王強(qiáng)， 劉宜勝， 方杰， 劉俊

（中國(guó)航發(fā)上海商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限責(zé)任公司試驗(yàn)驗(yàn)證中心，上海201306）

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò)程中，需開(kāi)展大量的零部件、系統(tǒng)以及核心機(jī)、整機(jī)的研發(fā)試驗(yàn)，以驗(yàn)證功能、性能、結(jié)構(gòu)完整性以及修正設(shè)計(jì)分析模型，總時(shí)數(shù)可達(dá)十幾萬(wàn)小時(shí)以上[1-2]。伴隨試驗(yàn)的開(kāi)展，需布置大量、多種測(cè)試儀器以獲取各類數(shù)據(jù)，并監(jiān)視試驗(yàn)件的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。一般的測(cè)試項(xiàng)目包括流路中各截面的溫度和壓力等氣動(dòng)性能參數(shù)，轉(zhuǎn)靜子件的壁面溫度和振動(dòng)應(yīng)力等的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度參數(shù)，以及動(dòng)態(tài)壓力、葉尖間隙、軸向力等安全監(jiān)測(cè)參數(shù)。在部件和整機(jī)的專項(xiàng)試驗(yàn)中，一次上臺(tái)的測(cè)試項(xiàng)目可超過(guò)1000點(diǎn)，布置如此大量的測(cè)試儀器，必然會(huì)對(duì)試驗(yàn)件的氣動(dòng)性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度產(chǎn)生影響。為了在獲得足夠有效數(shù)據(jù)的同時(shí)，將對(duì)試驗(yàn)件的負(fù)面影響降低到可接受的程度，除了在測(cè)試手段上做文章以外，還應(yīng)在試驗(yàn)件設(shè)計(jì)上統(tǒng)籌考慮測(cè)試需求，以支持測(cè)試過(guò)程的實(shí)現(xiàn)，也即試驗(yàn)件應(yīng)有好的固有測(cè)試性[3-5]。

針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)試項(xiàng)目繁多的特點(diǎn)，可以從試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)、加工和裝配的工藝設(shè)計(jì),以及試驗(yàn)測(cè)試工作流程等方面開(kāi)展，提高試驗(yàn)件的固有測(cè)試性。

1 試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)

長(zhǎng)期以來(lái)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)領(lǐng)域存在著先做產(chǎn)品設(shè)計(jì)，再基于產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)件改裝設(shè)計(jì)的現(xiàn)象，甚至直接借用產(chǎn)品圖樣或硬件。但是往往由于進(jìn)度緊張，試驗(yàn)件的改裝不夠充分，其可測(cè)試性不足。產(chǎn)品的設(shè)計(jì)非常重視對(duì)重量和尺寸的控制，結(jié)構(gòu)緊湊，強(qiáng)度裕度有限。這樣在試驗(yàn)件上做打孔走線或者布置測(cè)試儀器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，特別是涉及到旋轉(zhuǎn)件上的測(cè)試項(xiàng)目，往往會(huì)發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度不足或者空間過(guò)于狹小，難以布置測(cè)試儀器，甚至不得已取消部分測(cè)點(diǎn)。因此必須根據(jù)測(cè)試手段開(kāi)展試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)，以達(dá)到試驗(yàn)的根本目的。

1.1 改變零件連接方式

零件的連接方式主要是從產(chǎn)品的焊接式連接或者一體式結(jié)構(gòu)，改為螺栓連接或者分體式結(jié)構(gòu)，使得后續(xù)的加工裝配工作更靈活，以便于測(cè)試布線。

對(duì)于多級(jí)壓氣機(jī)各級(jí)轉(zhuǎn)子葉片的動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)，一般將動(dòng)應(yīng)力測(cè)試引線沿鼓筒內(nèi)壁固定，并穿過(guò)前面級(jí)盤，向前引到前軸頸，并經(jīng)由滑環(huán)引電器或者遙測(cè)裝置將信號(hào)輸出。

但是為降低重量、減少零件數(shù)等目的，目前的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子大量采用鼓筒焊接結(jié)構(gòu)[6]，這樣就導(dǎo)致在壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子上的測(cè)試引線難以實(shí)施。因此，在不影響試驗(yàn)?zāi)康牡那闆r下，可以將各級(jí)鼓筒用螺栓連接，并且鼓筒臂均布置在同一側(cè)，如圖1（a）所示，各級(jí)鼓筒臂均在盤的右側(cè)且均為螺栓連接。這樣就可以在從第1級(jí)裝配到第10級(jí)的過(guò)程中，逐級(jí)穿線，實(shí)現(xiàn)將后面級(jí)測(cè)試信號(hào)引到前端的目的，如圖1（b）所示。

圖1 鼓筒螺栓連接結(jié)構(gòu)

這樣的結(jié)構(gòu)極大方便了后續(xù)加工和裝配過(guò)程中的測(cè)試布線工作，研發(fā)階段的性能試驗(yàn)件設(shè)計(jì)可以參考此種結(jié)構(gòu)。另外，一般壓氣機(jī)前幾級(jí)都采用鈦合金整體葉盤，這樣在葉片上粘貼應(yīng)變片時(shí)，如果需要進(jìn)爐烘烤就非常不便，因此對(duì)于氣動(dòng)試驗(yàn)盡量不用整體葉盤，既便于測(cè)試實(shí)施也降低了材料和加工的成本。

1.2 調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)支點(diǎn)位置

根據(jù)適航規(guī)定CCAR 33.83條[7]，必須對(duì)所有的葉片、盤、軸等做振動(dòng)測(cè)試以證明其振動(dòng)特性在整個(gè)聲明的飛行包線范圍內(nèi)是可接受的。為了準(zhǔn)確了解葉片的振動(dòng)特性，必須在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作狀態(tài)下測(cè)定其自振頻率（動(dòng)頻）及動(dòng)應(yīng)力[8]。涉及到轉(zhuǎn)子件的部分，最直接的做法就是在整機(jī)狀態(tài)下監(jiān)測(cè)上述所有零件的動(dòng)應(yīng)力?？紤]旋轉(zhuǎn)信號(hào)傳輸裝置的安裝空間和工作環(huán)境，整機(jī)狀態(tài)下只有高壓壓氣機(jī)前端的由軸承腔外壁、前軸頸以及壓氣機(jī)盤構(gòu)成的空間才有可能安裝，但是此處空間仍然非常狹小，可以考慮修改發(fā)動(dòng)機(jī)總體布局，臨時(shí)將此處支點(diǎn)前移騰出空間，這種做法已在國(guó)外有所應(yīng)用。

發(fā)動(dòng)機(jī)支點(diǎn)位置調(diào)整帶來(lái)非常大的分析工作量，代價(jià)較大，因此在測(cè)試手段上，也需要繼續(xù)研究信號(hào)傳輸裝置小型化以及非接觸法（如葉尖定時(shí)法）用于監(jiān)測(cè)整機(jī)狀態(tài)下葉片振動(dòng)特性的技術(shù)。

1.3 增加測(cè)試輔助結(jié)構(gòu)

為避免在試驗(yàn)件上打過(guò)多的測(cè)試引線孔，或者為了支撐測(cè)試引線時(shí)，需要考慮設(shè)置測(cè)試輔助結(jié)構(gòu)。

如圖1（a）中設(shè)置的核心機(jī)軸心測(cè)試引線管。壓氣機(jī)盤心處的腔壓測(cè)試引線以及高壓渦輪旋轉(zhuǎn)件的測(cè)試引線就可以經(jīng)由此引線管引至前端信號(hào)傳輸裝置處。

另外，各種測(cè)試引線如果不加整理地放置于試驗(yàn)件外部，相互之間以及測(cè)試線與試驗(yàn)件本體的各種管路之間會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的干涉，后續(xù)與試驗(yàn)設(shè)備的連接以及通道檢查和故障排查也將非常困難。因此需要在試驗(yàn)件外部設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)，并將不同測(cè)試參數(shù)的引線向著其與試驗(yàn)設(shè)備的連接方向布置。如圖2所示的壓氣機(jī)試驗(yàn)件，近800個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)試引線，按照試驗(yàn)設(shè)備上的數(shù)采位置，將溫度、振動(dòng)、動(dòng)應(yīng)力等測(cè)試引線梳理至試驗(yàn)件的左側(cè)；將壓力、間隙、葉尖振幅等測(cè)試引線梳理至試驗(yàn)件右側(cè)。

1.4 融合測(cè)試元件與本體設(shè)計(jì)

利用試驗(yàn)件本體結(jié)構(gòu)，將測(cè)試元件集成其上，既實(shí)現(xiàn)測(cè)量，又最大程度減少對(duì)試驗(yàn)件本體的改動(dòng)以及對(duì)流動(dòng)的干涉，應(yīng)是一種值得重點(diǎn)考慮的措施。

比如常用的葉型受感部，如圖3（a）所示，需要將測(cè)試元件安裝在葉片表面，這就不可避免地對(duì)氣動(dòng)性能產(chǎn)生影響。隨著新技術(shù)應(yīng)用水平的成熟，為改善其型面質(zhì)量，可以考慮采用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)一體成型，如圖3（b）所示。

圖2 試驗(yàn)件外部的測(cè)試引線支撐結(jié)構(gòu)

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)軸向力，國(guó)內(nèi)通常采用分立器件——測(cè)力環(huán)進(jìn)行測(cè)量，這種方法要求彈支與軸承座分離并保持一定的間隙，而較大的間隙會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)靜子配合以及轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)造成負(fù)面影響。因此可以考慮直接在彈支輻條上粘貼應(yīng)變片進(jìn)行軸向力測(cè)量的方法，如圖3（c）所示。當(dāng)然，這種方法也需要彈支的設(shè)計(jì)有足夠的空間用于布置應(yīng)變片，也要有足夠的應(yīng)變量滿足測(cè)量靈敏度的要求。

對(duì)于壁溫測(cè)試，傳統(tǒng)手段在被測(cè)表面埋設(shè)熱電偶，這對(duì)被測(cè)件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和氣動(dòng)性能都會(huì)產(chǎn)生影響，而采用電鍍、真空蒸發(fā)、真空濺射等技術(shù)將薄膜熱電偶直接鍍制在被測(cè)表面，不但影響小，而且具有質(zhì)量小、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)[9]。

1.5 強(qiáng)度設(shè)計(jì)的考慮

關(guān)于試驗(yàn)件強(qiáng)度評(píng)估，其準(zhǔn)則和壽命要求應(yīng)按照其試驗(yàn)周期、循環(huán)數(shù)以及工況來(lái)確定，而不是按照產(chǎn)品的要求，兩者的評(píng)價(jià)結(jié)果會(huì)有天壤之別。

圖3 測(cè)試元件與本體的融合設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

圖4 輪盤與安裝邊的測(cè)試開(kāi)孔結(jié)構(gòu)

對(duì)于測(cè)試改裝確實(shí)導(dǎo)致強(qiáng)度評(píng)估無(wú)法通過(guò)的，就需要考慮局部加強(qiáng)的設(shè)計(jì)，比如圖4所示在盤和法蘭邊上的測(cè)試開(kāi)孔，可以適當(dāng)增加盤和法蘭邊的厚度，或者采用空心螺栓用以走線，減少開(kāi)孔。

2 試驗(yàn)件加工工藝

由于測(cè)試接口的存在，以及部分測(cè)試布線需要在加工的過(guò)程中進(jìn)行，因此需要調(diào)整正常的加工工藝以適應(yīng)這種變化，包括工序的調(diào)整，以及采取保護(hù)措施減小或避免測(cè)試布線與試驗(yàn)件加工的相互影響。

如圖5所示的壓氣機(jī)第8、9、10級(jí)焊接連接的鼓筒結(jié)構(gòu)，在無(wú)測(cè)試布線的情況下，3級(jí)鼓筒可以同時(shí)電子束焊接，但是為了測(cè)試布線，就需要在焊接鼓筒的工序中加入測(cè)試布線的步驟，逐級(jí)焊接、布線，相應(yīng)地，也需要調(diào)整工裝的結(jié)構(gòu)和數(shù)量。在焊接過(guò)程中，對(duì)于離焊縫較近的測(cè)試引線，需要采取保護(hù)措施以免被焊接產(chǎn)生的高溫?fù)p壞。在焊后的車鎖底、打孔等工序中，避免刀具對(duì)測(cè)試線的干涉破壞，以及冷卻液、金屬屑對(duì)測(cè)試線的腐蝕、堵塞和對(duì)絕緣性的破壞。在做熒光檢查前，需要保護(hù)測(cè)試線，以免在將被檢件浸入熒光液處理時(shí)影響其絕緣性和產(chǎn)生堵塞。

對(duì)于高壓渦輪葉片的動(dòng)應(yīng)力和壁面溫度測(cè)量，由于表面有熱障涂層，一般需要先去除引線路徑上的涂層，再安裝測(cè)量元件。這樣加長(zhǎng)了整個(gè)工作周期，且影響涂層質(zhì)量?？梢栽趪娡繉又鞍惭b測(cè)量元件，然后一并噴涂完畢，節(jié)約資源也便于控制涂層質(zhì)量。

3 試驗(yàn)件裝配工藝

測(cè)試引線經(jīng)常需要跨越零件、組件甚至單元體，因此在試驗(yàn)件的裝配工藝中，應(yīng)考慮測(cè)試布線穿插工作的需求，在裝配周期、順序、工裝工具以及裝配方式上做適宜性調(diào)整。

如壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片動(dòng)應(yīng)力測(cè)量，由于裝配過(guò)程中葉尖磨工序?qū)θ~片的振動(dòng)會(huì)降低葉片上應(yīng)變片的可靠性，所以可以考慮先做葉尖磨，然后分解葉片進(jìn)行應(yīng)變片貼片工作?；蛘邔⑿枰贾脩?yīng)變片的葉片提前磨短以保證葉尖磨過(guò)程中不會(huì)碰磨到葉片，這種少量的磨短不會(huì)顯著改變?nèi)~片的振動(dòng)特性。

4 固有測(cè)試性提升的流程保證

前面的論述都是從技術(shù)層面探討提升固有測(cè)試性的方法，從中可看出，落實(shí)這些技術(shù)措施的根本保障，是在管理上保證測(cè)試工作盡早介入試驗(yàn)件設(shè)計(jì)乃至試驗(yàn)策劃中，并行開(kāi)展。

圖5 鼓筒焊接結(jié)構(gòu)示意圖

國(guó)內(nèi)外都存在著試驗(yàn)件設(shè)計(jì)完以后才考慮測(cè)試需求的現(xiàn)象，NASA已經(jīng)在20世紀(jì)90年代末期討論了這一現(xiàn)象的弊端和教訓(xùn)，并提出了將測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)集成到整個(gè)項(xiàng)目生命周期中的工作思路。在項(xiàng)目的初步分析（preliminary analyses）階段理解客戶需求和任務(wù)要求，制定初步的測(cè)試工作計(jì)劃并分析相關(guān)測(cè)試技術(shù)需求、風(fēng)險(xiǎn)領(lǐng)域和資源要求；在定義和初步設(shè)計(jì)（Definition and Preliminary Design）階段，確保測(cè)試系統(tǒng)及其子系統(tǒng)的指標(biāo)滿足用戶需求，并對(duì)相關(guān)的測(cè)試技術(shù)需求、風(fēng)險(xiǎn)領(lǐng)域以及資源要求確定基線；在詳細(xì)設(shè)計(jì)（design）階段，做測(cè)試系統(tǒng)及子系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)，保證全面滿足客戶需求；在運(yùn)行（operation）階段，記錄、評(píng)估運(yùn)行結(jié)果與故障，并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

圖6 試驗(yàn)測(cè)試工作流程

無(wú)論是NASA還是國(guó)內(nèi)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制機(jī)構(gòu)，乃至系統(tǒng)工程手冊(cè)中對(duì)產(chǎn)品的生命周期定義都大同小異?？梢栽谠囼?yàn)件研制中參照應(yīng)用，按照系統(tǒng)工程的方法，聚焦試驗(yàn)過(guò)程，將試驗(yàn)測(cè)試工作劃分為試驗(yàn)策劃、試驗(yàn)準(zhǔn)備、試驗(yàn)實(shí)施和試驗(yàn)分析4個(gè)階段，如圖6所示，給出每個(gè)階段包括測(cè)試工作在內(nèi)的交付物和輸入輸出關(guān)系，確保需求和方案之間的迭代和確認(rèn)。

在試驗(yàn)策劃階段，理解測(cè)試需求，確定測(cè)試內(nèi)容和測(cè)試設(shè)計(jì)的輸入信息，梳理測(cè)試技術(shù)難點(diǎn)項(xiàng)目并實(shí)施攻關(guān)工作；在試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，開(kāi)展測(cè)試系統(tǒng)及子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，過(guò)程中與試驗(yàn)件本體設(shè)計(jì)持續(xù)迭代與確認(rèn)；在后續(xù)的實(shí)施和分析階段跟蹤評(píng)估測(cè)試系統(tǒng)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

由于涉及專業(yè)較多，有必要組織集成產(chǎn)品研發(fā)團(tuán)隊(duì)（IPDT）[10]，協(xié)調(diào)試驗(yàn)件設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、測(cè)試、制造以及計(jì)劃管理等各個(gè)專業(yè)，確保技術(shù)和進(jìn)度的溝通協(xié)同。

5 結(jié)語(yǔ)

固有測(cè)試性是產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)測(cè)試過(guò)程的支持程度，為保障航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)過(guò)程中大量的測(cè)試需求得以滿足，需要系統(tǒng)策劃，保證在研發(fā)活動(dòng)的早期階段啟動(dòng)測(cè)試工作并貫穿整個(gè)研發(fā)過(guò)程。由于使用目的不同，試驗(yàn)件和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求也不同，需要將測(cè)試系統(tǒng)作為試驗(yàn)件的一部分來(lái)考慮，與試驗(yàn)件本體設(shè)計(jì)并行開(kāi)展并迭代，并檢查測(cè)試項(xiàng)目的必要性、測(cè)試手段的可行性和測(cè)試接口的可實(shí)現(xiàn)性。針對(duì)測(cè)試布線的實(shí)施，需分析加工、裝配和測(cè)試布線中的每一道工序及其相互影響因素，合理設(shè)計(jì)工藝過(guò)程。

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（責(zé)任編輯 張立明）