CN111707473A - 带瓦片式衬板保护结构的发动机试车引射筒及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航空发动机测试技术领域，具体涉及一种带瓦片式衬板保护结构的发动机试车引射筒及其设计方法。当引射筒的筒体直接受到高速高温气体的冲刷时，筒体极易发生损坏，通常只能采用补焊的方式进行修补，导致了生产成本和时间成本的提升。如果采用耐高温的高温合金作为筒体材料，经济性较差。本发明在该高温集中区域采用瓦片式衬板保护结构；在支撑结构上部覆盖有若干衬板，衬板之间具有一定间隔，且每个衬板由单组固定装置与筒体连接；在相邻的衬板上还覆盖有压板，压板的一端与相邻衬板中的一个焊接，压板的另一端压紧相邻衬板中的另一个。热防护效果良好，引射筒的发生损害概率大大降低，产生了很大的经济效果。

Description

带瓦片式衬板保护结构的发动机试车引射筒及其设计方法

技术领域

本发明涉及航空发动机测试技术领域，具体涉及一种带瓦片式衬板保护结构的发动机试车引射筒及其设计方法。

背景技术

目前，随着航空器的飞速发展，航空发动机在试车台进行试验时，需要将发动机尾喷管喷射出的高速高温气流通过引射筒引进排气塔。在引射筒的引射口处，由于高速高温气流进入的同时也能吸入一定量的引射冷气流，高速高温气流和冷气流在排气筒中充分混合，随后排出排气塔。

目前引射筒的筒口材料通常选用Q245R,当引射筒的筒体直接受到高速高温气体的冲刷时，筒体在高速高温气体的冲击力和高热载荷下，引射筒的筒体极易发生损坏。在发生损坏后，通常只能采用补焊的方式进行修补，导致了生产成本和时间成本的提升。如果采用耐高温的高温合金作为筒体材料，虽然筒体材料可以承受高温，但成本较高，经济性较差。

发明内容

本发明提供了一种带瓦片式衬板保护结构的发动机试车引射筒及其设计方法，解决引射筒筒体极易损坏的问题，同时能够降低引射筒的生产成本。

一方面，本发明提供一种带瓦片式衬板保护结构的发动机试车引射筒，该引射筒从筒体的引射口向后一定范围内是喷射气流高温集中区域，在该高温集中区域采用瓦片式衬板保护结构；

其中瓦片式衬板保护结构包括焊接在筒体内壁面的支撑结构，该支撑结构是由多条型钢组成的“井”字形骨架；在支撑结构上部覆盖有若干衬板，衬板之间具有一定间隔，且每个衬板由单组固定装置与筒体连接；在相邻的衬板上还覆盖有压板，压板的一端与相邻衬板中的一个焊接，压板的另一端压紧相邻衬板中的另一个。

有利地，所述“井”字形骨架由多个弧形工字梁和多个直工字梁组合焊接而成。

有利地，所述弧形工字梁与筒体的弧度相同，所述直工字梁平行于筒体的轴线。

有利地，在轴向相邻衬板之间覆盖有轴向压板，轴向压板在靠近引射口的一端焊接相邻衬板中的一个，另一端压紧相邻衬板中的另一个。

有利地，在环向相邻衬板之间覆盖有环向压板，环向压板的一端与相邻衬板中的一个焊接，另一端压紧相邻衬板中的另一个；各环向压板的焊接端在相同的一端。

有利地，所述弧形工字梁上还分布有若干轴向的通风孔，通风孔在轴向上前后对齐，通风孔的尺寸为48mm-52mm。

有利地，所述单组固定装置包括扣紧螺母、螺母和螺栓。

有利地，所述衬板的材料为Q245R或耐高温合金，厚度为10mm-14mm，相邻衬板之间的距离为18mm-22mm。

有利地，相邻两个弧形工字梁的间距为430mm-460mm；相邻两个直工字梁的角度间距为15°。

另一方面，本发明还提供一种带瓦片式衬板保护结构的发动机试车引射筒的设计方法，该方法包括以下步骤：

S1、确定发动机尾喷口喷射范围以及引射筒筒体的几何参数；

S2、仿真计算尾喷口喷射气流在引射筒筒体内的温度分布情况，确定引射筒筒体内的高温集中区域；

S3、在高温扇形区域内采用如上所述的瓦片式衬板保护结构进行防护。

本发明在引射筒筒体底部相应区域采用瓦片式衬板保护结构，并对衬板的安装方式提出了约束条件，在此条件下，当受到高温气体冲击时，衬板之间在压紧力的作用下形成一道坚固的隔温层，保护筒体壁板。

本发明中的衬板在高温下尽管会发生热膨胀，但由于对于单个衬板只通过单个螺栓固定，因此每个衬板可向四周自由膨胀，并且不会因为热膨胀而发生干涉，这样就克服了热膨胀的不利影响。

此外，由于支撑梁上开有小孔，在引射的作用下，外部的引射空气可以对骨架有一定的冷却降温作用，进一步降低了衬板的温度。

因衬板是依次压合式结构，当其中一片衬板发生损坏，可以很方便地进行更换。

本发明引射筒的热防护效果良好，引射筒的发生损害概率大大降低，产生了很大的经济效果。

附图说明

图1是引射筒前段筒体的主视图；

图2是图1在I处的局部剖视放大图；

图3是图2的A向视图；

图4是图1的A-A剖视图；

图5是图4在Ⅱ处的局部放大图；

图6是使用本发明瓦片式衬板保护结构的引射筒实物图。

1-筒体；2-弧形工字梁；3-直工字梁；4-衬板；5-轴向压板、6-扣紧螺母；7-螺母；8-螺栓；9-环向压板；10-通风孔

具体实施方式

如图1所示，瓦片式衬板结构主要位于引射段筒体1的前侧下部区域；从图2和图3中可以看出，由弧形工字梁2和直工字梁3组合焊接成的“井”字形骨架，沿筒体1的轴向方向，相邻两个弧形工字梁2的间距为450mm，工字梁焊接在筒体下部内表面作为衬板4的支撑结构，其中衬板4的材料为Q245R，并通过扣紧螺母6、螺母7和螺栓8与筒体1相连。

两衬板4在相邻位置上方有压板，轴向的相邻衬板4之间是轴向压板5，环向的相邻衬板4之间是环向压板9。其中衬板4和压板的厚度均为12mm；如图3所示，通过轴向压板5和环向压板9对衬板4进行压合，其中轴向压板5和环向压板9只焊在两相邻衬板中其中一侧衬板4上，并对另一侧衬板4产生压力，且所有轴向压板5的焊接方式相同，所有环向压板9的焊接方式相同，形成瓦片式结构。

当高温气体冲击时，衬板4在压板的压紧力作用下，形成一道坚固的隔温层，保护筒体1的壁板，衬板4在高温下热膨胀，因只有单个螺栓8固定，衬板4可向四周自由膨胀，这样就克服了热膨胀的不利影响。相邻两衬板4在环向和轴向的间距均为20mm。

从图4可以看出，瓦片式衬板保护结构主要分布在筒体1下部区域，成120度对称分布。

从图5中可以看出，直工字梁3的角度间距为15°，螺栓8分布在直工字梁3中间位置，与工字梁的中心线成7.5°。弧形工字梁2上开有若干50mm的通风孔10。在引射的作用下，外部的引射空气可以对骨架有一定的冷却降温作用，降低了衬板4的温度。从图6中可以看出衬板保护结构的实物图。

传统的引射筒结构只有筒体结构，筒体未有任何保护措施，筒体在高温气体的冲击作用下，很容易损坏；损坏之后修补成本很高。而此种带瓦片式衬板保护结构的引射筒可以抵挡高温气体的热冲击，当有个别衬板损坏的时候也易于更坏。

本发明还对发动机试车引射筒提供其瓦片式衬板保护结构的设计方法，主要包括以下几个方面：

确定发动机尾喷口喷射范围以及引射筒筒体1的几何参数，确定引射筒筒体1内的温度分布情况(通过使用CFD仿真软件对发动机尾喷口温度流场进行计算，并结合实际工程经验中测绘所得数据，初步确定了尾喷口喷射气流高温集中区域)。

某实施例中确定了从引射筒的引射口向后8m左右距离为高温区，并且在高温集中区域位于筒体1的下部，大概成120°对称分布。可以考虑在此高温区使用耐温材料制成引射筒前段，此情况成本增加很大。优选地，此时考虑对筒体1的局部进行结构优化，筒体1全部使用Q245R材料，但在高温扇形区域内采用带瓦片式衬板保护结构。

考虑到衬板4需要支撑结构，将工字梁焊接成“井字形”骨架后再焊接到内筒壁上，作为瓦片式保护结构的支撑，并在弧形工字梁2上开有直径为50mm的通风孔10，有助于衬板4的散热。

衬板4选用厚度为12mm的弧板，衬板4的弧度为14°，衬板4长度为430mm，考虑到热膨胀，衬板4与筒壁通过单个螺栓8固定，让衬板4在热载荷作用下可向四周自由膨胀。并在相邻衬板4上焊接压板，其中压板只焊在两相邻衬板其中一侧衬板上，环向互相压合，纵向互相压合，形成瓦片式结构。

对结构的可操作性及成本造价进行评估，使用可拆卸瓦片结构时，整体成本造价相对较低，后期维护方便，只需更换需维修处衬板4即可。

某实施例中，筒体1下部120°，距离引射筒筒口距离为8450mm的筒体区域，采用型钢焊接成“井”字形骨架，焊接在筒体内部，骨架外部的筒体部分采用Q245R或与引射筒体相同的材料。其中每隔650mm焊接工字梁，工字梁先对接焊接，焊成连续焊缝，接着工字梁与筒体下部内筒壁焊接，焊成连续焊缝。衬板4铺在工字梁骨架上，衬板4间相邻间隔20mm，最后在衬板4上焊接压板，由前向后，依次压住后侧钢板，同时在圆周方向也通过压板按相同方向压紧，再通过紧固件与筒体1压紧。安装时，弧形工字梁2的通风孔10在筒体轴线方向上对齐。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来源，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种带瓦片式衬板保护结构的发动机试车引射筒，其特征在于：该引射筒从筒体(1)的引射口向后一定范围内是喷射气流高温集中区域，在该高温集中区域采用瓦片式衬板保护结构；

其中瓦片式衬板保护结构包括焊接在筒体(1)内壁面的支撑结构，该支撑结构是由多条型钢组成的“井”字形骨架；在支撑结构上部覆盖有若干衬板(4)，衬板(4)之间具有一定间隔，且每个衬板(4)由单组固定装置与筒体(1)连接；在相邻的衬板(4)上还覆盖有压板，压板的一端与相邻衬板(4)中的一个焊接，压板的另一端压紧相邻衬板(4)中的另一个。

2.根据权利要求1所述的带瓦片式衬板保护结构的发动机试车引射筒，其特征在于：所述“井”字形骨架由多个弧形工字梁(2)和多个直工字梁(3)组合焊接而成。

3.根据权利要求2所述的带瓦片式衬板保护结构的发动机试车引射筒，其特征在于：所述弧形工字梁(2)与筒体(1)的弧度相同，所述直工字梁(3)平行于筒体(1)的轴线。

4.根据权利要求2或3所述的带瓦片式衬板保护结构的发动机试车引射筒，其特征在于：在轴向相邻衬板(4)之间覆盖有轴向压板(5)，轴向压板(5)在靠近引射口的一端焊接相邻衬板(4)中的一个，另一端压紧相邻衬板(4)中的另一个。

5.根据权利要求4所述的带瓦片式衬板保护结构的发动机试车引射筒，其特征在于：在环向相邻衬板(4)之间覆盖有环向压板(9)，环向压板(9)的一端与相邻衬板(4)中的一个焊接，另一端压紧相邻衬板(4)中的另一个；各环向压板(9)的焊接端在相同的一端。

6.根据权利要求5所述的带瓦片式衬板保护结构的发动机试车引射筒，其特征在于：所述弧形工字梁(2)上还分布有若干轴向的通风孔(10)，通风孔(10)在轴向上前后对齐，通风孔(10)的尺寸为48mm-52mm。

7.根据权利要求6所述的带瓦片式衬板保护结构的发动机试车引射筒，其特征在于：所述单组固定装置包括扣紧螺母(6)、螺母(7)和螺栓(8)。

8.根据权利要求7所述的带瓦片式衬板保护结构的发动机试车引射筒，其特征在于：所述衬板(4)的材料为Q245R或耐高温合金，厚度为10mm-14mm，相邻衬板(4)之间的距离为18mm-22mm。

9.根据权利要求8所述的带瓦片式衬板保护结构的发动机试车引射筒，其特征在于：相邻两个弧形工字梁(2)的间距为430mm-460mm；相邻两个直工字梁(3)的角度间距为15°。

10.一种带瓦片式衬板保护结构的发动机试车引射筒的设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1、确定发动机尾喷口喷射范围以及引射筒筒体(1)的几何参数；

S2、仿真计算尾喷口喷射气流在引射筒筒体(1)内的温度分布情况，确定引射筒筒体(1)内的高温集中区域；

S3、在高温扇形区域内采用如权利要求1-9中任一项所述的瓦片式衬板保护结构进行防护。

Images