渦扇發(fā)動機典型結(jié)構(gòu)強度試驗布局研究

楊闊，初廣宇，徐雨生

（中國航空規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司，北京 100120）

航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)強度（亦稱結(jié)構(gòu)完整性）的內(nèi)涵豐富，我國自1985年開始較系統(tǒng)地開展了航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)強度的研究工作。1997年編制并以國軍標(biāo)形式頒布了《航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)完整性指南》(GJB/Z 101,1997)，為航空發(fā)動機研制中結(jié)構(gòu)強度的設(shè)計要求、內(nèi)容、方法和評定標(biāo)準(zhǔn)提供了依據(jù)和參考。同時，在《航空渦輪噴氣、渦輪風(fēng)扇發(fā)動機通用規(guī)范》（GJB241 1987）、民用航空發(fā)動機適航規(guī)定（CCAR-33R2 2012）中，對結(jié)構(gòu)強度、振動方面的計算分析與零部件與整機的強度、振動和耐久性、可靠性驗證與考核試驗均有詳盡的要求。

1 結(jié)構(gòu)靜力與疲勞試驗

航空發(fā)動機的主要部件是在高溫、高轉(zhuǎn)速、高負荷下工作，需要發(fā)動機組成部件的所有構(gòu)件都必須具備高可靠性、長壽命。為了滿足發(fā)動機的強度、壽命、可靠性要求，對發(fā)動機零部件采用實體件進行剛度、靜強度和疲勞壽命試驗，是最直接、最有效的方法。

（1）試驗對象。主要試驗對象從工作狀態(tài)上分為旋轉(zhuǎn)件和非旋轉(zhuǎn)件。旋轉(zhuǎn)件主要包括發(fā)動機各類軸，大到發(fā)動機主軸、彈性軸，小到附件傳動機匣內(nèi)的各類傳動軸等；非旋轉(zhuǎn)件包括大到發(fā)動機承力機匣、安裝系統(tǒng)、矢量噴口，小到彈性支撐、螺釘、螺帽等所有發(fā)動機有強度壽命要求的零部件。

（2）試驗原理。結(jié)構(gòu)靜力與疲勞試驗可通過伺服液壓加載模擬發(fā)動機結(jié)構(gòu)件和部件工作時的拉、壓、彎、扭等常規(guī)載荷，還可以向機匣內(nèi)部通入液壓油模擬工作內(nèi)壓，協(xié)調(diào)控制多個伺服作動筒進行加載，以完成大型結(jié)構(gòu)件的靜力和疲勞試驗。液壓伺服系統(tǒng)施加包括液壓動力源、液壓伺服控制器、液壓伺服作動筒、伺服閥及傳感器等組成，各載荷的加載控制均為閉環(huán)控制系統(tǒng)。

（3）試驗方案。結(jié)構(gòu)靜力與疲勞試驗方案如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)靜力與疲勞試驗方案

承力框架可以自由組合、調(diào)節(jié)試驗空間，滿足不同試驗任務(wù)需求。根據(jù)試驗所需最大靜載、試驗彎矩、扭矩，配置不同規(guī)格的作動器，以滿足所有機匣和軸類靜力試驗的需要。采用液壓油源作為作動器的壓力源，并通過內(nèi)壓加載系統(tǒng)，實現(xiàn)機匣內(nèi)部壓力要求。多通道協(xié)調(diào)控制器實現(xiàn)等幅、同頻變幅或變頻變幅等多種加載模式。根據(jù)不同類型信號的輸入，包括力、位移、應(yīng)變、溫度、壓力等物理量和常規(guī)監(jiān)測參數(shù)等，進行數(shù)據(jù)采集、分析處理。

（4）布局特征。結(jié)構(gòu)靜力與疲勞試驗器的布局特征如下：①試驗區(qū)布局高大空間，便于不同試驗的靈活組裝；②油源間布置液壓油源，內(nèi)涵一定量的液壓油（閃點200℃以上），房間火災(zāi)危險性等級為丙類；少量液壓油通過管路輸送至試驗區(qū)的作動器，作為各類試驗加載的動力源，其在管路內(nèi)、作動器內(nèi)密閉，因此，試驗區(qū)火災(zāi)危險性等級定為戊類。

2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)完整性試驗

開展輪盤的強度和壽命試驗，通過試驗檢查轉(zhuǎn)子是否在批準(zhǔn)的尺寸限制內(nèi)，是否有裂紋，確定輪盤等限壽件的完整性和允許的飛行循環(huán)數(shù)，是檢驗轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)完整性直接、有效的方法。

（1）試驗對象。該試驗用于航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子/盤的強度、壽命試驗等，具體包括常溫/加溫狀態(tài)下轉(zhuǎn)子/盤的超轉(zhuǎn)試驗、常溫/加溫狀態(tài)下轉(zhuǎn)子/盤的破裂試驗、常溫/加溫狀態(tài)下轉(zhuǎn)子/盤的低循環(huán)疲勞試驗，為轉(zhuǎn)子/盤等結(jié)構(gòu)設(shè)計、強度分析、壽命預(yù)測和工藝考核提供試驗數(shù)據(jù)。

（2）試驗原理。轉(zhuǎn)子試驗中，通過變頻調(diào)節(jié)控制的電機帶動增速齒輪箱驅(qū)動轉(zhuǎn)子，在真空環(huán)境下運轉(zhuǎn)；油站負責(zé)對傳動系統(tǒng)進行供油；狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)負責(zé)監(jiān)測電機、支撐傳動系統(tǒng)、試驗件、真空泵及油站的工作狀態(tài)，并與控制系統(tǒng)連鎖。

（3）試驗方案（如圖2）。

圖2 試驗方案

立式旋轉(zhuǎn)試驗主要由真空艙與驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、加溫系統(tǒng)、測試系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)組成。艙體用于將試驗環(huán)境與大氣環(huán)境隔離，內(nèi)有防爆安全環(huán)，用于吸收試驗件爆裂時的能量，防止碎片飛出，抽真空系統(tǒng)用于將試驗艙體內(nèi)抽至試驗所需的真空度，減少試驗風(fēng)阻，降低試驗器運行驅(qū)動功率消耗和縮短試驗時間。主驅(qū)動電機為試驗的主動力源，通過增速齒輪箱將轉(zhuǎn)速提高至試驗所需的轉(zhuǎn)速，帶動試驗件旋轉(zhuǎn)。供油系統(tǒng)為驅(qū)動、傳動系統(tǒng)提供持續(xù)穩(wěn)定的潤滑油、壓力油、密封及阻尼部位用油。加溫系統(tǒng)為實現(xiàn)試驗所需的溫度場。

測試系統(tǒng)包括高速攝像、高速引電器、計算機系統(tǒng)及其擴展、振動測量單元、試驗件溫度測量、真空度測量、油溫測量、油壓測量、滑油流量測量等?？刂葡到y(tǒng)對驅(qū)動系統(tǒng)、加溫系統(tǒng)、供油系統(tǒng)、真空系統(tǒng)進行控制，可以實現(xiàn)主驅(qū)動、升降及其他輔助裝置間互鎖保護，避免誤操作，保證設(shè)備各系統(tǒng)獨立運行、協(xié)調(diào)工作和安全保護。

（4）布局特征。立轉(zhuǎn)試驗器的布局特征如下：①立轉(zhuǎn)試驗區(qū)通常設(shè)置半包圍形式的混凝土剪力墻，以防止試驗過程中試件破裂飛出傷人。近年來，隨著對輪盤破裂試驗的進一步研究，如在立轉(zhuǎn)試驗器試驗艙殼體采用厚度0.2m以上的Q235鋼，可有效阻止試件飛出。②隨著設(shè)備集成化程度的提升，真空系統(tǒng)、供油系統(tǒng)等已集成至設(shè)備主體，輔助設(shè)備間不再是必須的。

3 振動特性試驗

渦扇發(fā)動機葉片在工作過程中因受到不均勻流場等因素作用，會發(fā)生較高頻率的振動，可能在較短的時間內(nèi)達到疲勞壽命而失效，出現(xiàn)掉角甚至斷裂故障。統(tǒng)計結(jié)果表明，發(fā)動機葉片振動引起的葉片疲勞斷裂故障，占發(fā)動機故障總數(shù)的30%左右，需開展相關(guān)振動特性試驗。

（1）試驗對象。試驗對象主要為航空發(fā)動機風(fēng)扇葉片、壓氣機葉片、渦輪葉片、外部管路、附件、燃油噴嘴、機匣等零部件。

（2）試驗原理。振動特性試驗通常采用振動加載的方式，即通過使試件在其一階共振頻率下振動的方式來實現(xiàn)。試驗過程中，通過掃頻法確定試件的共振頻率。

（3）試驗方案。振動試驗系統(tǒng)主要由電動振動臺和測試系統(tǒng)組成。電動振動臺包含振動臺臺體、滑臺（可選）、功率放大器與控制系統(tǒng)。測試系統(tǒng)包括應(yīng)變采集系統(tǒng)、振動模態(tài)測試系統(tǒng)、全場掃描式三維激光非接觸振動測量系統(tǒng)。電動振動試驗系統(tǒng)工作原理如下圖所示。試驗件通過夾具固定在電動振動臺上，加速度傳感器安裝在振動臺臺面上，與控制儀、功放組成振動激勵系統(tǒng)。電阻應(yīng)變片粘貼在試驗件上，接入應(yīng)變測試系統(tǒng)系統(tǒng)，測量試驗件的動態(tài)應(yīng)變；三維激光非接觸振動測量系統(tǒng)通過非接觸方式測量試驗件的振動數(shù)據(jù)，通過振動模態(tài)測試系統(tǒng)計算出試驗件的模態(tài)頻率、振型和阻尼比。

（4）布局特征?；谏鲜霾季址治?，提煉振動試驗器的布局特征如下：①試驗區(qū)試驗時周期長、噪聲大，宜在有限空間內(nèi)布局適量試驗器，避免試驗過程中的相互干擾；②振動臺配套風(fēng)機散熱量大，且有一定噪聲，宜在振動臺附近相對集中布置，并采取隔噪、排風(fēng)措施。

4 結(jié)語

本文分析結(jié)構(gòu)靜力與疲勞試驗、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)完整性試驗、振動特性試驗等典型結(jié)構(gòu)強度試驗工藝特點，在總結(jié)前期設(shè)計經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，可以為以后的布局設(shè)計提供分析依據(jù)及設(shè)計思想。