某型渦軸核心機(jī)試車臺(tái)架關(guān)鍵件設(shè)計(jì)

唐利軍 許明文

摘 要

試車臺(tái)架是安裝和固定發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)架，是發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)最重要的組成單元。本文介紹了某型渦軸核心機(jī)試車臺(tái)架關(guān)鍵件的設(shè)計(jì)依據(jù)和臺(tái)架結(jié)構(gòu)。按照核心機(jī)試驗(yàn)過程中的最高試車載荷，對(duì)試車臺(tái)架關(guān)鍵零部件彈簧片、主安裝節(jié)進(jìn)行了計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果表明該設(shè)計(jì)符合試驗(yàn)要求。

關(guān)鍵詞

核心機(jī);試車臺(tái)架;關(guān)鍵件;設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： V263.47 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 08 . 25

Abstract

Test bench， a frame for installing and fixing the engine， is the most important component of the test bed for engine. The design of foundation and structural of the test bench for a gas generator on a turboshaft engine are introduced in this study. The spring blades and installation node of the crucial parts were calculated and analyzed under the condition of the maximum test load.

Key words

Gas generator; Test bench; Critical parts; Design

0 前言

核心機(jī)是燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)最重要的組成部分，包含了發(fā)動(dòng)機(jī)壓力最大、溫度和轉(zhuǎn)速最高的部件。以美國GE公司ATEGG計(jì)劃為代表，從1963年開始第一代核心機(jī)研究，近半個(gè)世紀(jì)的研制實(shí)踐證明，核心機(jī)試驗(yàn)研究是發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)研和型號(hào)研制不可缺少的重要階段，在發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中發(fā)生的80%以上的技術(shù)問題都與核心機(jī)密密切相關(guān)[1]。

為縮短發(fā)動(dòng)機(jī)研制周期，提前暴露問題，調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)性能，解決三大部件之間的性能匹配性和協(xié)調(diào)性等一系列問題需要進(jìn)行大量的核心機(jī)地面試驗(yàn)研究。設(shè)計(jì)和建設(shè)核心機(jī)地面科研試驗(yàn)臺(tái)是發(fā)動(dòng)機(jī)順利研制的重要條件。核心機(jī)試驗(yàn)臺(tái)最關(guān)鍵的組成單元是試車臺(tái)架，試車臺(tái)架最重要的關(guān)鍵件是彈簧片和主安裝節(jié)，彈簧片連接動(dòng)架和靜架，主安裝節(jié)用于安裝和固定發(fā)動(dòng)機(jī)。

本文主要介紹了某型渦軸核心機(jī)試車臺(tái)架中動(dòng)、靜架間的連接彈簧片和主安裝節(jié)的設(shè)計(jì)。

1 設(shè)計(jì)依據(jù)

渦軸核心機(jī)試車臺(tái)架設(shè)計(jì)遵循《航空發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車臺(tái)通用要求》（GJB 5543-2006）和《航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)設(shè)計(jì)規(guī)程》（GB 50454-2008）的規(guī)定，臺(tái)架零部件設(shè)計(jì)遵循可靠性、工藝性、實(shí)用性、適應(yīng)性等原則[2-3]：

（a）可靠性：能承受發(fā)動(dòng)機(jī)在各種條件下可能產(chǎn)生的最高試車載荷，以及發(fā)動(dòng)機(jī)葉片斷裂、發(fā)動(dòng)機(jī)喘振等因素產(chǎn)生的短時(shí)間破壞載荷;滿足臺(tái)架結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、可靠性設(shè)計(jì)要求;

（b）工藝性：臺(tái)架的主體結(jié)構(gòu)不得對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流暢造成擾流和流暢畸變;

（c）實(shí)用性：臺(tái)架結(jié)構(gòu)應(yīng)緊湊、簡單、實(shí)用，安裝維修和使用操作方便;

（e）適應(yīng)性：臺(tái)架應(yīng)按照發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝支架和安裝節(jié)的形式和尺寸合理的固定發(fā)動(dòng)機(jī)，并能適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)改型發(fā)展需求。

2 試車臺(tái)架結(jié)構(gòu)簡介

試車臺(tái)架設(shè)計(jì)為屋頂懸掛式結(jié)構(gòu)，主要由靜架、動(dòng)架、彈簧片、發(fā)動(dòng)機(jī)掛架及進(jìn)氣系統(tǒng)等組成，如圖1所示。靜架通過螺栓固定在試驗(yàn)間屋頂預(yù)埋基礎(chǔ)上，動(dòng)架通過4塊彈簧片與靜架相連，發(fā)動(dòng)機(jī)掛架安裝在動(dòng)架上。臺(tái)架主體構(gòu)件固定在試驗(yàn)間上部，試驗(yàn)間下部空間寬敞、整齊，氣流場較通順;容易實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在臺(tái)架上快速裝卸。

靜架和動(dòng)架主材采用結(jié)構(gòu)用矩形冷彎空心型鋼，并經(jīng)整體時(shí)效處理消除內(nèi)應(yīng)力和穩(wěn)定尺寸，使得在長期使用過程中能夠保持其幾何精度。

靜架和動(dòng)架之間設(shè)置4個(gè)保險(xiǎn)栓裝置，單個(gè)保險(xiǎn)栓可以承受8噸重量的動(dòng)載荷剪切力。當(dāng)彈簧片發(fā)生意外斷裂時(shí)，動(dòng)架、發(fā)動(dòng)機(jī)掛架和發(fā)動(dòng)機(jī)均可通過保險(xiǎn)栓裝置保持在臺(tái)架上，不會(huì)墜落。

按照核心機(jī)結(jié)構(gòu)形式，在發(fā)動(dòng)機(jī)掛架上加裝適應(yīng)該渦軸核心機(jī)的主安裝座，主安裝座采用座蓋與底座相扣的形式，主安裝座與主安裝節(jié)間通過關(guān)節(jié)軸承連接，主安裝節(jié)與發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩管法蘭面連接。通過對(duì)安裝座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主安裝節(jié)采用一端固定，一端可伸縮的結(jié)構(gòu)，且均含關(guān)節(jié)軸承，以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的徑向微量熱膨脹及因軸向熱膨脹所產(chǎn)生發(fā)動(dòng)機(jī)在鉛垂面上的微量偏擺需求，主安裝節(jié)作為主要受力件，同時(shí)承受發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的水平推力和發(fā)動(dòng)機(jī)固有重力。

輔助支點(diǎn)左右對(duì)稱與核心機(jī)輔助安裝節(jié)相連接，采用左右對(duì)稱方式從側(cè)下方支撐核心機(jī)，支撐拉桿長度可調(diào)，兩端均配備關(guān)節(jié)軸承，用以同時(shí)滿足發(fā)動(dòng)機(jī)安裝時(shí)水平調(diào)節(jié)的要求和發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)沿軸向與徑向的微量熱膨脹要求。

動(dòng)、靜架間的連接彈簧片和主安裝節(jié)是核心機(jī)試車臺(tái)架最重要的關(guān)鍵件。

3 彈簧片受力分析

試車臺(tái)架前、后各配置2塊彈簧片。發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的推力（F）由兩個(gè)推力傳感器測量并傳遞至靜架。

彈簧片的最小橫截面尺寸為240×3mm，材料為60Si2MnA，其抗拉強(qiáng)度極限=1570MPa。試車臺(tái)架安裝對(duì)象為某型渦軸核心機(jī)，最大設(shè)計(jì)推力為3750N，考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)改型及適應(yīng)小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)要求，臺(tái)架承受的設(shè)計(jì)推力35kN。彈簧片受力計(jì)算分析按照發(fā)動(dòng)機(jī)不工作狀態(tài)和工作狀態(tài)進(jìn)行。

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)不工作狀態(tài)

設(shè)動(dòng)架與掛架的總重為3600kg，發(fā)動(dòng)機(jī)重量為300kg，則總重力P=3900×9.8=38220N。此時(shí)推力F=0，作用在彈簧片上的力只有總重力P=38220N。根據(jù)彈簧片受力情況，前彈簧片受力F1，后彈簧片受力F2，受力分析如圖2所示。

5 試車臺(tái)架應(yīng)用

試車臺(tái)架建設(shè)完畢后進(jìn)行了以某型渦軸核心機(jī)為試驗(yàn)對(duì)象的車臺(tái)質(zhì)量認(rèn)證試驗(yàn)，包括性能試驗(yàn)、穩(wěn)定性檢查試驗(yàn)、重復(fù)性檢查試驗(yàn)等，試驗(yàn)結(jié)果表明該試車臺(tái)架的功能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

6 總結(jié)

某渦軸核心機(jī)試車臺(tái)架關(guān)鍵件按照可靠性、實(shí)用性、工藝性和適應(yīng)性原則設(shè)計(jì)。試車臺(tái)架為屋頂懸掛式結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵零部件彈簧片受力分析計(jì)算結(jié)果表明其具有較大的抗拉強(qiáng)度裕度，可滿足35kN推力以下發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)要求。采用有限元方法對(duì)主安裝節(jié)進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選用符合EGD-3疲勞應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)。臺(tái)架關(guān)鍵件設(shè)計(jì)均滿足某渦軸核心機(jī)試驗(yàn)技術(shù)要求，為核心機(jī)地面科研試驗(yàn)臺(tái)的建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]尹澤勇，曾源江，石建成，羅安陽.渦軸（渦槳）/渦扇（渦噴）發(fā)動(dòng)機(jī)通用核心機(jī)技術(shù)[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2008.

[2]GJB 5543-2006.航空發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車臺(tái)通用要求[S].

[3]GJB 50454-2008.航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)設(shè)計(jì)規(guī)程[S].