航空發(fā)動(dòng)機(jī)短艙防冰活門的國(guó)產(chǎn)化研究與設(shè)計(jì)

王濤

(上海航新航宇機(jī)械技術(shù)有限公司,上海201324)

航空產(chǎn)業(yè)作為當(dāng)今世界上最具代表性的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一,不僅技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)鏈覆蓋非常廣,同時(shí)對(duì)經(jīng)濟(jì)、科技的拉動(dòng)作用非常明顯。我們也借機(jī)從第三方航空維修型企業(yè)向航空制造型企業(yè)轉(zhuǎn)型,開始解決航空產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化的難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)問題。在設(shè)計(jì)和制造過程中,依據(jù)多年航空產(chǎn)品維修的經(jīng)驗(yàn),對(duì)產(chǎn)品完成設(shè)計(jì)優(yōu)化和樣件的試生產(chǎn)工作。短艙防冰活門的國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)制造,推進(jìn)了航空氣動(dòng)類產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程,提升了航空產(chǎn)品研發(fā)實(shí)力,為我國(guó)大飛機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展做出應(yīng)有的價(jià)值和貢獻(xiàn)。

1 短艙防冰活門的結(jié)構(gòu)及工作原理

飛機(jī)在結(jié)冰的氣象條件下飛行時(shí)若無防冰措施,所有的迎風(fēng)面都有可能結(jié)冰,冰層會(huì)破壞原有的氣動(dòng)外形,增加重量和飛行阻力,使飛機(jī)操控性能大幅下降。航空發(fā)動(dòng)機(jī)因外形特殊和進(jìn)氣道處空氣流速較快等特性,使其在環(huán)境溫度為5～10℃的正溫條件下也可能結(jié)冰,這極易損壞發(fā)動(dòng)機(jī)造成重大飛行事故。本文研究的航空發(fā)動(dòng)機(jī)短艙防冰活門(下文簡(jiǎn)稱防冰活門)屬于渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)熱空氣防冰系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,是用來控制發(fā)動(dòng)機(jī)引出熱空氣的壓力和流量,進(jìn)而將其導(dǎo)出到發(fā)動(dòng)機(jī)短艙起到防冰的作用[1-3]。

圖1 防冰活門原理圖

防冰活門是一個(gè)電控氣動(dòng)式蝶閥類產(chǎn)品,用于控制防冰熱氣管路的壓力和流量。該防冰活門是常開的工作狀態(tài),當(dāng)電磁閥通電時(shí),閥前管道高壓熱氣經(jīng)過上游引氣管道導(dǎo)入至作動(dòng)機(jī)構(gòu),推動(dòng)活塞克服彈簧阻力帶動(dòng)擺桿使蝶板轉(zhuǎn)動(dòng)至關(guān)閉狀態(tài),切斷熱空氣流通；在電磁閥斷電后,作動(dòng)機(jī)構(gòu)在彈簧力作用下帶動(dòng)蝶板復(fù)位至開啟狀態(tài),恢復(fù)熱空氣流通。該產(chǎn)品有自動(dòng)調(diào)壓功能,是依據(jù)下游引氣管路提供的壓力通過比較梭閥引入至作動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)蝶板轉(zhuǎn)動(dòng),從而控制下游壓力。其工作原理如圖1所示。

2 防冰活門國(guó)產(chǎn)化關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

防冰活門的關(guān)鍵技術(shù)在高溫條件下安全可靠的完成管道內(nèi)氣體流量和壓力的控制工作,經(jīng)總結(jié)和整理得到如表1 的產(chǎn)品關(guān)鍵性能指標(biāo)。

表1 防冰活門關(guān)鍵性能指標(biāo)

3 防冰活門國(guó)產(chǎn)化難點(diǎn)及阻礙

隨著國(guó)產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制工作的推進(jìn),其附屬機(jī)械部件的國(guó)產(chǎn)化也必須跟上腳步。此類氣動(dòng)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和制造過程有較多的疑難問題要解決,主要是航空產(chǎn)品設(shè)計(jì)的形狀復(fù)雜、材料各異、減重設(shè)計(jì)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)的矛盾關(guān)系等,制造難度大、精度要求高、嚴(yán)格的重量控制和使用壽命要求等[4-5]。如果防冰活門能夠成功國(guó)產(chǎn)化,將解決同類氣動(dòng)產(chǎn)品系列化的研制工作,為航空事業(yè)帶來長(zhǎng)足的進(jìn)步和發(fā)展。

針對(duì)以上的技術(shù)難點(diǎn)做了很多前期設(shè)計(jì)分析工作和后期試驗(yàn)驗(yàn)證工作。例如系統(tǒng)原理的模擬分析、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)和仿真計(jì)算、特殊材料的選擇、高精度和復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的加工和裝配、各種復(fù)雜工況下的試驗(yàn)驗(yàn)證等等。在對(duì)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),滿足功能性能的同時(shí)還要考慮產(chǎn)品的減重設(shè)計(jì),這往往會(huì)設(shè)計(jì)出各種形位精度要求高的復(fù)雜結(jié)構(gòu),給加工制造也帶來了較大的難度。在加工制造工藝方面,適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境的鎳基高溫合金材料零件的鑄造、熱處理和機(jī)械加工等工藝,是目前面臨的主要問題[6]。試驗(yàn)驗(yàn)證方面,高溫大流量氣動(dòng)性能試驗(yàn)也是此類產(chǎn)品驗(yàn)證工作中的難點(diǎn)。

4 國(guó)產(chǎn)化關(guān)鍵技術(shù)

在產(chǎn)品前期設(shè)計(jì)分析工作中,為了更好的完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作,借鑒經(jīng)驗(yàn)的同時(shí),也做了大量的仿真分析工作。先使用AMESim 軟件分析產(chǎn)品系統(tǒng)原理和關(guān)鍵技術(shù)參數(shù),再利用UG和Solidworks 進(jìn)行三維建模,結(jié)合ANSYS 進(jìn)行常溫靜強(qiáng)度仿真、高溫狀態(tài)下的力學(xué)性能仿真和產(chǎn)品整體應(yīng)力分布、高溫工況下的溫度分布仿真、多個(gè)模態(tài)下的振動(dòng)仿真應(yīng)力分析等工作[7]。大量仿真設(shè)計(jì)和計(jì)算,為產(chǎn)品關(guān)鍵原件的優(yōu)化設(shè)計(jì)起到了很好的指導(dǎo)作用。接下來將以伺服閥塊和擺桿運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為例,做展開說明。

4.1 伺服閥塊設(shè)計(jì)

伺服閥塊是防冰活門中連接多個(gè)控制原件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的核心結(jié)構(gòu)件,是產(chǎn)品氣路連通的核心載體,對(duì)其連接的電磁閥、調(diào)壓閥、梭閥、關(guān)斷閥、安全閥、作動(dòng)器殼體、上下游引氣管路和多個(gè)限流孔進(jìn)行分別連接固定。這樣的復(fù)雜閥塊,在設(shè)計(jì)時(shí)各個(gè)孔道氣路極易出現(xiàn)干涉或強(qiáng)度不足等缺陷,要充分利用Solidworks 等三維軟件的優(yōu)勢(shì),直觀的查看和優(yōu)化結(jié)構(gòu),使所有通道得到最優(yōu)的解決方案。

4.1.1 設(shè)計(jì)

根據(jù)產(chǎn)品要求,首先將閥塊底面定為與作動(dòng)器殼體連接的基準(zhǔn)面；其次,將電磁閥和調(diào)壓閥這兩個(gè)主要關(guān)鍵元件沿水平軸線對(duì)向布置,方便其多個(gè)孔道逐層的連通；再次,根據(jù)原理圖將梭閥、關(guān)斷閥、安全閥、上下游引氣管路和多個(gè)限流孔定位連通到閥塊側(cè)面；最后是工藝性考慮,要不斷的優(yōu)化各關(guān)鍵元件的位置,加入工藝孔和堵頭,以及減輕閥塊的重量等。閥塊的設(shè)計(jì)充分利用了長(zhǎng)方體的六個(gè)面,合理排布各元件,最大化利用內(nèi)外部空間和去除不必要位置的材料以減輕重量。伺服閥塊如圖2 所示。

圖2 伺服閥塊

綜合考慮伺服閥塊形狀、加工工藝、配裝件和使用環(huán)境等要求,選用材料為6061-T651 鋁合金。該材料是經(jīng)熱處理預(yù)拉伸工藝生產(chǎn)的高品質(zhì)鋁合金,它有極佳的機(jī)械加工性能且加工后不易變形；材料致密無缺陷,適合安裝多個(gè)閥組件且密封性好；優(yōu)良的抗腐蝕性,適用于多類航空部件[8]。該件雖然連接零件較多,但是都比較輕巧,所以其受力較小,經(jīng)仿真分析,符合使用材料強(qiáng)度和產(chǎn)品性能要求。

4.1.2 制造

經(jīng)過設(shè)計(jì)和仿真,仍不確定其內(nèi)部氣路的準(zhǔn)確性和可靠性,需要在試件加工過程中進(jìn)一步驗(yàn)證。試件采用無色透明工程塑料和6061-T651 兩種材料各1 件。先加工無色透明塑料試件,用來檢驗(yàn)加工程序和查看所有內(nèi)部孔道干涉及間距情況；再加工6061-T651 鋁合金試件,用來進(jìn)行閥塊耐壓測(cè)試。經(jīng)過檢查和測(cè)試,驗(yàn)證了閥塊設(shè)計(jì)的合理性和可靠性。

閥塊本體加工后需做本色硫酸陽(yáng)極化處理,再加裝氣路限流孔、工藝堵頭(標(biāo)準(zhǔn)為AS3131 和AS3132 系列)和無尾自鎖鋼絲螺套(標(biāo)準(zhǔn)為NAS1130 系列)等標(biāo)準(zhǔn)件,完成閥塊組件的處理和裝配工作[9]。

4.2 擺桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

擺桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)是防冰活門中的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu),活塞運(yùn)動(dòng)通過擺桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)活門軸和活門板轉(zhuǎn)動(dòng),從而控制流道內(nèi)的壓力和流量。

擺桿機(jī)構(gòu)是比較基礎(chǔ)的機(jī)械結(jié)構(gòu),是曲柄連桿機(jī)構(gòu)的反向變型模式,主要功能是將主動(dòng)的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。擺桿機(jī)構(gòu)控制活打開和關(guān)閉的兩個(gè)工作位置,如圖3 所示。

圖3 擺桿機(jī)構(gòu)原理圖

圖中實(shí)線為活門打開工作位置,虛線為活門關(guān)閉工作位置,擺桿活動(dòng)角度范圍α 是90°,X 為擺桿的中心長(zhǎng)度,Y 為連桿的中心長(zhǎng)度,K 為活塞的直線運(yùn)動(dòng)行程。產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中,每一個(gè)數(shù)值都對(duì)應(yīng)著結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵尺寸,在加工制造過程中也要嚴(yán)格控制這些關(guān)鍵尺寸。所有關(guān)鍵尺寸的準(zhǔn)確才能使活門板擺動(dòng)角度得到準(zhǔn)確的控制,進(jìn)而影響流道熱空氣的流量和壓力的控制精度,以及活門關(guān)閉時(shí)的泄漏量。擺桿機(jī)構(gòu)的制造過程中,在擺桿、連桿和U 型座等活動(dòng)位置加裝銅基合金襯套,提高了活動(dòng)關(guān)節(jié)的耐磨性和產(chǎn)品長(zhǎng)期可靠性。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

圖4 高溫試驗(yàn)原理圖

圖5 振動(dòng)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖片

防冰活門使用的環(huán)境苛刻、技術(shù)要求高,所以涉及的試驗(yàn)項(xiàng)目也較多,主要分為功能性能試驗(yàn)和設(shè)計(jì)保證試驗(yàn)兩類。功能性試驗(yàn)主要是指在多個(gè)溫度和壓力條件下活門打開和關(guān)閉試驗(yàn),以及產(chǎn)品關(guān)鍵性能指標(biāo)的試驗(yàn)。設(shè)計(jì)保證試驗(yàn)有低溫工作試驗(yàn)、高溫工作試驗(yàn)、持久加速度試驗(yàn)和振動(dòng)試驗(yàn)。每個(gè)試驗(yàn)需要完成絕緣電阻測(cè)試、搭接電阻測(cè)試、介電強(qiáng)度測(cè)試、電磁閥工作測(cè)試、壓力調(diào)節(jié)測(cè)試、最小打開和關(guān)閉時(shí)間測(cè)試、外泄漏測(cè)試、內(nèi)泄漏測(cè)試、最小關(guān)閉壓力測(cè)試、全開角度測(cè)試和耐壓測(cè)試[10]。本文將以功能性能試驗(yàn)中的高溫試驗(yàn)和設(shè)計(jì)保證試驗(yàn)中的振動(dòng)試驗(yàn)為例作說明。

5.1 高溫試驗(yàn)

高溫試驗(yàn)按DO-160G 的第4.5 節(jié)進(jìn)行試驗(yàn),等級(jí)為D3。根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)要求,現(xiàn)有測(cè)試臺(tái)供氣溫度無法達(dá)到556.85℃±5℃。我們改變傳統(tǒng)思路,設(shè)計(jì)了一套高溫供氣裝備使引氣可以滿足試驗(yàn)條件,如圖4 所示。

該裝備是將調(diào)壓后的壓縮空氣通過放入電阻爐中的螺旋管道加熱后導(dǎo)入產(chǎn)品,其中爐內(nèi)溫度約850-900℃,并持續(xù)加熱。當(dāng)產(chǎn)品前端溫度傳感器測(cè)得壓縮空氣滿足測(cè)試溫度條件后,對(duì)活門完成指定的性能測(cè)試,并記錄試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)驗(yàn)證了在178kpa 和556.85℃±5℃的供氣條件下,活門可以正常工作,打開和關(guān)閉時(shí)間符合技術(shù)要求,各電磁閥和調(diào)壓閥等部分原件工作正常。在此工況的測(cè)試過程中,使用手持紅外測(cè)溫儀時(shí)刻監(jiān)測(cè)產(chǎn)品關(guān)鍵部位的表面溫度,如上文提及到的伺服殼體表面溫度為85℃-90℃,屬于材料正常耐受范圍,對(duì)產(chǎn)品工作無影響。最終產(chǎn)品通過高溫試驗(yàn),性能檢查與測(cè)試合格。

5.2 振動(dòng)試驗(yàn)

振動(dòng)試驗(yàn)按DO-160G 第8.7 節(jié)類別R 進(jìn)行試驗(yàn)。該試驗(yàn)委托第三方機(jī)構(gòu)完成。振動(dòng)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖5 所示。

振動(dòng)試驗(yàn)共計(jì)做了4 次,前三次試驗(yàn)分別發(fā)現(xiàn)了不同問題,并逐步對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化和完善,最終通過了振動(dòng)試驗(yàn)。第一次問題集中在工裝上,振動(dòng)值被放大了14 倍,之后通過改進(jìn)管口支撐和固定方式使其符合測(cè)試要求。第二次問題集中在產(chǎn)品螺釘上,在X 方向試驗(yàn)時(shí)螺釘(件號(hào)：MS51958-64,規(guī)格：0.190-32UNF)斷裂。更換同規(guī)格高強(qiáng)度的螺 釘 ( 件 號(hào)：MS9556-08, 規(guī) 格：0.190-32UNF)進(jìn)行第三次試驗(yàn),螺釘依舊斷裂。根據(jù)試驗(yàn)中螺釘?shù)臄嗝媲闆r,經(jīng)設(shè)計(jì)、材料、工藝、裝配、維修和操作使用等方面進(jìn)行失效原因分析,最終得出該螺釘?shù)氖г驗(yàn)檫^載斷裂[11]。

分析原因后進(jìn)一步調(diào)整螺釘(件號(hào)：NAS1351-4H10P,規(guī)格：0.250-28UNF),開展第四次試驗(yàn)。試驗(yàn)后檢查產(chǎn)品未發(fā)現(xiàn)明顯的外表?yè)p傷和變形等缺陷。按試驗(yàn)大綱要求檢查產(chǎn)品性能,測(cè)試結(jié)果均符合要求。對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分解檢查,內(nèi)部零件無異常,主要結(jié)構(gòu)件無損探傷無裂紋。最終產(chǎn)品通過振動(dòng)試驗(yàn),性能檢查與測(cè)試合格。

6 結(jié)論

航空發(fā)動(dòng)機(jī)短艙防冰活門樣件能滿足各項(xiàng)性能和保證設(shè)計(jì)要求,已交付樣件。這標(biāo)志了該類產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化的第一步已經(jīng)邁出,但是接下來要提高產(chǎn)品零件的國(guó)產(chǎn)化比例。力爭(zhēng)3 年內(nèi)完成100%國(guó)產(chǎn)化的目標(biāo),為我國(guó)航空事業(yè)蓬勃發(fā)展注入新的動(dòng)力。