機匣高溫結構強度試驗加溫方法研究

劉 韜，蘇 軍，程歡歡，霍成民，佟貴生，王 迪

(中國航發沈陽發動機研究所，遼寧 沈陽 110015)

機匣是航空發動機的重要組成部件，起到構建氣流通道，傳遞發動機推力，固定葉片、附件等作用[1-2]。機匣在工作狀態下主要承受氣體負荷、質量慣性力、熱負荷、聲負荷以及一些裝配應力等[3]。由于機匣類部件結構和受力狀態十分復雜，其結構強度很難通過模擬計算準確得出，因此在研制過程中需要進行大量靜力、疲勞試驗，以驗證其結構強度是否滿足設計要求。目前，航空發動機機匣類部件結構強度試驗多在室溫環境下進行，但對于渦輪后機匣、燃燒室機匣等長期工作在高溫環境下的熱端部件，為更好地模擬其實際工作狀態，需要進行高溫結構強度試驗。與在室溫下進行的試驗相比，高溫試驗在設計和進行過程中，除了要考慮結構強度、加載方式、加載協調性等方面問題外，還需要考慮加溫方式、溫度測量與控制、設備冷卻等問題。

目前，對于航空發動機零部件的高溫結構強度試驗，國內已進行了一系列研究和實踐，多種加溫技術被應用于相關試驗中。張東明等人采用電磁感應加溫法對航空發動機渦輪葉片進行加溫，完成了900 ℃下的葉片振動疲勞試驗[4]。蒲芬彩等人采用電磁感應加溫法結合紅外測溫技術完成了發動機輪盤高溫疲勞試驗[5]。劉佳等人采用石英燈輻射加溫結合氣化液氮、噴水強制冷卻的方法，進行了發動機渦輪葉片輻射熱沖擊疲勞試驗[6]。米澤清等人在壓氣機第四級盤高溫低循環疲勞試驗中采用電阻爐對試驗件施加了均勻溫度場[7]。而有關航空發動機機匣類部件高溫結構強度試驗的內容，目前國內外還鮮有文獻提及。

本文通過對比分析目前在航空發動機零部件試驗中較為常用的加溫方法，選擇出一種適用于均布穩態溫度場下機匣結構強度試驗的加溫方法，并對相應加溫裝置的結構和工作原理進行了介紹。同時提出了一種針對復雜構件均布穩態溫度場加溫誤差的分析方法，推導出判斷測量系統是否存在系統誤差的判別因子μ，并根據試驗數據對某型發動機渦輪后機匣高溫靜力試驗的加溫誤差進行了分析。最后，根據誤差分析結果，提出了一系列降低機匣高溫結構強度試驗均布穩態溫度場加溫誤差的方法。

1 加溫方式選擇

在某型發動機渦輪后機匣高溫靜力試驗中需要對試驗件施加均布穩態溫度場，即要求在整個試驗過程中試驗件各部位溫度保持穩定且一致。對于航空發動機機匣這類大型、復雜構件，在選擇加溫方式時首先要保證空間上良好的加溫均勻性，以及一段時間內試驗件不發生較大的溫度波動。其次，由于是在工程試驗中應用，所選擇的加溫方式及相應加溫裝置結構應盡量簡單可靠，以保證試驗長期穩定運行。最后，針對試驗過程中可能發生的由于試驗件破壞、碎片飛出造成加溫設備損壞漏電，以及高溫泄漏造成人員燙傷等情況，選擇的加溫方式還應具有相應的安全性。

目前，在工程試驗中較為常用的加溫方法有以下幾種：

1)電磁感應加溫法

這種加溫方法是通過交變磁場使含鐵質材料產生感應電渦流，實現對物體的加熱。這種加溫方法具有非接觸、加熱速度快、可實現局部加熱等特點[8]。但由于電磁感應的集膚效應，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件進行加溫[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件進行加溫，可根據被加溫物體形狀制作相應的石英燈組，并通過可控硅進行分區控溫，實現梯度溫度場的施加。石英燈陣加溫法具有加溫快、熱效率高、熱慣性小等特點，廣泛應用于實驗室環境[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，而對于零部件結構強度試驗，一旦試驗件或工裝發生破壞并有碎片飛出，可能會造成石英燈組的損壞，影響試驗安全。

3)電阻加溫法

這種加溫方法是利用電流通過導體的焦耳效應使加溫元件升溫，加溫元件再通過輻射、熱傳導和對流等傳熱方式對工件進行加溫。電阻加溫法廣泛應用于各個行業，具有結構簡單可靠、成本低、功率大等優點[14-15]，但也存在熱慣性大等問題。對于穩態均布溫度場的施加，布置在周圍的電阻加溫管會使試驗件局部溫度過高，影響加溫均勻性；同時，在結構強度試驗中存在試驗件斷裂破壞的風險，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，再通過鼓風系統將熱空氣鼓入加溫腔，對試驗件進行加溫。這種方法不僅具有電阻加溫法的優點，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離試驗件，保證了試驗的安全性。

因此，高溫氣體加溫法更適合穩態均布溫度場下的機匣高溫結構強度試驗。

2 加溫裝置結構及工作原理

高溫氣體加溫法的加溫裝置結構如圖1、圖2所示，其主要由電阻加熱爐、保溫罩、風機和管道等部分組成。保溫罩和加溫裝置底座組成加溫腔，試驗件在保溫腔內進行加溫。保溫罩采用可旋轉對開式結構，便于試驗件安裝并滿足不同角度載荷的加載。電阻加溫爐、風機安裝在保溫罩上，可有效節省空間并減少加溫過程中的熱損失。

圖1 加溫裝置結構示意圖

加溫時，電阻加溫爐首先將空氣加溫；加溫后的熱空氣被風機鼓入加溫腔內，以“切向進氣，下進上出”的形式從保溫罩底部進入加溫腔，并在加溫腔內形成環流，對加溫腔內的機匣試驗件進行加溫；加溫腔內的空氣從頂部排出至電阻加溫爐，進行加溫后再次進入加溫腔，從而形成加溫裝置內的高溫氣體循環，如圖3所示。電阻加溫爐出口處布置有熱電偶，用以監測高溫氣體溫度。

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，試驗件的升、降溫較慢，若加溫系統采用閉環控制，可能引起試驗件溫度大幅震蕩，造成超溫。為此，加溫系統采用開環控制的方法，即高溫氣體溫度由布置在電阻加溫爐出口的熱電偶監測，試驗件溫度由布置在其上的熱電偶測量，加溫系統操作人員根據試驗件的溫度反饋調節高溫氣體溫度，直至試驗件達到目標溫度。

3 加溫誤差

3.1 加溫誤差的定義

在試驗過程中需要對試驗件進行加溫，溫度可以看作試驗載荷的一種。由于多種因素的影響，會造成加載在試驗件上的實際溫度與目標溫度之間存在差異，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，還包括由于試驗方法、環境影響和人為因素等引起的試驗件實際溫度與目標溫度間的差異。

根據誤差的性質和產生原因可將誤差分為三大類：隨機誤差、系統誤差和粗大誤差。其中，隨機誤差是由很多暫時未能掌握或不便掌握的微小因素構成，這種誤差在單次試驗中具有不確定性，但其總體具有統計規律性；系統誤差主要由測量儀器不良、試驗環境改變、試驗人員的習慣和偏向等因素引起，在同一組試驗中對結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，通過相應手段可以避免，故本文只討論隨機誤差和系統誤差部分。

3.2 機匣溫度測量

機匣試驗件的溫度通過布置在其上的熱電偶進行測量。由于機匣為復雜構件，通過其上一點或局部幾點的溫度表示其整體溫度狀態顯然是不合適的。為此，在試驗過程中沿機匣周向和徑向均勻布置多個溫度測點，用以全面監測試驗件溫度狀態，如圖4所示。

圖4 機匣試驗件溫度測點示意圖

當在機匣試驗件上布置m個溫度測點，并在試驗過程中以一定時間間隔進行n次溫度采集時，得到機匣溫度數據可由以下矩陣表示：

(1)

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

(2)

3.3 加溫誤差分析

試驗加溫誤差可分為系統誤差和隨機誤差兩部分，如式(3)所示：

ΔT=ΔT±σT

(3)

式中：ΔT為系統誤差，具有規律性和可預測性，可通過校正的方法減小或消除；σT為隨機誤差，具有不可預測性，可通過統計方法進行估計，但不能被消除。

系統誤差主要由試驗件總體溫度誤差Δsy和溫度測量系統的系統誤差Δcl兩部分組成。

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

對于溫度測量系統的系統誤差，首先應采用“標準差比較法”判斷溫度測量系統是否存在系統誤差，即通過多種方法計算測試數據的標準差，通過比較以發現系統誤差[16]。由貝塞爾公式和別捷爾斯公式推導出系統誤差判別因子μ：

(4)

若μ滿足如下判定條件：

(5)

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

ΔT=Δsy+Δcl

(6)

隨機誤差σT也由兩部分組成，一部分是由于測點位置差異和一段時間內控制系統波動等因素引起的試驗件溫度波動σbd，它反映了試驗過程中試驗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的隨機誤差σcl，其與溫度測量設備的具體特性有關，可根據設備參數計算得到。再將兩部分誤差進行矢量合成，得到加溫隨機誤差：

(8)

3.4 算 例

在某型發動機渦輪后機匣高溫靜力試驗中，試驗件加溫的目標溫度為550 ℃，在試驗件上均勻布置了12處溫度測點，試驗過程中進行了9次溫度測量，得到試驗件溫度數據如表1所示。

由式(2)、得到試驗件總體溫度誤差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，溫度測量系統不存在系統誤差；由式(7)得到試驗件溫度波動值σbd為0.6 ℃；溫度測量系統的隨機誤差σcl為6.3℃；由式(8)得到加溫隨機誤差σT為6.3℃；由式(3)得到本次試驗中的加溫誤差ΔT為1.6±6.3 ℃。

從誤差分析結果可見，本次試驗的加溫誤差主要來源于溫度測量系統的隨機誤差。

表1 試驗溫度數據表 ℃

4 降低加溫誤差的方法

從誤差分析過程中可以看出，此類試驗的加溫誤差主要來源于溫度測試系統誤差，試驗件、試驗器結構因素引起的加溫不均勻，以及控制系統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備：從3.3節誤差分析結果中可以看出，溫度測量設備的隨機誤差占加溫誤差的主要部分，因此提高溫度測量設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：可嘗試將試驗件總體溫度Tsy作為控制信號，形成閉環控制系統，降低試驗件總體溫度Tsy與目標溫度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、提高加溫腔內氣體流動性以及合理的試驗裝置結構設計，使試驗件與高溫氣體充分、均勻接觸，從而提高加溫均勻性。

5 結 論

(1)列舉了目前工程試驗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匣類部件高溫結構強度試驗的加溫方法最為適合；

(2)提出了一種針對復雜構件均布穩態溫度場加溫誤差的分析方法，并結合試驗數據對某型發動機渦輪后機匣高溫靜力試驗的加溫誤差進行了分析，結果表明試驗加溫誤差主要來源于溫度測量系統的隨機誤差；

(3)通過提高溫度測量設備精度，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加溫誤差。