復(fù)合材料薄壁機(jī)匣熱內(nèi)壓試驗(yàn)技術(shù)

高世陽 楊峰 王曉森 劉永清 呼東亮 陳子光

（1 海裝北京局駐天津地區(qū)第三軍事代表室，天津 300202；2 天津航天瑞萊科技有限公司，天津 300462；3 北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076；4 華中科技大學(xué)航空航天學(xué)院，武漢 430074；）

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是一種高度復(fù)雜和精密的熱力機(jī)械，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)都要滿足相應(yīng)的熱力載荷需求。機(jī)匣件是航空發(fā)動(dòng)機(jī)形成各涵道，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)完整性及發(fā)動(dòng)機(jī)功能等用途的重要結(jié)構(gòu)單元。發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫高壓燃?xì)饬鹘?jīng)各機(jī)匣時(shí)會(huì)對機(jī)匣產(chǎn)生高溫、高壓和機(jī)械載荷，其壓力載荷對機(jī)匣結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響遠(yuǎn)大于機(jī)械載荷對機(jī)匣的影響。隨著新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展的需求，對航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推力提出了更高的要求，對構(gòu)成發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)件的環(huán)境適應(yīng)性也提出了更高的指標(biāo)。為保障發(fā)動(dòng)機(jī)的有效推力，必須對航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體重量進(jìn)行嚴(yán)格控制，同時(shí)隨著耐高溫復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)合材料質(zhì)量占比也逐漸增大，其中外涵機(jī)匣的設(shè)計(jì)正逐步從傳統(tǒng)的金屬材料過渡到復(fù)合材料[1-4]，從而減輕自重來保障發(fā)動(dòng)機(jī)整體重量指標(biāo)。

目前，國內(nèi)對機(jī)匣件強(qiáng)度試驗(yàn)傳統(tǒng)的考核方式大多是進(jìn)行常溫強(qiáng)度考核[5]。對于傳統(tǒng)鈦合金材料的機(jī)匣件，在考核同等設(shè)計(jì)安全系數(shù)的前提下，可以利用材料的高溫強(qiáng)度性能降低的比例，等效至常溫環(huán)境下機(jī)匣件所受到的主要載荷的增量系數(shù)，這樣可以在常溫下完成對機(jī)匣件的高溫環(huán)境強(qiáng)度考核。王琦[6]等研制了采用充壓膠囊加壓方式的高溫高壓試驗(yàn)裝置，郭建英[7]等提出了利用柔性傳壓裝置的高溫高壓試驗(yàn)方法。以上兩種方式有效的避開了試驗(yàn)裝置的高溫密封問題，同時(shí)也削弱了對機(jī)匣件真實(shí)環(huán)境的模擬，無法準(zhǔn)確考核機(jī)匣端蓋、翻邊、過渡段和其他可能形狀突變的結(jié)構(gòu)。隨著耐高溫復(fù)合材料逐步應(yīng)用于機(jī)匣件，而且復(fù)合材料的屬性在高溫環(huán)境下相對復(fù)雜，一般呈非線性，甚至在材料級(jí)和結(jié)構(gòu)級(jí)會(huì)出現(xiàn)不同程度的差異，無法通過傳統(tǒng)的常溫等效強(qiáng)度試驗(yàn)?zāi)M高溫環(huán)境，必須通過施加真實(shí)的高溫強(qiáng)度環(huán)境進(jìn)行考核。這樣就引入了試驗(yàn)裝置的高溫密封問題。

本文研究的熱內(nèi)壓試驗(yàn)技術(shù)采用對試驗(yàn)裝置內(nèi)腔空氣直接加熱加壓的方式進(jìn)一步模擬真實(shí)的高溫?zé)釟饬鬏d荷，用以對機(jī)匣件進(jìn)行更真實(shí)的環(huán)境模擬考核。

1 試驗(yàn)原理與設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)原理

圖1為機(jī)匣件熱內(nèi)壓試驗(yàn)原理示意圖。圖中包括溫度加載分系統(tǒng)、壓力加載分系統(tǒng)以及受試腔體結(jié)構(gòu)。溫度加載分系統(tǒng)主要包括控制計(jì)算機(jī)、綜合控制器、可控硅電源、加熱器、溫度傳感器等。壓力加載分系統(tǒng)主要包括控制計(jì)算機(jī)、綜合控制器、氣源系統(tǒng)、進(jìn)氣閥、排氣閥、壓力傳感器等。受試腔體主要包括受試機(jī)匣件、下對接艙段、下對接艙段、內(nèi)承載筒、底座、中心軸拉桿、螺絲筒等。

圖1 機(jī)匣件熱內(nèi)壓試驗(yàn)原理Fig.1 Schematic of thermal internal pressure test principle of casing

溫度加載分系統(tǒng)通過溫度傳感器采集受試腔體內(nèi)溫度信號(hào)。溫度信號(hào)通過綜合控制器傳遞至控制計(jì)算機(jī)。控制計(jì)算機(jī)通過運(yùn)行程序比較所設(shè)定的溫度和所采集的溫度并將比較結(jié)果反饋至綜合控制器。再由綜合控制器驅(qū)動(dòng)可控硅電源控制加熱器工作。循環(huán)迭代至受試腔體內(nèi)溫度動(dòng)態(tài)穩(wěn)定至目標(biāo)溫度。

壓力加載系統(tǒng)通過壓力傳感器采集受試腔體內(nèi)壓力信號(hào)。壓力信號(hào)通過綜合控制器傳遞至控制計(jì)算機(jī)。控制計(jì)算機(jī)通過運(yùn)行程序比較所設(shè)定的壓力和所采集的壓力并將比較結(jié)果反饋至綜合控制器。再由綜合控制器驅(qū)動(dòng)進(jìn)氣閥和排氣閥工作。循環(huán)迭代至受試腔體內(nèi)壓力動(dòng)態(tài)穩(wěn)定至目標(biāo)壓力。注意排氣閥工作環(huán)境溫度高，為持續(xù)滿足高溫工作性能，建議選用氣動(dòng)電磁閥。

1.2 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

圖2為受試腔體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。受試腔體由機(jī)匣件和所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置合圍成一套可以施加溫度和壓力載荷的被試腔體結(jié)構(gòu)，同時(shí)加載過程中能夠有效解耦腔內(nèi)壓力對裝置產(chǎn)生的軸向載荷，避免軸向載荷傳遞至機(jī)匣件。圖2 中標(biāo)識(shí)了受試腔體的主要結(jié)構(gòu)部件，其中1 為被試產(chǎn)品機(jī)匣件，2 為裝置底座用于固定和安裝裝置其他結(jié)構(gòu)件，3 為中心軸拉桿用于承載腔體內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向載荷，4 為下對接艙段用于模擬剛性艙段連接底座和機(jī)匣件，5 為上對接艙段用于模擬剛性艙段連接機(jī)匣件并與承載活塞盤形成滑動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，6 為內(nèi)承載筒用于合圍成壓力腔體，7 為承載活塞盤用于承載內(nèi)腔壓力，8 為螺絲筒用于壓緊承載活塞盤，9 為O 型密封圈用于密封上對接艙段和承載活塞盤的接觸面，10 為電加熱管用于加熱密封腔內(nèi)空氣和被試機(jī)匣件，11、12 為內(nèi)腔壓力進(jìn)排氣孔用于內(nèi)腔壓力控制。

圖2 受試腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.2 Structural design drawing of the test chamber

圖2裝置中由受試機(jī)匣件1、底座2、下對接艙段4、上對接艙段5、內(nèi)承載筒6 和承載活塞盤7 合圍成被試腔體結(jié)構(gòu)，由中心軸拉桿3、內(nèi)承載筒6、承載活塞盤7 和螺絲筒8 組成軸向壓力平衡結(jié)構(gòu)。圖2 裝置中由3 類密封結(jié)構(gòu)組成，其中A 類為高溫活塞密封結(jié)構(gòu)，B 類和C 類為高溫平面密封結(jié)構(gòu)，D 類為金屬焊接密封結(jié)構(gòu)。

1.3 受試腔體的高溫密封

受試腔體的高溫密封包括平面密封和活塞密封兩類如圖3 所示。平面密封一定程度參考了機(jī)匣安裝邊常溫密封特性的研究和分析成果[8-10]。

圖3 平面密封和活塞密封Fig.3 Plane seal and piston seal

該試驗(yàn)裝置中平面密封采用BY533 高溫密封膠進(jìn)行密封，該密封材料可耐高溫900℃，高壓32MPa。腔體活塞密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮的關(guān)鍵因素包括：1）密封圈的耐高溫能力無法直接滿足試驗(yàn)溫度需求；2）結(jié)構(gòu)受力變形后密封圈是否仍能夠滿足密封設(shè)計(jì)要求。此處腔體的動(dòng)密封結(jié)構(gòu)為該試驗(yàn)裝置有效性的設(shè)計(jì)關(guān)鍵，后文將對該裝置的有效性進(jìn)行詳細(xì)分析。

2 受試腔體動(dòng)密封結(jié)構(gòu)有效性分析

2.1 承載活塞盤動(dòng)密封處的熱特性分析

受試腔體中承載活塞盤上密封圈的耐高溫能力無法直接滿足試驗(yàn)溫度需求，主要表現(xiàn)為該處O 型密封圈采用FFKM 全氟醚O 型圈，F(xiàn)FKM 全氟醚橡膠耐高溫可達(dá)330℃（注：目前國內(nèi)雖有耐更高溫度的石墨密封圈，但是無法滿足本試驗(yàn)所要求的工藝尺寸），在343℃的間歇性高溫環(huán)境中不會(huì)發(fā)生導(dǎo)致密封失效的硬化和脆化。而本文機(jī)匣件的最高試驗(yàn)溫度為370℃，所以需要通過對承載活塞盤的合理設(shè)計(jì)來保障試驗(yàn)過程中O型密封圈所處的環(huán)境溫度不高于330℃。

相關(guān)機(jī)匣內(nèi)部熱特性分析的研究成果[11-12]對本裝置在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析簡化的方案上提供了指導(dǎo)依據(jù)。本裝置中承載活塞盤的設(shè)計(jì)采用凹槽圓盤的結(jié)構(gòu)形式，如圖2中編號(hào)為7的承載活塞盤結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以做到在保障承載強(qiáng)度前提下盡量增大結(jié)構(gòu)的散熱面。承載活塞盤的散熱主要包括輻射散熱和對流散熱。為了滿足高溫密封設(shè)計(jì)要求，對承載活塞盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡單的理論分析和數(shù)值仿真[13-17]。

承載活塞盤內(nèi)部無熱源、恒定導(dǎo)熱系數(shù)的三維熱傳導(dǎo)控制方程為

式中，T為溫度，單位是K；x、y和z為空間坐標(biāo)，單位是m；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，單位是W/(m·K)；ρ為密度，單位是kg；C為比熱容，單位是J/(kg·K)；t為時(shí)間，單位是s。

承載活塞盤與空氣自然對流換熱公式為

式中，P1為對流傳熱速率，單位是W；S為對流傳熱面積，單位是m2；α為對流換熱系數(shù)，單位是W/(m·K)；Tsurf為活塞外表面溫度，單位是K，T0為大氣環(huán)境溫度，單位是K。

承載活塞盤向空氣輻射散熱公式為

式中，P2為輻射度，單位是W；ε為黑體的輻射系數(shù)，絕對黑體取值1；σ為Stefan-Boltzmann常熟，取值是5.67×10-8W/(m2·K4)。

由于活塞盤的三維熱傳導(dǎo)控制方程的求解非常困難，本文對承載活塞盤進(jìn)行了一維簡化的理論計(jì)算和三維仿真數(shù)值模擬分析。數(shù)值計(jì)算分析中假設(shè)承載活塞盤結(jié)構(gòu)的腔內(nèi)壁溫度為370℃，環(huán)境溫度為25℃，承載活塞盤與環(huán)境存在輻射和自然對流換熱。仿真計(jì)算中承載活塞盤的密度ρ取7850kg/m3，比熱容C取460J/(kg·K)，傳熱系數(shù)λ取36W/(m·K)，以承載活塞盤結(jié)構(gòu)的腔內(nèi)壁溫度為恒溫邊界，外側(cè)為自然對流邊界（空氣自然對流換熱系數(shù)α為10~25W/(m2·K)之間）和輻射邊界（輻射系數(shù)ε取0.9）。

在承載活塞盤一維熱傳導(dǎo)簡化分析中，結(jié)構(gòu)從內(nèi)壁受熱面至外壁自然換熱面簡化的一維熱傳導(dǎo)公式為

根據(jù)能量守恒得到活塞盤外壁面溫度的解析方程如下

式中，l為活塞盤的厚度，單位是m；T1為活塞盤內(nèi)壁面的溫度，單位是K。式（5）可以得到活塞盤一維熱傳導(dǎo)假設(shè)下外壁面溫度的理論值。

對流換熱系數(shù)α取10W/(m2·K)時(shí)，即假設(shè)活塞盤為理想自然對流狀態(tài)。對比一維熱傳導(dǎo)簡化理論分析、三維熱傳導(dǎo)仿真分析和試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果如圖4所示。試驗(yàn)所測活塞盤上表面自由換熱面的實(shí)測溫度為290±5℃，三維熱傳導(dǎo)仿真分析得到承載活塞盤沿厚度最外測溫度為315.0℃，一維熱傳導(dǎo)簡化理論分析得到活塞盤最外測溫度為340.0℃。相比之下三維熱傳導(dǎo)仿真分析的結(jié)果與實(shí)測值更接近，該算例中試驗(yàn)與三維仿真結(jié)果之間的差異主要是由于試驗(yàn)過程中受試機(jī)匣所處環(huán)境并非理想自然對流狀態(tài)。

圖4 一維解析和三維仿真分析得到的承載活塞盤外表面沿厚度方向的溫度曲線與試驗(yàn)實(shí)測值Fig.4 The temperature curves of the outer surface of the bearing piston disc along the thickness direction obtained by one-dimensional theoretical analysis，three-dimensional simulation analysis and test

該算例中一維簡化模型的解析解相比三維仿真分析的結(jié)果未考慮活塞盤在有限側(cè)面邊界上的對流和輻射散熱項(xiàng)，所以計(jì)算得到的溫度值偏大，更適合模擬活塞盤中心半徑處沿厚度方向的溫度變化。三維熱傳導(dǎo)仿真分析還可以得到承載活塞盤的溫度場云圖如圖5所示，定性的展現(xiàn)出了活塞盤內(nèi)部的溫度場。

圖5 承載活塞盤溫度場數(shù)值仿真結(jié)果Fig.5 Numerical simulation results of temperature field of bearing piston

2.2 結(jié)構(gòu)受力變形后活塞盤動(dòng)密封設(shè)計(jì)分析

試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)受力變形后密封圈是否仍能夠滿足密封設(shè)計(jì)要求。主要考慮變形后圖2 中A 處動(dòng)密封結(jié)構(gòu)的匹配關(guān)系。壓力加載過程中由于壓力作用會(huì)使圖2 中A 處上對接艙段內(nèi)徑增加，而改變原密封匹配關(guān)系，需要進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算校核。O 型密封圈壓縮率處在10%~25%之間時(shí)，密封性能較好，可以保證密封性。O 型密封圈的壓縮率Y計(jì)算公式為

式中，D為O型密封圈的直徑，單位是mm；B為密封圈溝槽深度，單位是mm。

裝置A處動(dòng)密封結(jié)構(gòu)所采用O型密封圈線徑D為7mm，擬設(shè)初始密封率為25%，對應(yīng)溝槽深度為5.25mm。考慮便于系統(tǒng)裝配，預(yù)留裝配間隙為0.2mm，實(shí)際溝槽深度B為5.05mm。壓力加載過程中動(dòng)態(tài)密封處的結(jié)構(gòu)變化如圖6所示，上對接艙段內(nèi)徑增加為d，為保障試驗(yàn)過程中裝置的密封性能，必須要求密封間隙增加后仍然符合設(shè)計(jì)指標(biāo)，即

圖6 壓力加載過程中動(dòng)密封結(jié)構(gòu)狀態(tài)Fig.6 Change of dynamic seal structure during pressure loading

對試驗(yàn)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)最大載荷下的密封性能數(shù)值計(jì)算分析，上對接艙段在最大壓力下的位移云圖如圖7所示，密封對接處內(nèi)徑增加量d為0.68mm，小于O型密封圈線徑D的15%即1.05mm，表明試驗(yàn)裝置的動(dòng)密封匹配滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 上對接艙段變形仿真計(jì)算結(jié)果Fig.7 Deformation simulation results of upper cabin

3 試驗(yàn)應(yīng)用與驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)載荷

發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣件在工作中主要承受流經(jīng)其內(nèi)部高溫高壓熱氣流所產(chǎn)生的高溫、壓力和機(jī)械載荷作用，考慮壓力載荷對機(jī)匣結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響遠(yuǎn)大于機(jī)械載荷。本例主要研究高溫高壓熱氣流對機(jī)匣件產(chǎn)生熱內(nèi)壓作用的考核試驗(yàn)裝置，并針對性設(shè)計(jì)了高溫高壓承載性能試驗(yàn)條件，見表1。

表1 高溫高壓載荷條件Table 1 Temperature and pressure load conditions

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

利用所設(shè)計(jì)的裝置開展了機(jī)匣件的熱內(nèi)壓試驗(yàn)實(shí)施如圖8 所示。試驗(yàn)過程中，先將機(jī)匣件的內(nèi)壁溫度加熱至目標(biāo)溫度，再按要求階梯加卸載壓力。本試驗(yàn)系統(tǒng)中加熱器的最大功率設(shè)計(jì)為40kW，試驗(yàn)過程中通過加熱系統(tǒng)的PID 控制實(shí)現(xiàn)受試腔體內(nèi)的溫度精確控制。受試腔體內(nèi)壓力加卸載速率的控制是通過調(diào)節(jié)氣源出口處減壓閥的壓力值和受試腔體進(jìn)排氣管道的橫截面積實(shí)現(xiàn)，受試腔體進(jìn)排氣管道的橫截面積可以通過調(diào)節(jié)閥門控制。試驗(yàn)結(jié)果表明所研制的試驗(yàn)裝置具有良好的高溫高壓密封效果，試驗(yàn)系統(tǒng)具有良好的溫度和壓力控制精度，可以滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣件熱內(nèi)壓強(qiáng)度試驗(yàn)考核要求。

圖8 典型機(jī)匣件熱內(nèi)壓試驗(yàn)實(shí)施Fig.8 Implementation of thermal internal pressure test for aero-engine casing

典型載荷1 為承載性能考核條件，溫度為260℃，壓力為0.67MPa。試驗(yàn)過程中加熱器的最大許用功率限制為最大設(shè)計(jì)功率的80%。試驗(yàn)的溫度和壓力控制曲線如圖9 所示，圖中虛線為目標(biāo)曲線，實(shí)線為實(shí)際控制曲線，其中溫度最大值為264.7℃，最小值為252.0℃，滿足溫度偏差±10℃以內(nèi)。壓力穩(wěn)定階段的控制偏差可以穩(wěn)定在±0.025MPa，滿足壓力偏差±5%以內(nèi)。目標(biāo)和控制溫度曲線的對比表明試驗(yàn)系統(tǒng)的溫度控制精度良好，受壓力加載過程的影響不大。目標(biāo)和控制壓力曲線的對比表明試驗(yàn)系統(tǒng)的壓力控制精度良好。

圖9 260℃承載性能試驗(yàn)的溫度壓力控制曲線Fig.9 Temperature and pressure control curve for load-bearing performance test at 260℃

典型載荷2 為設(shè)計(jì)強(qiáng)度考核條件，溫度為370℃，壓力為1.34MPa。試驗(yàn)過程中加熱器的最大許用功率限制為最大設(shè)計(jì)功率的100%。試驗(yàn)的溫度和壓力控制曲線如圖10 所示，圖中虛線為目標(biāo)曲線，實(shí)線為實(shí)際控制曲線，其中溫度最大值為370.3℃，最小值為362.1℃，滿足溫度偏差±10℃以內(nèi)。壓力穩(wěn)定階段的控制偏差可以穩(wěn)定在±0.037MPa，滿足壓力偏差±5%以內(nèi)。目標(biāo)和控制溫度曲線的對比表明試驗(yàn)系統(tǒng)的溫度控制受壓力加載過程的影響明顯，這是由于受到了加熱系統(tǒng)最大加熱功率的限制，可以通過提高加熱系統(tǒng)的加熱器功率解決。目標(biāo)和控制壓力曲線的對比表明試驗(yàn)系統(tǒng)的壓力控制精度良好，同時(shí)也說明熱內(nèi)壓加載過程中溫度的變化對壓力加載精度的影響不明顯。

圖10 370℃承載性能試驗(yàn)的溫度壓力控制曲線Fig.10 Temperature and pressure control curve for load-bearing performance test at 370℃

4 結(jié)論

本文提出了一種可滿足370℃，1.34MPa 的航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料機(jī)匣的熱氣流壓力載荷試驗(yàn)方法。試驗(yàn)驗(yàn)證表明，該試驗(yàn)方法可有效實(shí)現(xiàn)對復(fù)合材料機(jī)匣的熱內(nèi)壓試驗(yàn)考核。所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置能夠有效解耦腔內(nèi)壓力對裝置產(chǎn)生的軸向載荷，避免軸向載荷傳遞至機(jī)匣試驗(yàn)件。相比以往采用的沖壓膠囊和專用柔性傳壓裝置，該裝置采用對內(nèi)腔空氣直接加熱加壓的方式模擬真實(shí)的高溫?zé)釟饬鬏d荷，用以對機(jī)匣件進(jìn)行更真實(shí)的環(huán)境模擬考核。

試驗(yàn)裝置利用了結(jié)構(gòu)傳熱的梯度降溫性能和與環(huán)境的對流散熱作用，實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵密封處的溫度降至低于密封材料的適用上限，有效解決了密封材料屬性的局限，為高溫密封中因材料屬性限制提供了工藝設(shè)計(jì)的解決思路。針對更高溫度的試驗(yàn)需求還可通過局部主動(dòng)降溫的手段實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的控溫，以滿足材料的適用要求。