機(jī)匣高溫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)加溫方法研究

劉 韜，蘇 軍，程歡歡，霍成民，佟貴生，王 迪

(中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所，遼寧 沈陽 110015)

機(jī)匣是航空發(fā)動機(jī)的重要組成部件，起到構(gòu)建氣流通道，傳遞發(fā)動機(jī)推力，固定葉片、附件等作用[1-2]。機(jī)匣在工作狀態(tài)下主要承受氣體負(fù)荷、質(zhì)量慣性力、熱負(fù)荷、聲負(fù)荷以及一些裝配應(yīng)力等[3]。由于機(jī)匣類部件結(jié)構(gòu)和受力狀態(tài)十分復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度很難通過模擬計算準(zhǔn)確得出，因此在研制過程中需要進(jìn)行大量靜力、疲勞試驗(yàn)，以驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足設(shè)計要求。目前，航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣類部件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)多在室溫環(huán)境下進(jìn)行，但對于渦輪后機(jī)匣、燃燒室機(jī)匣等長期工作在高溫環(huán)境下的熱端部件，為更好地模擬其實(shí)際工作狀態(tài)，需要進(jìn)行高溫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)。與在室溫下進(jìn)行的試驗(yàn)相比，高溫試驗(yàn)在設(shè)計和進(jìn)行過程中，除了要考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、加載方式、加載協(xié)調(diào)性等方面問題外，還需要考慮加溫方式、溫度測量與控制、設(shè)備冷卻等問題。

目前，對于航空發(fā)動機(jī)零部件的高溫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)，國內(nèi)已進(jìn)行了一系列研究和實(shí)踐，多種加溫技術(shù)被應(yīng)用于相關(guān)試驗(yàn)中。張東明等人采用電磁感應(yīng)加溫法對航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片進(jìn)行加溫，完成了900 ℃下的葉片振動疲勞試驗(yàn)[4]。蒲芬彩等人采用電磁感應(yīng)加溫法結(jié)合紅外測溫技術(shù)完成了發(fā)動機(jī)輪盤高溫疲勞試驗(yàn)[5]。劉佳等人采用石英燈輻射加溫結(jié)合氣化液氮、噴水強(qiáng)制冷卻的方法，進(jìn)行了發(fā)動機(jī)渦輪葉片輻射熱沖擊疲勞試驗(yàn)[6]。米澤清等人在壓氣機(jī)第四級盤高溫低循環(huán)疲勞試驗(yàn)中采用電阻爐對試驗(yàn)件施加了均勻溫度場[7]。而有關(guān)航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣類部件高溫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)的內(nèi)容，目前國內(nèi)外還鮮有文獻(xiàn)提及。

本文通過對比分析目前在航空發(fā)動機(jī)零部件試驗(yàn)中較為常用的加溫方法，選擇出一種適用于均布穩(wěn)態(tài)溫度場下機(jī)匣結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)的加溫方法，并對相應(yīng)加溫裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了介紹。同時提出了一種針對復(fù)雜構(gòu)件均布穩(wěn)態(tài)溫度場加溫誤差的分析方法，推導(dǎo)出判斷測量系統(tǒng)是否存在系統(tǒng)誤差的判別因子μ，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對某型發(fā)動機(jī)渦輪后機(jī)匣高溫靜力試驗(yàn)的加溫誤差進(jìn)行了分析。最后，根據(jù)誤差分析結(jié)果，提出了一系列降低機(jī)匣高溫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)均布穩(wěn)態(tài)溫度場加溫誤差的方法。

1 加溫方式選擇

在某型發(fā)動機(jī)渦輪后機(jī)匣高溫靜力試驗(yàn)中需要對試驗(yàn)件施加均布穩(wěn)態(tài)溫度場，即要求在整個試驗(yàn)過程中試驗(yàn)件各部位溫度保持穩(wěn)定且一致。對于航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣這類大型、復(fù)雜構(gòu)件，在選擇加溫方式時首先要保證空間上良好的加溫均勻性，以及一段時間內(nèi)試驗(yàn)件不發(fā)生較大的溫度波動。其次，由于是在工程試驗(yàn)中應(yīng)用，所選擇的加溫方式及相應(yīng)加溫裝置結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡單可靠，以保證試驗(yàn)長期穩(wěn)定運(yùn)行。最后，針對試驗(yàn)過程中可能發(fā)生的由于試驗(yàn)件破壞、碎片飛出造成加溫設(shè)備損壞漏電，以及高溫泄漏造成人員燙傷等情況，選擇的加溫方式還應(yīng)具有相應(yīng)的安全性。

目前，在工程試驗(yàn)中較為常用的加溫方法有以下幾種：

1)電磁感應(yīng)加溫法

這種加溫方法是通過交變磁場使含鐵質(zhì)材料產(chǎn)生感應(yīng)電渦流，實(shí)現(xiàn)對物體的加熱。這種加溫方法具有非接觸、加熱速度快、可實(shí)現(xiàn)局部加熱等特點(diǎn)[8]。但由于電磁感應(yīng)的集膚效應(yīng)，影響加溫的深度和深度方向的溫度分布，這種方法更適合對渦輪葉片等小尺寸構(gòu)件進(jìn)行加溫[9-10]。

2)石英燈陣加溫法

這種方法通過石英燈的熱輻射對試驗(yàn)件進(jìn)行加溫，可根據(jù)被加溫物體形狀制作相應(yīng)的石英燈組，并通過可控硅進(jìn)行分區(qū)控溫，實(shí)現(xiàn)梯度溫度場的施加。石英燈陣加溫法具有加溫快、熱效率高、熱慣性小等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境[11-13]。但這種加溫方法通常需要將石英燈組直接照向被加溫表面，而對于零部件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)，一旦試驗(yàn)件或工裝發(fā)生破壞并有碎片飛出，可能會造成石英燈組的損壞，影響試驗(yàn)安全。

3)電阻加溫法

這種加溫方法是利用電流通過導(dǎo)體的焦耳效應(yīng)使加溫元件升溫，加溫元件再通過輻射、熱傳導(dǎo)和對流等傳熱方式對工件進(jìn)行加溫。電阻加溫法廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)，具有結(jié)構(gòu)簡單可靠、成本低、功率大等優(yōu)點(diǎn)[14-15]，但也存在熱慣性大等問題。對于穩(wěn)態(tài)均布溫度場的施加，布置在周圍的電阻加溫管會使試驗(yàn)件局部溫度過高，影響加溫均勻性；同時，在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)中存在試驗(yàn)件斷裂破壞的風(fēng)險，可能造成加溫管的損壞、漏電，存在一定安全隱患。

4)高溫氣體加溫法

這種方法可以認(rèn)為是一種間接的電阻加溫法，即首先通過電阻加溫爐將空氣加熱，再通過鼓風(fēng)系統(tǒng)將熱空氣鼓入加溫腔，對試驗(yàn)件進(jìn)行加溫。這種方法不僅具有電阻加溫法的優(yōu)點(diǎn)，而且由于高溫氣體具有更好的流動性，其加溫均勻性也更好。同時，這種方法可使電阻加溫管遠(yuǎn)離試驗(yàn)件，保證了試驗(yàn)的安全性。

因此，高溫氣體加溫法更適合穩(wěn)態(tài)均布溫度場下的機(jī)匣高溫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)。

2 加溫裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

高溫氣體加溫法的加溫裝置結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，其主要由電阻加熱爐、保溫罩、風(fēng)機(jī)和管道等部分組成。保溫罩和加溫裝置底座組成加溫腔，試驗(yàn)件在保溫腔內(nèi)進(jìn)行加溫。保溫罩采用可旋轉(zhuǎn)對開式結(jié)構(gòu)，便于試驗(yàn)件安裝并滿足不同角度載荷的加載。電阻加溫爐、風(fēng)機(jī)安裝在保溫罩上，可有效節(jié)省空間并減少加溫過程中的熱損失。

圖1 加溫裝置結(jié)構(gòu)示意圖

加溫時，電阻加溫爐首先將空氣加溫；加溫后的熱空氣被風(fēng)機(jī)鼓入加溫腔內(nèi)，以“切向進(jìn)氣，下進(jìn)上出”的形式從保溫罩底部進(jìn)入加溫腔，并在加溫腔內(nèi)形成環(huán)流，對加溫腔內(nèi)的機(jī)匣試驗(yàn)件進(jìn)行加溫；加溫腔內(nèi)的空氣從頂部排出至電阻加溫爐，進(jìn)行加溫后再次進(jìn)入加溫腔，從而形成加溫裝置內(nèi)的高溫氣體循環(huán)，如圖3所示。電阻加溫爐出口處布置有熱電偶，用以監(jiān)測高溫氣體溫度。

圖3 高溫氣體流動路徑示意圖

由于高溫氣體加溫法具有較大的熱慣性，試驗(yàn)件的升、降溫較慢，若加溫系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，可能引起試驗(yàn)件溫度大幅震蕩，造成超溫。為此，加溫系統(tǒng)采用開環(huán)控制的方法，即高溫氣體溫度由布置在電阻加溫爐出口的熱電偶監(jiān)測，試驗(yàn)件溫度由布置在其上的熱電偶測量，加溫系統(tǒng)操作人員根據(jù)試驗(yàn)件的溫度反饋調(diào)節(jié)高溫氣體溫度，直至試驗(yàn)件達(dá)到目標(biāo)溫度。

3 加溫誤差

3.1 加溫誤差的定義

在試驗(yàn)過程中需要對試驗(yàn)件進(jìn)行加溫，溫度可以看作試驗(yàn)載荷的一種。由于多種因素的影響，會造成加載在試驗(yàn)件上的實(shí)際溫度與目標(biāo)溫度之間存在差異，稱之為加溫誤差。引起加溫誤差的因素除了測試儀器本身的誤差外，還包括由于試驗(yàn)方法、環(huán)境影響和人為因素等引起的試驗(yàn)件實(shí)際溫度與目標(biāo)溫度間的差異。

根據(jù)誤差的性質(zhì)和產(chǎn)生原因可將誤差分為三大類：隨機(jī)誤差、系統(tǒng)誤差和粗大誤差。其中，隨機(jī)誤差是由很多暫時未能掌握或不便掌握的微小因素構(gòu)成，這種誤差在單次試驗(yàn)中具有不確定性，但其總體具有統(tǒng)計規(guī)律性；系統(tǒng)誤差主要由測量儀器不良、試驗(yàn)環(huán)境改變、試驗(yàn)人員的習(xí)慣和偏向等因素引起，在同一組試驗(yàn)中對結(jié)果的影響只朝一個方向偏移；而粗大誤差主要來自于人員的操作失誤，通過相應(yīng)手段可以避免，故本文只討論隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差部分。

3.2 機(jī)匣溫度測量

機(jī)匣試驗(yàn)件的溫度通過布置在其上的熱電偶進(jìn)行測量。由于機(jī)匣為復(fù)雜構(gòu)件，通過其上一點(diǎn)或局部幾點(diǎn)的溫度表示其整體溫度狀態(tài)顯然是不合適的。為此，在試驗(yàn)過程中沿機(jī)匣周向和徑向均勻布置多個溫度測點(diǎn)，用以全面監(jiān)測試驗(yàn)件溫度狀態(tài)，如圖4所示。

圖4 機(jī)匣試驗(yàn)件溫度測點(diǎn)示意圖

當(dāng)在機(jī)匣試驗(yàn)件上布置m個溫度測點(diǎn)，并在試驗(yàn)過程中以一定時間間隔進(jìn)行n次溫度采集時，得到機(jī)匣溫度數(shù)據(jù)可由以下矩陣表示：

(1)

可見在試驗(yàn)過程中，尤其是長時間進(jìn)行的疲勞試驗(yàn)過程中，采集的試驗(yàn)件溫度數(shù)據(jù)量是很大的。從這些數(shù)據(jù)中不容易直觀地看出試驗(yàn)件的溫度狀態(tài)，為此以式(2)表示試驗(yàn)件的總體溫度：

(2)

3.3 加溫誤差分析

試驗(yàn)加溫誤差可分為系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差兩部分，如式(3)所示：

ΔT=ΔT±σT

(3)

式中：ΔT為系統(tǒng)誤差，具有規(guī)律性和可預(yù)測性，可通過校正的方法減小或消除；σT為隨機(jī)誤差，具有不可預(yù)測性，可通過統(tǒng)計方法進(jìn)行估計，但不能被消除。

系統(tǒng)誤差主要由試驗(yàn)件總體溫度誤差Δsy和溫度測量系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差Δcl兩部分組成。

由于高溫氣體加溫法熱慣性較大，溫控系統(tǒng)采用開環(huán)控制更為穩(wěn)定，不易發(fā)生溫度大幅震蕩和超溫情況，但相應(yīng)會帶來一定的系統(tǒng)誤差，造成試驗(yàn)件總體溫度與目標(biāo)溫度之間存在差異，如式(2)所示。

對于溫度測量系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差，首先應(yīng)采用“標(biāo)準(zhǔn)差比較法”判斷溫度測量系統(tǒng)是否存在系統(tǒng)誤差，即通過多種方法計算測試數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差，通過比較以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差[16]。由貝塞爾公式和別捷爾斯公式推導(dǎo)出系統(tǒng)誤差判別因子μ：

(4)

若μ滿足如下判定條件：

(5)

則認(rèn)為溫度測量系統(tǒng)不存在系統(tǒng)誤差；反之則認(rèn)為存在系統(tǒng)誤差，需根據(jù)溫度測量系統(tǒng)的具體情況求出其系統(tǒng)誤差Δcl。再按下式將兩部分誤差合成，求得加溫系統(tǒng)誤差：

ΔT=Δsy+Δcl

(6)

隨機(jī)誤差σT也由兩部分組成，一部分是由于測點(diǎn)位置差異和一段時間內(nèi)控制系統(tǒng)波動等因素引起的試驗(yàn)件溫度波動σbd，它反映了試驗(yàn)過程中試驗(yàn)件溫度在時間和空間維度上的不均勻性，由式(7)得到：

(7)

另一部分為溫度測量系統(tǒng)的隨機(jī)誤差σcl，其與溫度測量設(shè)備的具體特性有關(guān)，可根據(jù)設(shè)備參數(shù)計算得到。再將兩部分誤差進(jìn)行矢量合成，得到加溫隨機(jī)誤差：

(8)

3.4 算 例

在某型發(fā)動機(jī)渦輪后機(jī)匣高溫靜力試驗(yàn)中，試驗(yàn)件加溫的目標(biāo)溫度為550 ℃，在試驗(yàn)件上均勻布置了12處溫度測點(diǎn)，試驗(yàn)過程中進(jìn)行了9次溫度測量，得到試驗(yàn)件溫度數(shù)據(jù)如表1所示。

由式(2)、得到試驗(yàn)件總體溫度誤差Δsy為1.6 ℃；由式(4)得到判斷因子μ為0.087，滿足式(5)的判定條件，溫度測量系統(tǒng)不存在系統(tǒng)誤差；由式(7)得到試驗(yàn)件溫度波動值σbd為0.6 ℃；溫度測量系統(tǒng)的隨機(jī)誤差σcl為6.3℃；由式(8)得到加溫隨機(jī)誤差σT為6.3℃；由式(3)得到本次試驗(yàn)中的加溫誤差ΔT為1.6±6.3 ℃。

從誤差分析結(jié)果可見，本次試驗(yàn)的加溫誤差主要來源于溫度測量系統(tǒng)的隨機(jī)誤差。

表1 試驗(yàn)溫度數(shù)據(jù)表 ℃

4 降低加溫誤差的方法

從誤差分析過程中可以看出，此類試驗(yàn)的加溫誤差主要來源于溫度測試系統(tǒng)誤差，試驗(yàn)件、試驗(yàn)器結(jié)構(gòu)因素引起的加溫不均勻，以及控制系統(tǒng)特性引起的溫度波動。這些因素的影響是無法完全消除的，但可以根據(jù)誤差的來源采取有針對性的手段，以降低加溫誤差。

(1)采用精度更高的溫度測量設(shè)備：從3.3節(jié)誤差分析結(jié)果中可以看出，溫度測量設(shè)備的隨機(jī)誤差占加溫誤差的主要部分，因此提高溫度測量設(shè)備的精度是降低加溫誤差的有效手段；

(2)采用合理的控制方式：可嘗試將試驗(yàn)件總體溫度Tsy作為控制信號，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，降低試驗(yàn)件總體溫度Tsy與目標(biāo)溫度Tmb間的差異；

(3)改善加溫均勻性：可通過保證足夠的加溫時間、提高加溫腔內(nèi)氣體流動性以及合理的試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計，使試驗(yàn)件與高溫氣體充分、均勻接觸，從而提高加溫均勻性。

5 結(jié) 論

(1)列舉了目前工程試驗(yàn)中常用的幾種加溫方法，通過對比分析得出，高溫氣體加溫法作為機(jī)匣類部件高溫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)的加溫方法最為適合；

(2)提出了一種針對復(fù)雜構(gòu)件均布穩(wěn)態(tài)溫度場加溫誤差的分析方法，并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)對某型發(fā)動機(jī)渦輪后機(jī)匣高溫靜力試驗(yàn)的加溫誤差進(jìn)行了分析，結(jié)果表明試驗(yàn)加溫誤差主要來源于溫度測量系統(tǒng)的隨機(jī)誤差；

(3)通過提高溫度測量設(shè)備精度，采用合理的加溫控制方式以及改善加溫均勻性等手段可降低試驗(yàn)加溫誤差。