CN114636562B - 一种发动机异形截面进气道高温高压试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发动机异形截面进气道高温高压试验装置及试验方法，试验装置包括支撑梁、前端面密封端盖、后端面密封端盖、前端面气压平衡装置、后端面气压平衡装置、组合式加热芯体，支撑梁穿过待测的进气道，并沿进气道的轴向伸出；前端面气压平衡装置、后端面气压平衡装置均通过多个直线伸缩装置为对应的前端面密封端盖或后端面密封端盖提供气压平衡载荷，使得前端面密封端盖和后端面密封端盖始终密封进气道端口；组合式加热芯体安装于进气道内部的支撑梁上。本发明能实现高温条件下的进气道气动压力模拟，更接近进气道实际工作状态，对高速飞行器的发动机进气道高温承载能力进行有效验证。

Description

一种发动机异形截面进气道高温高压试验装置及试验方法

技术领域

本发明属于航空飞行器试验装置技术领域，涉及一种发动机异形截面进气道高温高压试验装置及试验方法。

背景技术

由于现代飞机飞行速度和高度变化范围大。在一切飞行状态下，发动机进气道都应保证发动机所需要的空气流量；能量损失小，流场均匀稳定，外部阻力低。而进气道的来流是处于机身的干扰流场中的，其与机身的相对位置决定着来流的不均匀性，因此为满足进气要求，进气道的截面通常会呈现各种不规则形状。

当飞行器在大气中以高马赫数（Ma≥3）飞行时由于激波和粘性作用，周围空气温度急剧升高，形成剧烈的气动加热效应，为确保飞行器结构部件承受剧烈的空气摩擦及高温热气流冲击而免遭烧毁和过热破坏，在地面实验室条件下对其进气道进行高温高压承载能力的测试，对于高速飞行器的研制至关重要，直接决定了高速飞行器性能与安全。

目前对于进气道承载能力的考核方式和试验装置是对应3马赫以下飞行器进气道使用条件，其模拟的压力不大于0.3MPa，温度不超过250℃，进气道材质为常见的金属或树脂基复合材料。由于进气道复杂的曲面外形，为控制试验难度，减低试验成本，在基于常见材料特性参数明确的前提下，主要采用温度修正系数，对压力值放大修正，在常温环境下采用橡胶制成的充压胶囊充气充水进行开放环境充压考核，或直接在进气道两端焊接“延长段+密封结构”进行密封环境充压考核。

对于高速飞行器进气道，其工作压力峰值超过0.3MPa，峰值温度超过1000℃，若继续用现有的考核方式和试验装置，会产生以下问题：

1.各类耐高温新材料的特性参数不完整，对于承载能力与温度的对应关系不明确，无法确定温度修正系数。

2.由于真实结构的质量分布不均匀性，复杂曲面对于高速气流的导向与分流，致使进气道实际温度场分布极其不均匀，且还会随时间进一步变化。若不能有效模拟进气道温度场的分布状态，则无法实现进气道整体结构高温变形协调性的考核，和高温高压载荷条件下曲型曲面变形量的设计验证。

3.高速飞行器进气道工作温度范围宽，承受压力大，需要使用多材料多层结构，导致在微观结构上较低速飞行器更为复杂，试验条件的过量简化，会导致材料选型与匹配的设计无法得到有效验证。多材料多层结构致使传统的“延长段+密封结构”在密封结构处会形成额外的刚度加强与约束，层间的热膨胀和热变形严重失真。

随着航空飞行器的不断发展，飞行速度的提高意味着发动机推力的大幅增加，特别是超然冲压发动机的使用，要求进气道能实现更大进气量和耐受更高温度，从而导致进气道部件更大更复杂。

因此需要一种新的试验方法和装置来模拟进气道的高温高压工作状态，以验证发动机进气道的高温承载能力。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种发动机异形截面进气道高温高压试验装置，能实现高温条件下的进气道气动压力模拟，更接近进气道实际工作状态，对高速飞行器的发动机进气道高温承载能力进行有效验证，解决了现有技术中存在的问题。

本发明的另一目的是，提供一种发动机异形截面进气道高温高压试验装置的试验方法。

本发明所采用的技术方案是，一种发动机异形截面进气道高温高压试验装置，包括

支撑梁，所述支撑梁穿过待测的进气道，并沿进气道的轴向伸出；

前端面密封端盖、后端面密封端盖，用于分别通过锥形面与进气道的前端、后端密封连接；

前端面气压平衡装置、后端面气压平衡装置，均通过多个直线伸缩装置为对应的前端面密封端盖或后端面密封端盖提供气压平衡载荷，使得前端面密封端盖和后端面密封端盖始终密封进气道端口；同时直线伸缩装置的伸缩头随进气道轴向变形产生相应位移；

组合式加热芯体，所述组合式加热芯体安装于进气道内部的支撑梁上。

进一步的，还包括前端支撑架、后端支撑架，用于支撑梁端部，限制支撑梁转动、径向移动，不限制支撑梁的轴向膨胀变形；同时用于安装对应的前端面气压平衡装置和后端面气压平衡装置。

进一步的，所述前端支撑架、后端支撑架分别与支撑梁套接或者通过定向导轨连接。

进一步的，所述进气道安装在进气道支架上。

进一步的，所述直线伸缩装置为前端面气压平衡装置、后端面气压平衡装置6提供的载荷等于试验当前压力在进气道对应端口面积产生压力的105%至150%。

进一步的，所述支撑梁为具有冷却流道的中空结构。

进一步的，所述前端面密封端盖、后端面密封端盖的结构相同，前端面密封端盖、后端面密封端盖受对应的气压平衡装置推动挤压后与进气道的端口边缘相互配合形成尖边密封，前端面密封端盖、后端面密封端盖的锥形面上覆盖有耐高温柔性衬垫，耐高温柔性衬垫平整贴合进气道端面，耐高温柔性衬垫的厚度大于等于进气道的壁面厚度，小于等于进气道的壁面厚度的10倍。

进一步的，所述组合式加热芯体由多块预埋了发热体的耐高温块可拆卸连接构成，耐高温块的径向尺寸为进气道内部径向尺寸的60%～95%。

进一步的，所述组合式加热芯体的周圈与进气道内壁面之间留有间隙，在同一圆周上间隙等距。

一种发动机异形截面进气道高温高压试验装置的试验方法，具体按照以下步骤进行：

S1，先加热组合式加热芯体，使进气道内壁面温度达到试验要求温度；

S2，通过前、后端面密封端盖的充气接头向进气道内充气，并同步调节前端面气压平衡装置的推力，使其等于试验当前压力在进气道入口面积产生压力的105%至150%，确保前端面密封端盖与进气道入口边缘形成的密封面形成足够密封压力，后端面气压平衡装置按同样方式进行调节；

S3，在进气道内部实现试验要求的温度和压力载荷，完成进气道的高温承载能力考核。

本发明的有益效果是：

本发明不需要安装法兰或密封端面等加强结构实现密封，通过气压平衡装置及密封端盖的配合实现了密封进气道端口的同时，避免了对进气道环向的强度刚度的改变，变形时环向膨胀就不会被加强结构限制，从而更接近进气道实际工作状态。

本发明的发动机异形截面进气道高温高压试验装置通过在进气道内部对其进行热、力载荷的同步施加，可有效考核验证进气道在工作状态下的热、力学性能，载荷模拟精度高，具有重要的工程应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1试验装置的结构示意图。

图2为本发明实施例1试验装置内部结构示意图。

图3为本发明实施例1中组合式加热芯体的结构示意图。

图中，1.前端支撑架、2.前端面气压平衡装置、3.前端面密封端盖、4.组合式加热芯体、5.后端面密封端盖、6.后端面气压平衡装置、7.后端支撑架、8.支撑梁、9.进气道、10.进气道支架、041.第一耐高温块、042.第二耐高温块、043.发热体、044.卡扣滑槽。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例的技术构思：

目前高温下的密封结构大多通过厚法兰用螺栓等连接件和密封垫圈实现密封，由于机械密封的端面比压主要影响密封泄漏量，但在高温条件下连接件受热膨胀会导致端面比压下降，同时高温又限制了常用的高变形量有机材料密封件（如各类橡胶和有机密封胶）的使用；因此随着温度升高，密封面的泄漏量会快速增加，导致密封失效。为降低金属材料自身热膨胀和刚度下降产生的影响，需要加大连接法兰尺寸，因此会造成不可控的进气道试验误差，放弃常见的密封结构受到应用领域和特定条件限制。

实施例1，

一种发动机异形截面进气道高温高压试验装置，如图1-2所示，包括待测的进气道9、进气道支架10、支撑梁8、前端面密封端盖3、后端面密封端盖5、前端面气压平衡装置2、后端面气压平衡装置6、前端支撑架1、后端支撑架7、组合式加热芯体4。

待测的进气道9安装在进气道支架10上，其连接固定方式应符合真实结构安装状态。支撑梁8穿过待测的进气道9并沿待测的进气道9轴向伸出。

本发明实施例的前端面密封端盖3、后端面密封端盖5，用于分别通过锥形面与进气道9的前端、后端密封连接。其中，前端面密封端盖3截面形状按进气道9入口截面形状适当放大，边缘逐渐收缩后塞入进气道9，锥形面上覆盖有耐高温柔性衬垫，受前端面气压平衡装置2推动挤压后与进气道9入口边缘相互配合形成尖边密封。前端面密封端盖3截面形状放大和缩小的宽度与进气道9材料在高温情况下的膨胀变形量相关，按照试验条件计算变形量后再增加20%至200%的余量，能够克服高温高压条件下气道的密封问题。

前端面密封端盖3、后端面密封端盖5的结构相同。

前端面密封端盖3、后端面密封端盖5主体采用耐高温的金属或者陶瓷材料；在锥面部分安装覆盖的耐高温柔性衬垫，其材质主要为高温下不易分解不易收缩的柔性材料，如玻璃纤维布、石棉纤维布或各类陶瓷纤维布等材料，耐高温柔性衬垫平整贴合进气道9的端面，耐高温柔性衬垫的厚度不低于（大于等于）进气道9的壁面厚度，不大于（小于等于）进气道9的壁面厚度的10倍；厚度较薄时，无法覆盖端面的凸凹面，太厚容易出现柔性衬垫叠层错位导致无法维持外形，出现泄露。

前端面密封端盖3、后端面密封端盖5的轴向尺寸（即厚度）应按照密封压力进行设计，最高温对应的结构强度安全系数不低于2，防止端面密封端盖高温变形，端面无法密封；径向尺寸（即平面尺寸）在进气道端面按最高温度自由膨胀后计算出最大外形尺寸的基础上，再额外保留1倍以上的膨胀变形量，防止进气道端面膨胀变形后尺寸大于端面密封端盖外形尺寸，出现泄露。

现有试验装置无多余热膨胀约束的进气道整体支持形式；由于试验温度高，大尺寸的进气道在高温条件下，其整体的热膨胀量通常会达到几毫米甚至几厘米，如不能平衡此膨胀量容易在连接区出现异常的挤压失稳，造成进气道结构异常损坏。本发明实施例前端面气压平衡装置2、后端面气压平衡装置6，均通过多个气缸或液压缸为对应的前端面密封端盖3和后端面密封端盖5提供气压平衡载荷，使得前端面密封端盖3和后端面密封端盖5始终密封进气道9端口；同时气缸或液压缸的伸缩头随进气道9轴向变形进行相应位移。

前端面气压平衡装置2通过多个直线伸缩装置提供气压平衡载荷，推动前端面密封端盖3能始终密封好进气道入口，并在进气道9轴向伸长变形时进行相应位移，以免造成进气道9入口处挤压变形。直线伸缩装置为气缸或液压缸，气缸或液压缸的数量一般为三个作动器（三点确定一个面），但前端面密封端盖3面积较大时可采用多点平衡，以降低各点的作动器推力。

后端面气压平衡装置6用于推动后端面密封端盖5密封进气道出口，结构、功能与前端面气压平衡装置2相同。

组合式加热芯体4，安装于进气道9内部的支撑梁8上。

前端支撑架1、后端支撑架7，用于支撑梁8端部，限制支撑梁8的转动、径向移动，不限制支撑梁8的轴向膨胀变形；同时用于安装对应的前端面气压平衡装置2和后端面气压平衡装置6。其中，前端支撑架1位于进气道9入口处一侧，并固定安装于地面，用于支撑梁8一端和安装前端面气压平衡装置2，前端支撑架1限制了支撑梁8的转动、径向移动，不约束支撑梁8的轴向膨胀变形，确保支撑梁8能自由伸长变形但不出现其他方向的位移或变形。

后端支撑架7位于进气道9出口一侧，结构、功能与前端支撑架1相同。

前端支撑架1、后端支撑架7分别与支撑梁8的连接方式为套接，通过非圆形截面的套接段，如方形截面或带键槽的截面，由于进气道9的截面不一定为圆形，所以支撑梁8和加热芯体不能转动，防止芯体截面方形与进气截面错位；或者通过定向导轨连接。套接满足要求的同时成本低，定向导轨连接成本更高。

在一些实施例中，当组合式加热芯体4加热温度较高时，支撑梁8应采用具有冷却流道的中空梁，为确保高温环境下的强度和刚度应满足组合式加热芯体4、前端面密封端盖3和后端面密封端盖5的安装要求，支撑梁8的冷却流道需要利用压缩空气或冷却液进行冷却，防止支撑梁8温度过高导致弯曲变形；当最高加热温度小于等于400℃时，通入压缩空气对支撑梁8进行风冷；当最高加热温度超过400℃时，通入冷却液对支撑梁8进行液冷。

本发明对原有结构不做改变，不安装法兰或密封端面等加强结构，因而不会改变原有结构环向的强度、刚度，同时变形时环向膨胀不会被加强结构限制；进气道9高温膨胀时，前端面气压平衡装置2和后端面气压平衡装置6对应的作动器能随之前后移动，不限制其轴向变形；当进气道9在高温高压状态下变形时，进气道9环向和轴向变形不会受到多余限制，但在前端面气压平衡装置2推动下前端面密封端盖3仍然能密封住进气道内部高温高压空气。

无论气压还是油压的作动器，只要其最大输出推力不小于最大密封压力在端面密封端盖上产生的压力即可。由于是多个作动器同时协调推动，理论上要求单个作动器的推力不低于其推力轴线对应区域的压力，但这个计算过程较为复杂，本实施例简化为3个作动器环向等间距均匀分布，单个作动器推力等于整个端面密封端盖上产生的压力，实现了前端面气压平衡装置2和后端面气压平衡装置6的作动器能随进气道9膨胀后移动。

前端面密封端盖3配有充气接头，用于向进气道内充气加压；预留组合式加热芯体4加热体导线的出线孔。

后端面密封端盖5用于密封进气道出口，结构、功能与前端面密封端盖3相同。

如图3所示，组合式加热芯体4由多块预埋了发热体043的耐高温块可拆卸连接构成，能够在在进气道9内部进行组装；与整体结构相比，采用组合式加热芯体4，更能适应进气道9特殊的异型截面。控制发热体043的加热功率可实现组合式加热芯体4温度的调节，实现高温环境的模拟。

耐高温块的径向尺寸为进气道9内部径向尺寸的60%～95%，便于由进气道9两端推入进气道9内部，同时组合式加热芯体4填充了进气道9内的充气空间，减少了充气体积和充气量，充气量的降低能够降低低温空气对高温环境的影响，提高温度均匀性、稳定性和安全性。填充量太低则充气量太大，填充量超过95%则间隙太小，难以控制等间距，且芯体加工安装精度要求太高，费用急剧上升。组合式加热芯体4的周圈与进气道内壁面之间留有间隙，在同一圆周上间隙等距，提高加热的均匀性。

其中，组合式加热芯体4中第一耐高温块041、第二耐高温块042通过卡扣滑槽044、螺栓连接或捆扎方式组合安装在支撑梁8上；卡扣滑槽044为T形槽或燕尾槽；卡扣滑槽044能最大程度减少额外装配零件的数量。

由于进气道由复杂曲面结构件组成，为保证进气道内部加热的均匀性，加热器必须能安装固定在进气道内部，表面也必须随被加热曲面变化进行等间距加热，能按照不同部位的试验温度分区独立加热，此外加热装置还必须能耐受极端的高温高压环境，同时保证多温区供电线路绝缘良好。

实施例2，

一种发动机异形截面进气道高温高压试验方法，具体按照以下步骤进行：

S1，先加热组合式加热芯体4，使进气道9内壁面温度达到试验要求温度；

S2，通过前端面密封端盖3、后端面密封端盖5的充气接头向进气道9内充气，并同步调节前端面气压平衡装置2的推力，使其等于试验当前压力在进气道9入口面积产生压力的105%至150%，确保前端面密封端盖3与进气道入口边缘形成的密封面形成足够密封压力，后端面气压平衡装置6按同样方式进行调节，尽量减少高压空气从进气道进出口漏气。

S3，在进气道9内部实现试验要求的温度和压力载荷，完成进气道9的高温承载能力考核。

本发明的发动机异型截面进气道高温高压试验装置通过对进气道进行热、力载荷的同步施加，提供了一种更为接近进气道实际工作状态的试验装置，可有效考核验证进气道在工作状态下的热、力学性能，载荷模拟精度高，具有重要的工程应用价值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种发动机异形截面进气道高温高压试验装置，其特征在于，包括

支撑梁（8），所述支撑梁（8）穿过待测的进气道（9），并沿进气道（9）的轴向伸出；

前端面密封端盖（3）、后端面密封端盖（5），用于分别通过锥形面与进气道（9）的前端、后端密封连接；

前端面气压平衡装置（2）、后端面气压平衡装置（6），均通过多个直线伸缩装置为对应的前端面密封端盖（3）或后端面密封端盖（5）提供气压平衡载荷，使得前端面密封端盖（3）和后端面密封端盖（5）始终密封进气道（9）端口；同时直线伸缩装置的伸缩头随着进气道（9）的轴向变形产生相应位移；

组合式加热芯体（4），所述组合式加热芯体（4）安装于进气道（9）内部的支撑梁（8）上；

所述前端面密封端盖（3）、后端面密封端盖（5）的结构相同，前端面密封端盖（3）、后端面密封端盖（5）受对应的气压平衡装置推动挤压后与进气道（9）的端口边缘相互配合形成尖边密封，前端面密封端盖（3）、后端面密封端盖（5）的锥形面上覆盖有耐高温柔性衬垫，耐高温柔性衬垫平整贴合进气道（9）的端面，耐高温柔性衬垫的厚度大于等于进气道（9）的壁面厚度，小于等于进气道（9）的壁面厚度的10倍；

所述组合式加热芯体（4）由多块预埋了发热体（043）的耐高温块可拆卸连接构成，耐高温块的径向尺寸为进气道（9）内部径向尺寸的60%～95%；

所述组合式加热芯体（4）的周圈与进气道（9）内壁面之间留有间隙，在同一圆周上间隙等距；

所述前端面密封端盖（3）、后端面密封端盖（5）主体采用耐高温的金属或者陶瓷材料，向进气道内充气加压。

2.根据权利要求1所述的一种发动机异形截面进气道高温高压试验装置，其特征在于，还包括前端支撑架（1）、后端支撑架（7），用于支撑梁（8）端部，限制支撑梁（8）转动、径向移动，不限制支撑梁（8）的轴向膨胀变形；同时用于安装对应的前端面气压平衡装置（2）和后端面气压平衡装置（6）。

3.根据权利要求2所述的一种发动机异形截面进气道高温高压试验装置，其特征在于，所述前端支撑架（1）、后端支撑架（7）分别与支撑梁（8）套接或者通过定向导轨连接。

4.根据权利要求1所述的一种发动机异形截面进气道高温高压试验装置，其特征在于，所述进气道（9）安装在进气道支架（10）上。

5.根据权利要求1所述的一种发动机异形截面进气道高温高压试验装置，其特征在于，所述直线伸缩装置为前端面气压平衡装置（2）、后端面气压平衡装置（6）提供的载荷等于试验当前压力在进气道（9）对应端口面积产生压力的105%至150%。

6.根据权利要求1所述的一种发动机异形截面进气道高温高压试验装置，其特征在于，所述支撑梁（8）为具有冷却流道的中空结构。

7.如权利要求1所述一种发动机异形截面进气道高温高压试验装置的试验方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：

S1，先加热组合式加热芯体（4），使进气道（9）内壁面温度达到试验要求温度；

S2，通过前端面密封端盖（3）、后端面密封端盖（5）的充气接头向进气道（9）内充气，并同步调节前端面气压平衡装置（2）的推力，使其等于试验当前压力在进气道（9）入口面积产生压力的105%至150%，确保前端面密封端盖（3）与进气道入口边缘形成的密封面形成足够密封压力，后端面气压平衡装置（6）按同样方式进行调节；

S3，在进气道（9）内部实现试验要求的温度和压力载荷，完成进气道（9）的高温承载能力考核。