烏英嘎，陳國棟，王海舟

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

在航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度和疲勞試驗(yàn)時，為盡可能模擬發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)，除對轉(zhuǎn)子施加離心載荷外，常常需要施加溫度載荷?！逗娇諟u輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)通用規(guī)范》中明確規(guī)定轉(zhuǎn)子超轉(zhuǎn)試驗(yàn)應(yīng)在“第一級渦輪轉(zhuǎn)子進(jìn)口穩(wěn)態(tài)最高允許的燃?xì)鉁囟取毕逻M(jìn)行，輪盤破裂試驗(yàn)時“內(nèi)孔或盤心材料應(yīng)達(dá)到最高設(shè)計(jì)溫度”[1]。聯(lián)邦航空條例規(guī)定渦輪轉(zhuǎn)子強(qiáng)度要求確定試驗(yàn)條件時，應(yīng)根據(jù)發(fā)動機(jī)的測量溫度準(zhǔn)確分析確定溫度和溫度梯度。若試驗(yàn)狀態(tài)下達(dá)不到上述確定的溫度和溫度梯度，則應(yīng)通過調(diào)整試驗(yàn)轉(zhuǎn)速或葉片質(zhì)量加以補(bǔ)償[2]。通常，航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子試驗(yàn)在中真空（1～1 000 bar）的環(huán)境中進(jìn)行。為在試驗(yàn)過程中更好地保持試驗(yàn)轉(zhuǎn)子溫度穩(wěn)定，同時降低試驗(yàn)器能耗，需要提高試驗(yàn)環(huán)境真空度水平。目前，最先進(jìn)的航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子試驗(yàn)器可以達(dá)到接近高真空的真空度水平。隨著真空度的提高，試驗(yàn)件易于形成均勻溫度場，難以實(shí)現(xiàn)盤緣與盤心之間具有梯度的溫度場。

為實(shí)現(xiàn)盤緣與盤心之間具有梯度的溫度場，本文進(jìn)行了航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子試驗(yàn)方案及其加溫方案設(shè)計(jì)和加溫裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并最終進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子試驗(yàn)方案及加溫方案設(shè)計(jì)

航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子試驗(yàn)在近高真空的環(huán)境下進(jìn)行。試驗(yàn)轉(zhuǎn)子以垂直形式安裝于主軸系統(tǒng)，通過電機(jī)驅(qū)動試驗(yàn)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。試驗(yàn)艙通過真空泵抽真空達(dá)到近高真空的狀態(tài)。在真空試驗(yàn)艙內(nèi)安裝圓柱型加溫裝置，并將試驗(yàn)轉(zhuǎn)子包括在內(nèi)對其實(shí)施加溫。航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子試驗(yàn)方案及加溫方案示意圖見圖1.

2 加溫裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子試驗(yàn)中，通過加溫裝置建立試驗(yàn)轉(zhuǎn)子的溫度場。熱量傳遞的基本方式包括熱傳導(dǎo)、熱對流及熱輻射，在轉(zhuǎn)子試驗(yàn)器的真空條件下，加溫元件到試驗(yàn)件的熱量傳遞主要依靠熱輻射，試驗(yàn)件內(nèi)部的熱量傳遞主要依靠熱傳導(dǎo)。受盤體結(jié)構(gòu)、空間限制、熱量傳遞的影響，輪盤易于形成恒定的均勻溫度場，難以實(shí)現(xiàn)盤緣與盤心之間帶梯度的溫度場。

圖1 航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子試驗(yàn)方案及加溫方案示意圖

2.1 加溫爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

加溫裝置內(nèi)外壁采用0Cr25Ni20不銹鋼鋼管，具有很好的抗氧化性、耐腐蝕性，具有較高的蠕變強(qiáng)度，能在高溫下持續(xù)作業(yè)，具有良好的耐高溫性。加溫裝置內(nèi)外壁之間的保溫層采用硅酸鋁纖維（Al2SiO5）。硅酸鋁具有低導(dǎo)熱率、熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性等特性。

2.2 加溫元件的設(shè)計(jì)

加溫元件采用Cr20Ni80電阻電熱合金，此類合金組織穩(wěn)定，電氣物理特性穩(wěn)定，高溫力學(xué)性能好，冷變形塑性好，焊接性好，長期使用不會產(chǎn)生脆性斷裂。為確定加溫元件的安裝位置，本文進(jìn)行了加溫元件對試驗(yàn)件加熱過程的微元分析，如圖2所示。

根據(jù)角系數(shù)性質(zhì)，可得圖2輻射換熱角系數(shù)為：

本文分別分析加溫裝置上蓋安裝的加溫元件和側(cè)壁安裝的加溫元件對試驗(yàn)件a，b處輻射換熱系數(shù)。加溫元件位置示意圖如圖3所示。

圖2 微元分析圖

圖3 加溫元件位置示意圖

由圖3不難看出，上蓋安裝的加溫元件對試驗(yàn)件a處與b處的輻射換熱角度相差不大。根據(jù)公式（1）可得出結(jié)論，上蓋安裝加溫元件不利于獲得試驗(yàn)件盤緣與盤心之間的溫差。側(cè)壁安裝的加溫元件微元對試驗(yàn)件a處與b處的輻射換熱角度如圖4所示。根據(jù)公式（1）可以得出結(jié)論，側(cè)壁安裝加溫元件更容易獲得試驗(yàn)件盤緣與盤心之間的溫差。因此本文采用側(cè)壁安裝加溫元件的方式對試驗(yàn)件進(jìn)行加溫，所設(shè)計(jì)加溫裝置側(cè)壁安裝有8個均布的加溫元件，示意圖如圖5所示。

圖4 側(cè)壁加熱元件輻射換熱角度示意圖

圖5 加溫元件安裝位置示意圖

2.3 冷卻裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于試驗(yàn)件內(nèi)部的熱傳導(dǎo)作用，加溫時間達(dá)到一定時長時，試驗(yàn)件溫度容易達(dá)到均溫。為實(shí)現(xiàn)帶溫度梯度的溫度場保持較長時間，需在加溫裝置內(nèi)試驗(yàn)件中心部位設(shè)計(jì)冷卻裝置，固定在加溫裝置底部中心位置。本文所設(shè)計(jì)冷卻裝置為螺旋狀不銹鋼水管，該裝置通過不斷流入流出的循環(huán)水可以帶走盤心部位的熱量以實(shí)現(xiàn)盤心部位的冷卻。為避免冷卻水流入后迅速被加熱，通過隔熱擋板進(jìn)行隔離，可有效避免水被迅速加熱，以達(dá)到冷卻效果。本文所設(shè)計(jì)的加溫裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖6 加溫裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

本文對某型發(fā)動機(jī)高壓渦輪轉(zhuǎn)子進(jìn)行加溫試驗(yàn)，在試驗(yàn)前進(jìn)行溫度場調(diào)試。經(jīng)過表1所示3個階段的加溫過程對加溫元件進(jìn)行加溫，并在冷卻裝置中通入循環(huán)水，得到試驗(yàn)件溫度曲線如圖7所示。由圖可見，渦輪盤盤心與渦輪盤盤緣溫差可達(dá)40℃，可以滿足某型發(fā)動機(jī)高壓渦輪轉(zhuǎn)子試驗(yàn)任務(wù)的要求。

表1 加溫過程

圖7 試驗(yàn)件溫度場

4 結(jié)論

為研究近高真空狀態(tài)下航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子試驗(yàn)輪盤帶梯度溫度場的實(shí)現(xiàn)，本文進(jìn)行了航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子試驗(yàn)方案及其加溫方案設(shè)計(jì)和加溫裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過某型高壓渦輪轉(zhuǎn)子試驗(yàn)，驗(yàn)證了試驗(yàn)方案及加溫方案可實(shí)現(xiàn)帶梯度的溫度場。