民用航空發動機靜承壓件條款解析

華繼偉 王立 郭林林 劉創

摘 ?要：本文對《航空發動機適航規定》CCAR-33R2第33.64條“發動機靜承壓件”條款中關于適用對象、符合性驗證方法、工作壓力、工作溫度、材料和工藝、幾何和安裝及評判準則等進行了詳細解析。以解析為基礎，確定了某民用渦軸發動機滑油管路靜壓試驗的試驗方案、試驗主要技術參數和試驗大綱并完成了試驗，試驗結果符合適航條款要求，試驗通過了適航審查。

關鍵詞：靜承壓件;解析;滑油管路;壓力試驗

中圖分類號：V23 ?文獻標識碼：A??文章編號：1671-2064（2019）17-0000-00

中國民航局（CAAC）發布的《航空發動機適航規定》是航空發動機進入民用領域的最低安全標準，對保障我國民用航空領域發動機的使用安全和促進民用航空事業的發展發揮了重要作用。國內現行的《航空發動機適航規定》為CCAR-33R2，CCAR-33R2中第33.64 “發動機靜承壓件”為新增條款，本文針對此條款進行解析，并結合某渦軸發動機滑油管路符合性驗證試驗進行說明。

1 CCAR33.64條款技術內涵

1.1適用對象

本條款適用于發動機承受較大氣體或液體壓力載荷的所有發動機靜零件，包括但不限于壓氣機、燃燒室、擴散器與渦輪機匣;換熱器;溢流閥螺線管;發動機起動機;燃料、油與液壓系統零件等。

1.2符合性驗證方法

航空發動機靜承壓件的條款符合性必須通過試驗、已驗證的分析或兩者結合的方法來證明。

發動機靜承壓件通常需要進行靜壓試驗來驗證條款符合性，如果已有設計零件通過試驗驗證或外場經驗證明零件符合條款要求，可用分析技術驗證條款符合性。

條款符合性驗證試驗分為耐壓試驗和極限壓力試驗。耐壓試驗用以驗證靜承壓件滿足CCAR33.64（a）（1）的要求，極限壓力試驗用以驗證靜承壓件滿足CCAR33.64（a）（2）的要求。

1.3影響因素和參數

1.3.1 工作壓力

發動機工作壓力水平必須根據發動機工作特性結合發動機靜承壓件咨詢通告（AC33.64-1）中相關壓力水平的定義給定。AC33.64-1給出CCAR33.64條款中靜承壓件壓力水平定義如下：

正常工作壓力（NWP）：在大多數飛行中可能發生的最大壓差，包括閥門和通氣口正常工作產生的壓力波動（喘振）。

最大工作壓力（MWP）：在使用中可能遇到的最不利工作條件下（如前向速度、高度、環境溫度、發動機轉速、使用OEI功率）產生的最大壓差，包括閥門和通氣口正常工作產生的任何壓力波動及重大喘振壓力。

最大可能壓力（MPP）：在使用中可能遇到的最不利工作條件下（如前向速度、高度、環境溫度、發動機轉速、使用OEI功率），連同發動機或控制系統相關部件失效，或者發生概率大于極小可能的失效組合條件下，產生的最大壓差。應當考慮包含重大喘振壓力在內的由控制裝置和閥門設備正常或應急工作引起的任何脈動壓力。

根據規章要求，靜壓試驗的壓力取最惡劣情況。耐壓試驗的壓力取1.1倍MWP、1.33倍NWP和NWP+35kPa三個計算值中的大值;極限壓力試驗的壓力取1.15倍MPP、1.5倍MWP和MPP+35kPa三個計算值中的大值。

1.3.2 工作溫度

靜壓試驗的壓力選取需要考慮零件工作溫度：

（1）如果靜承壓件在發動機工作過程中承受熱應力，應對試驗壓力進行熱應力修正。如果熱應力對靜承壓件的影響不能通過修正試驗壓力來模擬，那么必須對不考慮熱應力試驗結果的有效性進行分析。此條主要適用對象是渦輪機匣等工作溫度梯度較大的靜承壓件。

（2）靜承壓件的靜壓試驗理論上需要在最大工作溫度下進行。若試驗在其他溫度下進行，必須考慮最大工作溫度和試驗溫度下的靜承壓件材料性能的差異。以試驗溫度20℃為例，需要加權溫度系數來對試驗壓力進行修正，溫度系數計算公式如下：

注：T為零件的工作溫度。

1.3.3 其他靜載荷

壓力試驗的壓力選取需要考慮的除壓力載荷外任何其他重要靜載荷：

（1）如果除壓差引起的載荷外，零件還承受其它載荷（如機動飛行載荷，發動機安裝節載荷等），應根據這些載荷的影響對試驗壓力進行修正。如果這些載荷對靜承壓件的影響不能通過修正試驗壓力來模擬，那么試驗時必須對靜承壓件施加這些載荷。此條主要適用對象是渦輪機匣等處于傳力路線上的靜承壓件。

（2）如果零件在工作中經受的壓力隨零件位置（內部或外部應力梯度）變化，那么靜壓試驗必須對靜壓件所處壓力場進行模擬。此條主要適用對象是壓氣機機匣等所受壓力隨位置變化的靜壓承力件。

1.3.4 材料和工藝

壓力試驗的壓力選取需要考慮零件的材料的最低性能和加工工藝。

（1）如果靜承壓件有多種材料構成，選取最低性能材料的最低性能作為試驗壓力選取依據。

（2）如果靜承壓件采用焊接等形式加工而成，需要考慮加工工藝對母材性能的影響，需要加權工藝系數來對試驗壓力進行修正，工藝系數根據相關材料和設計規范制定。

1.3.5 幾何和安裝

壓力試驗的壓力選取需要考慮型號設計允許的任何不利的幾何形狀的影響：

（1）部件壓力試驗應該在關鍵零件位置處模擬與發動機工作狀態一致的實際安裝和約束條件。

（2）耐壓承力件本身型號設計允許的任何不利的幾何形狀。

為保證壓力試驗的有效性，需要加權幾何和安裝系數來對試驗壓力進行修正，系數計算方法如下：

耐壓承力件的上公差（下公差）-耐壓承力件安裝接口之間的下公差（上公差）累積|作為零件裝配應變，通過計算得到裝配應力，從而得到幾何安裝系數。

1.4評判準則

CCAR33.64規定發動機靜承壓件設計必須滿足以下要求：

（1）發動機靜承壓件在經受§33.64（a）（1）和（b）規定的壓力載荷時可以穩定保持一分鐘而不出現超過使用限制的永久變形或者發生可能導致危害性發動機后果的泄漏。

（2）發動機靜承壓件在經受§33.64（a）（2）和（b）規定的壓力載荷時可以穩定保持一分鐘而不發生破裂或爆破。

2某渦軸發動機滑油管路靜壓試驗

某渦軸發動機滑油管路靜壓試驗是發動機取證試驗之一，靜壓試驗的試驗壓力影響因素和參數根據上述條款解析選取。

2.1影響因素和參數

2.1.1壓力

發動機設計規范中已給定滑油系統管路的工作壓力和工作溫度，見表1。

2.1.2溫度

試驗環境溫度和試驗介質溫度取20±5℃，試驗需要考慮試驗溫度與工作溫度水平下材料性能的差異。

滑油管路材料不同溫度下的性能見圖1。

根據表1和圖1可求得滑油管路試驗壓力溫度系數，見表2。

2.1.3其他靜載荷

滑油管路不處在發動機傳力路線上，受到的機動飛行載荷等載荷的影響較小，可不考慮。

滑油管路安裝在發動機外部，處于大氣環境中，壓力均勻;滑油管路內部為滑油通道，管路本身流阻很小，內部壓力均勻。

綜上所述滑油管路靜壓試驗可不考慮其受到的其他靜載荷。

2.1.4材料和工藝

試驗所選滑油管路由不銹管管和管接頭焊接而成，由數據可知，馬氏體不銹鋼和奧氏體不銹鋼不同組織的焊接接頭抗拉強度與奧氏體不銹鋼母材相接近。與奧氏體不銹鋼母材相比，抗拉強度下降了2.04%;與馬氏體不銹鋼母材相比，抗拉強度下降了12.9%。根據上訴資料結合管路設計規范確定管路的工藝系數。

耐壓試驗工藝系數：

K2_PP=1.15

極限壓力試驗工藝系數：

K2_up=1.25

2.1.5幾何和安裝

根據靜壓試驗的滑油管路和安裝接口的公差，求得相應的裝配應變為1mm，經過換得到幾何和安裝系數K3=1.15。

2.2試驗壓力計算

2.2.1耐壓試驗壓力計算

A=MWP×1.1×K1_PP（MWP） ×K2_PP×K3

B=NWP×1.33×K1_PP（NWP） ×K2_PP×K3

C=（ NWP+35）×K1_PP（NWP） ×K2_PP×K3

D=MAX（A，B，C）

根據計算得到D=3259Mpa，耐壓試驗壓力取值3500Mpa。

2.2.2極限壓力試驗壓力計算

A=MPP×1.15×K1_UP（MPP） ×K2_UP×K3

B=MWP×1.5×K1_UP（MWP） ×K2_UP×K3

C=（ MPP+35）×K1_UP（MPP） ×K2_UP×K3

D=MAX（A，B，C）

根據計算得到D=4166Mpa，極限壓力試驗壓力取值4500Mpa。

2.3試驗原理

某渦軸發動機典型管路壓力試驗原理如圖2所示，壓力試驗通過壓力表控制管路內試驗介質的壓力，通過溫控箱控制試驗介質的溫度，通過試驗臺的相關設備控制試驗環境溫度。

2.4試驗過程概述

滑油管路靜壓試驗分為耐壓試驗和極限壓力試驗：耐壓試驗需要滑油管路中的試驗介質在3500MPa壓力水平上穩定1分鐘;極限壓力試驗需要滑油管路中的試驗介質在4500MPa壓力水平上穩定1分鐘。兩個試驗的試驗環境溫度和管路中的試驗介質溫度都需要控制在20±5℃。

2.5試驗結果

用于耐壓試驗滑油管路未發生超出設計要求變形，試驗過程中未發生泄露;用于極限壓力試驗滑油管路未發生破裂或爆破。試驗大綱和試驗條件獲得審查組批準，整個試驗審查組全程目擊，試驗通過適航審查。

3結語

本文對CCAR-33R2中第33.64 條“發動機靜承壓件”條款進行了詳細解析，以此為基礎，確定了某民用渦軸發動機滑油管路靜壓試驗的試驗方案、試驗主要技術參數和試驗大綱。在中國民航發動機適航審定中心的見證下完成了試驗，試驗結果符合適航條款要求，試驗通過了適航審查。

參考文獻

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收稿日期：2019-07-18

作者簡介：華繼偉（1990—），男，山東泰安人，本科，工程師，研究方向：航空發動機結構設計。