城市周刊
发动机支撑架2019/23 CHENGSHIZHOUKAN ８７
李枫 中国航发南方工业有限公司
摘要：介绍了某航空发动机试车台排气系统使用过程中存在的问题，简要分析了排气系统一级引射筒体损坏的原因，提出了一级引射筒体及支撑结构的改进设计方案和筒体隔热保护设计方案，并对设计方案进行了简要描述。
关键词：航空发动机；试车台；排气系统
一、试车台排气系统简介
１．试车台排气系统组成。
试车台始建于20世纪90年代，试车台的排气系统采用二级引射排气方式，保证发动机排气及其所引射冷气
流顺利排出的要求。试车台排气系统主要由一级引射筒体、二级引射筒体、开孔扩散器及筒体支撑等部分组成。
排气系统的一级引射筒体前端为固定支撑结构，后端为活动支撑结构。在发动机高温排气作用下，一级引射筒体会产生轴向膨胀，该膨胀量则由活动支撑结构吸收。活动支撑的两侧均为单立柱铰接结构，即立柱两端与地面上的安装座和筒体上的安装座均采用圆柱销连接形式，一级引射筒体受热膨胀伸长时，立柱向后端摆动来吸收筒体的轴向膨胀位移，一级引射
筒体上的安装座直接焊接在筒体侧壁上[1]
。
２．排气系统存在的问题。
试车台排气系统在使用过程中，一级引射筒体多次出现损坏情况，筒体损坏集中表现在两方面：一方面是一级引射筒体的活动支撑安装座与筒体焊接位置，筒体侧壁经常出现开裂现象；另一方面是一级引射筒体底部约1/3范围内的筒体侧壁损坏严重，主要表现为筒体侧壁开裂，甚至出现脱落掉块现象。
损坏原因简要分析根据试车台排气系统的工作过程，分析一级引射筒体损坏的原因主要有以下三个方面。
（1）在发动机试车过程中，发动机尾喷气流对一级引射筒产生冲击，同时有激波等复杂流场产生，从而给引射筒一个复杂的动态载荷。其中部分发动机的尾喷口沿轴线下偏一定角度，使一级引射筒体承受一定的径向载荷，由于发动机排气波动范围较大，导致一级引射筒体始终处于振动状态。
（2）一级引射筒体后端的活动支撑结构形式抗振能力较差，随着排气系统工作时间的增加，圆柱销与销孔间隙逐渐增大，导致一级引射筒体在发动机排气过程中振动加大；活动支撑的安装座直接焊接在一级引射筒体侧壁上，使一级引射筒体上安装座处的侧壁始终承受振动载荷作用，导致筒体材料产生疲劳裂纹。
（3）部分发动机的尾喷口沿轴线下偏一定角度。发动机工作过程中尾喷口气流存在与一级引射筒体接触的趋势，发动机最高排气温度可达2000K，排气虽经过掺混换热后到达一级引射筒体侧壁，但气流仍处于较高的温度，一级引射筒体长期在高温气流作用下，导致筒体材料产生热疲劳裂纹。
二、排气系统改造设计方案
１．改造设计任务。
通过上述分析，一级引射筒体损坏的主要原因是筒体侧壁直接承受振动载荷及筒体局部受热疲劳。为解决上述问题，本次改造设计任务主要涉及下述两个方面。
（1）由于原有一级引射筒体损坏严重，对筒体进行更换，同时对筒体的支撑结构形式进行改进设计，避免支撑结构的安装座与筒体侧壁直接接触，消除振动载荷对一级引射筒体侧壁的直接影响。
（2）进行一级引射筒体隔热设计，解决一级引射筒体直接承受过热气流，避免发动机高温排气与一级引射筒体侧壁直
接接触的问题[2]。
２．一级引射筒体及支撑设计方案。
在发动机试车台排气系统中，一级引射筒体的结构尺寸和位置尺寸是决定排气系统性能指标的重要参数，为保证试车台排气系统性能指标不发生改变，新一级引射筒体的结构尺寸按原筒体设计，同时应保证一级引射筒体在排气系统中的位置尺寸与原筒体位置保持一致。
一级引射筒体的固定支撑与安装座的平面钢板接触，利用螺栓拧紧固定；滑动支撑为安装座的平面钢板之间夹装滚棒的结构形式，并利用螺栓及定距套预留安装间隙，滑动支撑处的轴向蹿动为滚动摩擦，径向蹿动为滑动摩擦。在一级引射筒体的各支撑位置，筒体采用环形“工”字加强筋进行加强，筒体安装耳焊接在“工”字加强筋上，该结构形式避免一级引射筒
体侧壁直接承受振动载荷[3]
。
３．一级引射筒体隔热设计方案。
根据前述对一级引射筒体损坏分析，并结合试车台排气系
统的工作实际，一级引射筒体隔热设计方案采用内衬隔热导流板的结构形式，即在一级引射筒体内部下端120°范围内铺设一层隔热导流板，隔热导流板覆盖整个筒体的长度，隔热导流板选用耐高温金属材料。
在一级引射筒体长度方向上，隔热导流板由多段弧形钢板组成，多段弧形钢板采用瓦片搭接式结构形式；导流板支撑梁作为隔热导流板的支撑骨架，直接焊接在一级引射筒体的筒壁上，为方便隔热导流板损坏后进行更换，隔热导流板与支撑梁采用螺栓连接固定的结构形式，螺栓连接固定结构预留吸收导流板热膨胀的间隙。
上述隔热结构设计方案中，隔热导流板与一级引射筒体侧壁之间预留一定的高度空间，由隔热导流板、导流支撑梁和一级引射筒体的筒壁形成一个前后开口的流通腔体，当排气系统工作时，依靠隔热导流板承受发动机高温气流，由于气流的引射作用，在上述流通腔体中会有一股常温冷却气流通过，常温冷却气流既对隔热导流板进行冷却降温，同时又将发动机高温排气与一级引射筒体侧壁进行了有效的隔离，从而避免一级引射筒体受高温气流影响。
三、结语
本文对某航空发动机试车台排气系统的一级引射筒体及支撑结构进行了改进设计，并对一级引射筒体进行了隔热保护设计，改进支撑结构的抗振能力明显优于原有的单立柱铰接结构，同时隔热结构设计可有效防止发动机高温排气对一级引射筒体的直接影响。通过上述设计方案可有效解决试车台排气系统一级引射筒体开裂损坏的问题。
参考文献：
[1]刘乐新，李立恒.某型发动机试车无滑油压力故障分析[J].航空维修与工程,2019(06):68-71.
[2]邵康，王晓森，许诺.固体火箭发动机试车试验噪声数据测量与分析[J].强度与环境,2019,46(03):59-64.
[3]刘兵.航空发动机整机振动测量和分析方法[J].计算机测量与控制,2019,27(05):22-25+43.
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