航空發動機燃燒室外機匣壓力試驗方法與系統

張呈波，雷霆，李杰，張部聲，贠福康

（天津航天瑞萊科技有限公司，上海 201100）

引言

機匣是航空發動機的重要部件之一，是發動機的骨架，其上固定有靜子葉片、附件，與燃燒室、管道、油路等部件連接，構成發動機的氣流通道，起到傳遞發動機推力的重要作用[1-3]。機匣在工作中承受著氣動、噪聲、溫度、機械等負載載荷的綜合作用，在這些載荷的綜合作用下，可能造成機匣的靜強度破壞、聲疲勞或振動疲勞破壞，因此要求機匣需要具備足夠的的強度、剛度、振動、穩定性[4,5]。

機匣內外壁面承受的氣動載荷是機匣承擔的主要載荷之一。航空發動機工作中，燃燒室外機匣內腔存在較大的內壓，承受的是內外壓差所形成的周向力，周向力占外機匣應力的絕大部分。因此，需要通過內壓試驗來驗證其結構強度是否滿足設計要求。另外，目前機匣設計中，減重設計是一項重要的指標，因此需要通過內壓試驗校驗不同減重設計結構機匣在內壓載荷作用下關鍵部位的應力分布以及承載壓力的能力，獲取試驗數據用于進行結構的優化設計。

為了能夠模擬燃燒室外機匣的安裝狀態以及內壓載荷工況，實現燃燒室外機匣在規定內壓工況下的應力測量，需要設計相應的試驗系統。

1 試驗方案

1.1 載荷及測量要求

燃燒室外機匣主要承受的是內外壓差所形成的周向力，因此在驗證試驗中僅考核機匣承受周向載荷的能力，不考慮機匣所受軸向載荷。

對機匣內壁面施加均布壓力載荷，載荷需按照一定的加載速率及加載步長逐級加載。

在各級載荷下，需要測量機匣內外壁面上關鍵部位的應變數據，獲取機匣關鍵部位的應力分布情況。

1.2 試驗思路簡介

為了滿足以上試驗的要求，需設計相應的試驗系統。基本思路如下：

1）該試驗系統需包含一套壓力加載系統，對機匣內壁施加均布壓力載荷，該系統可以實現規定壓力的加載，具備恒壓控制、升降壓速率控制、壓力數據曲線采集保存等能力。

2）該系統需包含一套試驗件安裝及密封工裝，可以模擬試驗件的安裝邊界，與工裝裝配后可以實現試驗件內部腔體的密封。

3）該系統需包含一套應力采集系統，可以實時觀察和采集試驗過程中的應變情況。同時，該系統需能將試驗件內壁上的應變片線纜導出與應變采集儀相連接，同時保證試驗件內部腔體的密封性。

4）此外，需選取合適的粘接和防護工藝，確保試驗件內壁上應變片粘貼的牢固性和使用的可靠性。

2 試驗系統設計

2.1 試驗系統整體介紹

試驗系統如圖1所示。試驗系統包括試驗件及堵頭、試驗工裝、試驗壓力加載系統、應變測量系統、應變片等組成。

圖1 試驗系統簡介圖

2.2 試驗工裝

機匣壓力試驗試驗工裝設計方案如圖2所示。

圖2 機匣壓力試驗工裝示意圖

試驗工裝由固定底座、承力拉桿、轉接法蘭、密封頂蓋、壓緊螺母、密封圈、壓力傳感器接口、注油口、回油口、密封航空插頭組成。

試驗件下法蘭與固定底座通過螺栓連接，之間配置聚四氟乙烯耐高壓密封墊圈，試驗件上法蘭與轉接法蘭通過螺栓連接，之間配置聚四氟乙烯耐高壓密封墊圈。

轉接法蘭與密封頂蓋之間采用油壓徑向密封方式，采用O型橡膠密封圈實現密封。密封方式如圖3所示。采用此種密封方式的優點是：①使試驗件僅受周向力，而不承受軸向力；②該密封結構在承受內部壓力時，將轉接法蘭向密封頂蓋壓緊，更有利于彼此之間的密封。

圖3 密封頂蓋與轉接法蘭密封方式示意圖

密封頂蓋通過壓緊螺母與承力拉桿頂端連接，密封頂蓋與承力拉桿之間配置O型橡膠密封圈進行密封。承力拉桿承受內部壓力產生的軸向力。

2.3 試驗件堵頭堵蓋密封設計

燃燒室機匣上分布有大量的安裝座/孔，堵頭堵蓋的加工按照安裝座/孔處的尺寸加工。堵頭堵蓋與安裝座/孔之間擬采用紫銅墊密封。

紫銅密封墊的密封原理是兩個結合面將紫銅墊擠壓變形，使得紫銅墊的兩個表面與兩個結合面緊密貼合沒有絲毫縫隙，從而得到密封效果。為達到密封效果，一般在使用前進行退火處理，其目的是讓紫銅密封圈變軟，以達到更好的密封效果。

2.4 試驗壓力加載系統

考慮到試驗實施的安全性，機匣內腔中通油壓的方式實現規定的壓力載荷。加載介質為液壓油。

液壓加載系統采用高壓油泵，可實現的最高壓力為21 MPa。利用配套的MOOG液壓控制系統，可實現輸出壓力加載值及加載速度的調節和控制，可按照編制的實施程序實現試驗規定的加載步驟。

2.5 試驗測量系統

試驗中需要實時測量的數據包括試驗件內部壓力的變化值以及各應變測量點的應變值。

采用數據采集儀實現數據的采集和保存。試驗前，將壓力傳感器和應變片連接到數據采集儀。對試驗件加壓之前，開啟數據采集儀，加壓過程中，可全程記錄壓力傳感器和應變片的數據。

2.6 測試電纜密封

機匣內表面的應變片連接電纜需要通過工裝上的孔引出到試驗件腔體外部，同時引出孔處需要做密封處理。

根據信號傳導和密封的要求，本文中采用耐高壓密封航空插頭作為腔體內外電纜的連接器，該航空插頭采用玻璃燒結工藝，同時具有密封和耐高壓的作用，通過試驗驗證，最高耐壓可達到15 MPa。

2.7 應變片的防護

機匣腔體內表面需進行應變測量，試驗時，應變片將浸泡在油液中，采用常用的粘貼和防護措施將無法滿足測試的要求。因此需要選取合適的的粘貼和防護工藝。

目前常用的防護劑有703硅橡膠、6608硅橡膠、廣研5699、586硅橡膠等。通過對防護劑、粘貼工藝等防護性能的試驗研究[6]，最終確定采用的防護工藝為：采用703硅橡膠+5699膠的雙層防護，同時打磨范圍必須大于第二層防護劑涂抹范圍，導線沒入防護劑不許大于20 mm的方案，可有效提高應變片在液壓油中的成活率。

2.8 試驗的防護

由于試驗壓力較高，若在加壓過程中試驗件發生破裂，則存在安全風險。

針對本試驗制定了安全防護方案：

1）選取專用試驗間進行試驗，對試驗間進行人員隔離，試驗加壓和數據采集均在試驗間外進行；

2）將裝配好的試驗件放置于專用防護罩中，防止試驗件破裂后液壓油飛濺，也便于液壓油的回收處理；

3）試驗中采用攝像頭對試驗件的狀態進行監控和錄像，便于試驗件狀態的監測。

3 試驗系統驗證及結果

該試驗方法和系統已應用于某型號航空發動機燃燒室減薄機匣的壓力試驗，機匣與試驗工裝的裝配狀態見圖4。機匣內表面應變測點位置示意見圖5。試驗中得到的部分試驗數據曲線見圖6和圖7。圖6中給出某次壓力加載試驗中壓力載荷的控制曲線。圖7中展示了機匣內部部分應變測點的應變測試曲線。從曲線中可以看出，該試驗系統壓力加載控制穩定，處于油液中應變測點處測量的應變數據測量可靠有效。同通過多次加載試驗的驗證，該試驗方法和系統具有較高的穩定型，多次試驗的應變獲取率均為100 %。

圖4 機匣與試驗工裝的裝配狀態

圖5 機匣內表面應變片安裝位置和編號示意圖

圖6 某次試驗的壓力加載控制曲線

圖7 各測量點的應力測量曲線（A1-內、B1-內、B2-內）

4 結論

通過試驗方法和試驗系統的設計，在燃燒室機匣壓力試驗中，各密封部位密封良好，未出現液壓油泄露情況，機匣內腔壓力加載控制穩定。機匣內壁應變片粘貼工藝可保證應變片在油液中粘貼質量可靠，應變片信號線纜轉接及密封方式可靠有效，應變數據獲取率為100 %，能夠為機匣結構考核和優化提供有價值的試驗數據。