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(jī)匣是航空發(fā)動機(jī)的重要部件之一，是發(fā)動機(jī)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(gòu)成發(fā)動機(jī)的氣流通道，起到傳遞發(fā)動機(jī)推力的重要作用[1-3]。機(jī)匣在工作中承受著氣動、噪聲、溫度、機(jī)械等負(fù)載載荷的綜合作用，在這些載荷的綜合作用下，可能造成機(jī)匣的靜強(qiáng)度破壞、聲疲勞或振動疲勞破壞，因此要求機(jī)匣需要具備足夠的的強(qiáng)度、剛度、振動、穩(wěn)定性[4,5]。

機(jī)匣內(nèi)外壁面承受的氣動載荷是機(jī)匣承擔(dān)的主要載荷之一。航空發(fā)動機(jī)工作中，燃燒室外機(jī)匣內(nèi)腔存在較大的內(nèi)壓，承受的是內(nèi)外壓差所形成的周向力，周向力占外機(jī)匣應(yīng)力的絕大部分。因此，需要通過內(nèi)壓試驗(yàn)來驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求。另外，目前機(jī)匣設(shè)計(jì)中，減重設(shè)計(jì)是一項(xiàng)重要的指標(biāo)，因此需要通過內(nèi)壓試驗(yàn)校驗(yàn)不同減重設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)機(jī)匣在內(nèi)壓載荷作用下關(guān)鍵部位的應(yīng)力分布以及承載壓力的能力，獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)用于進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

為了能夠模擬燃燒室外機(jī)匣的安裝狀態(tài)以及內(nèi)壓載荷工況，實(shí)現(xiàn)燃燒室外機(jī)匣在規(guī)定內(nèi)壓工況下的應(yīng)力測量，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的試驗(yàn)系統(tǒng)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 載荷及測量要求

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

對機(jī)匣內(nèi)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(jī)匣內(nèi)外壁面上關(guān)鍵部位的應(yīng)變數(shù)據(jù)，獲取機(jī)匣關(guān)鍵部位的應(yīng)力分布情況。

1.2 試驗(yàn)思路簡介

為了滿足以上試驗(yàn)的要求，需設(shè)計(jì)相應(yīng)的試驗(yàn)系統(tǒng)。基本思路如下：

1）該試驗(yàn)系統(tǒng)需包含一套壓力加載系統(tǒng)，對機(jī)匣內(nèi)壁施加均布壓力載荷，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)規(guī)定壓力的加載，具備恒壓控制、升降壓速率控制、壓力數(shù)據(jù)曲線采集保存等能力。

2）該系統(tǒng)需包含一套試驗(yàn)件安裝及密封工裝，可以模擬試驗(yàn)件的安裝邊界，與工裝裝配后可以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)件內(nèi)部腔體的密封。

3）該系統(tǒng)需包含一套應(yīng)力采集系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)觀察和采集試驗(yàn)過程中的應(yīng)變情況。同時(shí)，該系統(tǒng)需能將試驗(yàn)件內(nèi)壁上的應(yīng)變片線纜導(dǎo)出與應(yīng)變采集儀相連接，同時(shí)保證試驗(yàn)件內(nèi)部腔體的密封性。

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

2 試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)整體介紹

試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。試驗(yàn)系統(tǒng)包括試驗(yàn)件及堵頭、試驗(yàn)工裝、試驗(yàn)壓力加載系統(tǒng)、應(yīng)變測量系統(tǒng)、應(yīng)變片等組成。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)簡介圖

2.2 試驗(yàn)工裝

機(jī)匣壓力試驗(yàn)試驗(yàn)工裝設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 機(jī)匣壓力試驗(yàn)工裝示意圖

試驗(yàn)工裝由固定底座、承力拉桿、轉(zhuǎn)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(yàn)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(yàn)件上法蘭與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)密封。密封方式如圖3所示。采用此種密封方式的優(yōu)點(diǎn)是：①使試驗(yàn)件僅受周向力，而不承受軸向力；②該密封結(jié)構(gòu)在承受內(nèi)部壓力時(shí)，將轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jìn)行密封。承力拉桿承受內(nèi)部壓力產(chǎn)生的軸向力。

2.3 試驗(yàn)件堵頭堵蓋密封設(shè)計(jì)

燃燒室機(jī)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(gè)結(jié)合面將紫銅墊擠壓變形，使得紫銅墊的兩個(gè)表面與兩個(gè)結(jié)合面緊密貼合沒有絲毫縫隙，從而得到密封效果。為達(dá)到密封效果，一般在使用前進(jìn)行退火處理，其目的是讓紫銅密封圈變軟，以達(dá)到更好的密封效果。

2.4 試驗(yàn)壓力加載系統(tǒng)

考慮到試驗(yàn)實(shí)施的安全性，機(jī)匣內(nèi)腔中通油壓的方式實(shí)現(xiàn)規(guī)定的壓力載荷。加載介質(zhì)為液壓油。

液壓加載系統(tǒng)采用高壓油泵，可實(shí)現(xiàn)的最高壓力為21 MPa。利用配套的MOOG液壓控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)輸出壓力加載值及加載速度的調(diào)節(jié)和控制，可按照編制的實(shí)施程序?qū)崿F(xiàn)試驗(yàn)規(guī)定的加載步驟。

2.5 試驗(yàn)測量系統(tǒng)

試驗(yàn)中需要實(shí)時(shí)測量的數(shù)據(jù)包括試驗(yàn)件內(nèi)部壓力的變化值以及各應(yīng)變測量點(diǎn)的應(yīng)變值。

采用數(shù)據(jù)采集儀實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和保存。試驗(yàn)前，將壓力傳感器和應(yīng)變片連接到數(shù)據(jù)采集儀。對試驗(yàn)件加壓之前，開啟數(shù)據(jù)采集儀，加壓過程中，可全程記錄壓力傳感器和應(yīng)變片的數(shù)據(jù)。

2.6 測試電纜密封

機(jī)匣內(nèi)表面的應(yīng)變片連接電纜需要通過工裝上的孔引出到試驗(yàn)件腔體外部，同時(shí)引出孔處需要做密封處理。

根據(jù)信號傳導(dǎo)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(nèi)外電纜的連接器，該航空插頭采用玻璃燒結(jié)工藝，同時(shí)具有密封和耐高壓的作用，通過試驗(yàn)驗(yàn)證，最高耐壓可達(dá)到15 MPa。

2.7 應(yīng)變片的防護(hù)

機(jī)匣腔體內(nèi)表面需進(jìn)行應(yīng)變測量，試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)變片將浸泡在油液中，采用常用的粘貼和防護(hù)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(hù)工藝。

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

2.8 試驗(yàn)的防護(hù)

由于試驗(yàn)壓力較高，若在加壓過程中試驗(yàn)件發(fā)生破裂，則存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

針對本試驗(yàn)制定了安全防護(hù)方案：

1）選取專用試驗(yàn)間進(jìn)行試驗(yàn)，對試驗(yàn)間進(jìn)行人員隔離，試驗(yàn)加壓和數(shù)據(jù)采集均在試驗(yàn)間外進(jìn)行；

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

3）試驗(yàn)中采用攝像頭對試驗(yàn)件的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和錄像，便于試驗(yàn)件狀態(tài)的監(jiān)測。

3 試驗(yàn)系統(tǒng)驗(yàn)證及結(jié)果

該試驗(yàn)方法和系統(tǒng)已應(yīng)用于某型號航空發(fā)動機(jī)燃燒室減薄機(jī)匣的壓力試驗(yàn)，機(jī)匣與試驗(yàn)工裝的裝配狀態(tài)見圖4。機(jī)匣內(nèi)表面應(yīng)變測點(diǎn)位置示意見圖5。試驗(yàn)中得到的部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線見圖6和圖7。圖6中給出某次壓力加載試驗(yàn)中壓力載荷的控制曲線。圖7中展示了機(jī)匣內(nèi)部部分應(yīng)變測點(diǎn)的應(yīng)變測試曲線。從曲線中可以看出，該試驗(yàn)系統(tǒng)壓力加載控制穩(wěn)定，處于油液中應(yīng)變測點(diǎn)處測量的應(yīng)變數(shù)據(jù)測量可靠有效。同通過多次加載試驗(yàn)的驗(yàn)證，該試驗(yàn)方法和系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定型，多次試驗(yàn)的應(yīng)變獲取率均為100 %。

圖4 機(jī)匣與試驗(yàn)工裝的裝配狀態(tài)

圖5 機(jī)匣內(nèi)表面應(yīng)變片安裝位置和編號示意圖

圖6 某次試驗(yàn)的壓力加載控制曲線

圖7 各測量點(diǎn)的應(yīng)力測量曲線（A1-內(nèi)、B1-內(nèi)、B2-內(nèi)）

4 結(jié)論

通過試驗(yàn)方法和試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在燃燒室機(jī)匣壓力試驗(yàn)中，各密封部位密封良好，未出現(xiàn)液壓油泄露情況，機(jī)匣內(nèi)腔壓力加載控制穩(wěn)定。機(jī)匣內(nèi)壁應(yīng)變片粘貼工藝可保證應(yīng)變片在油液中粘貼質(zhì)量可靠，應(yīng)變片信號線纜轉(zhuǎn)接及密封方式可靠有效，應(yīng)變數(shù)據(jù)獲取率為100 %，能夠?yàn)闄C(jī)匣結(jié)構(gòu)考核和優(yōu)化提供有價(jià)值的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。