航空發動機清洗車噴液罐設計

秦崢嶸，劉元周，曹慶宇，吉海云

（沈陽發動機研究所，沈陽110015）

0 引 言

飛機發動機在各種復雜的自然環境下長期使用，必然會導致在發動機內積存各種固態或液態雜質，當這些雜質積存量達到一定的程度時勢必會改變發動機葉片的工作環境，造成葉片通道的流通能力下降，進而引起葉片的強度下降、空氣流場的改變并導致工作效率下降，最終使得整機推力降低、耗油率升高，此外還可能引發疑難故障（如發動機喘振），甚至影響飛行安全。因此對發動機氣流通道定期進行清洗以恢復發動機整機性能是十分必要的[1]。

發動機清洗車是發動機流道清洗必備的設備，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]。本文結合某型發動機清洗車的設計背景，對該清洗車中的噴液罐設計過程進行詳細介紹。

1 噴液罐功能設計

1)噴液罐有效體積不小于240 L，設計壓力不低于0.6 MPa。2)噴液罐加水口應設置濾網，防止雜物進入噴液罐內。3)排水口出口應設置過濾裝置，取水口應位于噴液罐的下部，避免混入氣體并增加有效體積。4)噴液罐應設置排液口，用于排出使用后罐內剩余液體和清洗罐內表面時排污水。排液口的設置應方便操作，且能將罐內液體全部排出。5)噴液罐設置排氣閥，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警功能。7)噴液罐應具備液位、壓力顯示及超壓保護功能。

2 噴液罐結構設計

噴液罐結構如圖1 所示，噴液罐由上、下2 個標準橢圓封頭及直筒段焊接而成，其中直筒段的內徑為500 mm，高度為530 mm，整個噴液罐容積約為152 L，使用2個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，用來補充清洗用液體和對噴液罐內部進行清理；出液口位于側上方，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；噴液罐通過高壓氮氣為噴液罐增加壓力，最高壓力可達0.6 MPa，加壓氣入口置于噴水罐上部，此外在上部還設置了排氣口。采用壓力表顯示壓力，采用聯通式液位計來顯示噴液罐內液體的液位；采用電接點溫度表和溫度控制系統配合使用來控制罐內液體的溫度，罐體內液體溫度一般控制在65～85 ℃之間。排液口設置在噴液罐的最低點，并配有球閥用于排出罐內液體。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有安全閥，以保證罐內壓力不超過0.6 MPa。2 個噴液罐牢固地安裝于移動車體上，以方便在不同地點的發動機清洗工作。

3 噴液罐設計

3.1 噴液罐壁厚計算

噴液罐的壁厚是噴液罐的關鍵參數之一，該參數的計算關系到噴液罐的安全性，罐體材料采用06Cr19Ni10。按照設計要求，該噴液罐設計壓力為0.6 MPa,罐體壁厚計算參照GB 150 標準，分別計算圓筒和封頭部分的壁厚。

圖1 噴液罐結構

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

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

將以上參數代入式（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計裕度，取罐體厚度δ=3 mm。

3.2 封頭設計計算

根據直筒的內徑尺寸，通過查表初步確定出標準橢圓形封頭內壁曲面高度為125 mm，按式(3)可計算出標準橢圓形封頭的形狀系數K為1。選擇封頭與圓筒壁厚相同，安全系數取2，代入式(2)，計算得到封頭可承受的壓力為1.1 MPa，遠高于設計壓力0.6 MPa。

3.3 水壓試驗壓力校核

噴液罐設計壓力P為0.6 MPa，按照GB 150要求，水壓試驗按照設計壓力的1.25倍進行打壓，需對打壓狀態下噴液罐強度進行校核，當σT≤[σ]T時，罐體強度滿足要求，其中σT為試驗壓力下的圓筒應力，[σ]T為水壓試驗下圓筒許用應力水平。試驗壓力下σT根據下式計算：

其中，σs為試驗溫度下材料的下屈服點，取σs= 205 MPa。

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

3.4 噴液罐開孔設計

3.4.1 開孔原則

橢圓封頭開孔及直筒段上開孔范圍應遵循在殼體上開孔的最大直徑不得超過以下數值：對于圓筒，當其內徑d≤1500 mm時，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，橢圓形封頭上開孔的孔邊，或外加補強元件的邊緣與封頭邊緣間的投影距離不小于0.1Di。

根據開孔范圍要求，設計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，分別為加液口、出液口、進氣口、排氣口、壓力表、溫度表、安全閥及液位計的上安裝口，下橢圓封頭2 個開孔分別為液位計下安裝孔和排液口，圓柱筒體開孔1 個，為電加熱器開孔，各開孔直徑數值如表1 所示。

圖2 噴液罐開孔布置

3.4.3 開孔補強及強度校核

根據機械設計手冊，符合下列情況的開孔，可不考慮進行補強：在圓筒體、球體、錐體及凸形封頭（以封頭中心為中心的80%封頭內直徑范圍內）上，焊相應接管。根據機械設計手冊表32.2-44[4]，壓力不大于0.6 MPa，筒體內直徑不大于1000 mm，厚度系數為1.0的開口接管小于φ57 mm×5 mm的不需要補強。

根據以上要求，本噴液罐僅需要對橢圓封頭φ91加液口開孔和直筒段φ70電加熱器開口處進行補強。

圓筒或球殼開孔所需補強面積按下式計算：

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

根據式（6），噴液罐加液口開孔和電加熱器開孔補強面積有：1）加液口補強面積A1=91×3+2×3×（3-0.28）×(1-1)=273 mm2；2）加熱器開孔補強面積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計

罐內120 L熱水溫度從85 ℃下降至65 ℃時，所釋放熱量計算公式為

4 結 語

本文根據某型發動機清洗車噴液罐設計要求，對罐體設計計算過程進行梳理，從噴液罐壁厚設計、強度校核、開孔設計、保溫層厚度計算等4 個方面對噴液罐進行了詳細介紹，設計出滿足使用要求的噴液罐，為后續同類清洗噴液罐的設計提供了參考。