某航空發動機試車臺排氣系統改造技術研究

薛洪科， 常鴻雯， 胡銘鑫

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015）

0 引言

航空發動機試車臺是對航空發動機進行綜合試驗研究和生產試車的重要設施[1]。根據航空發動機的研制進程要求，從發動機設計開始到最后生產交付部隊使用，需要進行大量的試驗試車工作。試車臺排氣系統的作用是將發動機產生的高溫、高速燃氣排入大氣環境中。由于試車臺排氣系統的引射作用，使試車間內產生氣流的流動，為保證發動機試驗時氣動流場的品質，對試車臺內的氣流速度、空氣流量等都有嚴格的要求，往往這些控制參數都取決于試車臺的排氣系統。

在發動機地面試車臺中，發動機排氣過程類似于引射混合器的工作過程，發動機的尾噴口氣流作為主流，后端排氣系統的排氣筒體為氣流混合管，發動機的尾噴口氣流將試車間內的常溫空氣引射進排氣筒體，兩股氣流在排氣筒體內充分混合降溫后進入排氣消聲塔，再由排氣消聲塔排向大氣。發動機地面試車臺排氣系統的結構形式有所差別，但工作原理相同。

近年來，隨著發動機試車任務的逐漸繁重，對試車臺排氣系統的破壞程度日趨嚴重，在使用過程中經常出現損壞情況，需要比較頻繁地進行修復工作，浪費了大量的時間，嚴重影響了發動機試車任務的進程。為解決上述問題，急需對某航空發動機試車臺排氣系統進行維修改造工作。

1 試車臺排氣系統簡介

1.1 試車臺排氣系統組成

試車臺始建于20世紀90年代，試車臺的排氣系統采用二級引射排氣方式，保證發動機排氣及其所引射冷氣流順利排出的要求。試車臺的排氣系統結構如圖1所示，試車臺排氣系統主要由一級引射筒體、二級引射筒體、開孔擴散器及筒體支撐等部分組成[2]。

圖1 排氣系統結構簡圖

排氣系統的一級引射筒體前端為固定支撐結構，后端為活動支撐結構。在發動機高溫排氣作用下，一級引射筒體會產生軸向膨脹，該膨脹量則由活動支撐結構吸收。活動支撐的兩側均為單立柱鉸接結構，即立柱兩端與地面上的安裝座和筒體上的安裝座均采用圓柱銷連接形式，一級引射筒體受熱膨脹伸長時，立柱向后端擺動來吸收筒體的軸向膨脹位移，一級引射筒體上的安裝座直接焊接在筒體側壁上。

1.2 排氣系統存在的問題

試車臺排氣系統在使用過程中，一級引射筒體多次出現損壞情況，筒體損壞集中表現在兩方面:一方面是一級引射筒體的活動支撐安裝座與筒體焊接位置，筒體側壁經常出現開裂現象；另一方面是一級引射筒體底部約1/3范圍內的筒體側壁損壞嚴重，主要表現為筒體側壁開裂，甚至出現脫落掉塊現象。

1.3 損壞原因簡要分析

根據試車臺排氣系統的工作過程，分析一級引射筒體損壞的原因主要有以下三個方面。

1）在發動機試車過程中，發動機尾噴氣流對一級引射筒產生沖擊，同時有激波等復雜流場產生，從而給引射筒一個復雜的動態載荷。其中部分發動機的尾噴口沿軸線下偏一定角度，如圖2所示，使一級引射筒體承受一定的徑向載荷，由于發動機排氣波動范圍較大，導致一級引射筒體始終處于振動狀態。

2）一級引射筒體后端的活動支撐結構形式抗振能力較差，隨著排氣系統工作時間的增加，圓柱銷與銷孔間隙逐漸增大，導致一級引射筒體在發動機排氣過程中振動加大；活動支撐的安裝座直接焊接在一級引射筒體側壁上，使一級引射筒體上安裝座處的側壁始終承受振動載荷作用，導致筒體材料產生疲勞裂紋。

3）部分發動機的尾噴口沿軸線下偏一定角度。發動機工作過程中尾噴口氣流存在與一級引射筒體接觸的趨勢，發動機最高排氣溫度可達2000 K，排氣雖經過摻混換熱后到達一級引射筒體側壁，但氣流仍處于較高的溫度，一級引射筒體長期在高溫氣流作用下，導致筒體材料產生熱疲勞裂紋。

2 排氣系統改造設計方案

2.1 改造設計任務

通過上述分析，一級引射筒體損壞的主要原因是筒體側壁直接承受振動載荷及筒體局部受熱疲勞。為解決上述問題，本次改造設計任務主要涉及下述兩個方面。

1）由于原有一級引射筒體損壞嚴重，對筒體進行更換，同時對筒體的支撐結構形式進行改進設計，避免支撐結構的安裝座與筒體側壁直接接觸，消除振動載荷對一級引射筒體側壁的直接影響。

2）進行一級引射筒體隔熱設計，解決一級引射筒體直接承受過熱氣流，避免發動機高溫排氣與一級引射筒體側壁直接接觸的問題。

圖3 一級引射筒體結構簡圖

2.2 一級引射筒體及支撐設計方案

在發動機試車臺排氣系統中，一級引射筒體的結構尺寸和位置尺寸是決定排氣系統性能指標的重要參數，為保證試車臺排氣系統性能指標不發生改變，新一級引射筒體的結構尺寸按原筒體設計，同時應保證一級引射筒體在排氣系統中的位置尺寸與原筒體位置保持一致。

一級引射筒體及支撐方案如圖3所示，主要由一級引射筒體、筒體安裝耳、上支撐座和支撐底座等部分組成。

一級引射筒體采用四點支撐結構形式，支撐點布置如圖4所示。支撐點1為固定支撐，限定一級引射筒體的軸向及徑向位置；支撐點2為滑動支撐，限定一級引射筒體的軸向位置，可承受筒體徑向受熱膨脹產生的位移；支撐點3為滑動支撐，限定一級引射筒體徑向位置，可承受筒體軸向受熱膨脹產生的位移；支撐點4為滑動支撐，可同時承受一級引射筒體的軸向及徑向受熱膨脹產生的位移。

圖4 一級引射筒體支撐點示意圖

一級引射筒體的固定支撐為安裝座的平面鋼板接觸，利用螺栓擰緊固定；滑動支撐為安裝座的平面鋼板之間夾裝滾棒的結構形式，并利用螺栓及定距套預留安裝間隙，滑動支撐處的軸向躥動為滾動摩擦，徑向躥動為滑動摩擦。在一級引射筒體的各支撐位置，筒體采用環形“工”字加強筋進行加強，筒體安裝耳焊接在“工”字加強筋上，該結構形式避免一級引射筒體側壁直接承受振動載荷。

2.3 一級引射筒體隔熱設計方案

圖5 一級引射筒體隔熱結構簡圖

根據前述對一級引射筒體損壞分析，并結合試車臺排氣系統的工作實際，一級引射筒體隔熱設計方案采用內襯隔熱導流板的結構形式，即在一級引射筒體內部下端120°范圍內鋪設一層隔熱導流板，隔熱導流板覆蓋整個筒體的長度，隔熱導流板選用耐高溫金屬材料。一級引射筒體隔熱設計方案如圖5所示，主要由隔熱導流板、導流板支撐梁等部分組成。

在一級引射筒體長度方向上，隔熱導流板由多段弧形鋼板組成，多段弧形鋼板采用瓦片搭接式結構形式；導流板支撐梁作為隔熱導流板的支撐骨架，直接焊接在一級引射筒體的筒壁上，為方便隔熱導流板損壞后進行更換，隔熱導流板與支撐梁采用螺栓連接固定的結構形式，螺栓連接固定結構預留吸收導流板熱膨脹的間隙。

上述隔熱結構設計方案中，隔熱導流板與一級引射筒體側壁之間預留一定的高度空間，由隔熱導流板、導流支撐梁和一級引射筒體的筒壁形成一個前后開口的流通腔體，當排氣系統工作時，依靠隔熱導流板承受發動機高溫氣流，由于氣流的引射作用，在上述流通腔體中會有一股常溫冷卻氣流通過，常溫冷卻氣流既對隔熱導流板進行冷卻降溫，同時又將發動機高溫排氣與一級引射筒體側壁進行了有效的隔離，從而避免一級引射筒體受高溫氣流影響。

3 結論

本文對某航空發動機試車臺排氣系統的一級引射筒體及支撐結構進行了改進設計，并對一級引射筒體進行了隔熱保護設計，改進支撐結構的抗振能力明顯優于原有的單立柱鉸接結構，同時隔熱結構設計可有效防止發動機高溫排氣對一級引射筒體的直接影響。通過上述設計方案可有效解決試車臺排氣系統一級引射筒體開裂損壞的問題。