構的方向所決定。

6.4 P*總壓受感部斷裂的分析

在試驗中，不僅P*總壓受感部發生了斷裂，同時，P靜壓受感部與筒體外壁的焊接也曾發生過開焊；轉接嘴的根部也有過斷裂等現象。斷裂的P*總壓感頭送交理化進行斷口分析，結論為疲勞斷裂。而振源只能認為是超音速射流產生的波系能量所致。

以上分析只是憑借有關方面的資料介紹，加以推論，實質性的現象和最終的結論還需進一步試驗確認。