机匣强度试验装置和机匣强度试验方法与流程

1.本发明涉及航空发动机试验技术领域，具体涉及一种机匣强度试验装置和机匣强度试验方法。


背景技术：

2.承压机匣是航空发动机上重要的承压件及限寿件，根据适航相关要求，在对发动机承压机匣进行试验时，应充分考虑机匣的实际工作温度和压力环境。因此，对于承压机匣，完善其高温高压环境下的试验技术是航空发动机研制过程中的关键问题。
3.目前，国内外机匣高温高压试验技术的难点集中在极高的温度载荷(750℃左右)与内压载荷(》10mpa)的同时施加上。
4.若直接使用高温高压空气对机匣进行温度载荷和内压载荷的加载，虽然能够充分还原发动机的真实状态，但是对试验工装夹具、空气管路、阀门等元件均有极高的耐高温、耐高压要求，不仅成本高昂，而且很难找到技术成熟可靠、安全性得到充分保障的可选用的试验设备。
5.现阶段承压机匣的高温高压强度试验主要有两种方法：1)采用温度较低的高压空气，配合感应线圈、电阻丝等方式对机匣加热，从而达到机匣表面高温高压的试验工况；2)在常温下使用液压油开展试验，将高温载荷根据经验公式折算为内压载荷进行加载。
6.然而，上述两种试验方法在模拟发动机的工作真实状态方面各自存在一些缺陷：方法1)中，由于机匣内部往往没有足够的空间布置加热芯，而采用感应线圈、电阻丝等在机匣外侧加热会形成机匣外表面温度高于机匣内表面温度的状态，这与发动机实际工作时的温度梯度相反；方法2)中，将温度载荷折算成内压载荷并使用液压油进行加载的过程中，液压油与高温高压空气的流体力学特性差异较大，将高温载荷根据经验公式折算出的内压误差较大，难以还原发动机的真实工作状态。


技术实现要素：

7.本发明的一个目的是提供一种机匣强度试验装置，能够还原发动机在高温高压环境下的真实工作状态，且试验设备的成本较低，安全性较高。
8.为实现所述目的的机匣强度试验装置，包括：试验组件，包括机匣试验件；空气系统，包括第一气路、第二气路、至少一个温度传感器、至少一个压力传感器和控制器，所述第一气路用于向所述机匣试验件中通入第一气流以对所述机匣试验件进行加热，所述第二气路用于向所述机匣试验件中通入第二气流以对所述机匣试验件进行加压，所述温度传感器和所述压力传感器设置在所述机匣试验件内，与所述控制器信号连接，所述控制器根据所述温度传感器或/和所述压力传感器所检测的数据，调节所述第一气流或所述第二气流的流量或/和压力或/和温度。
9.在所述的机匣强度试验装置的一个或多个实施方式中，所述第一气流在所述机匣试验件的上游具有第一流量、第一压力和第一温度，所述第二气流在所述机匣试验件的上
游具有第二流量、第二压力和第二温度，所述第一流量大于所述第二流量，所述第一压力小于所述强度试验所需的试验压力且小于所述第二压力，所述第一温度大于所述强度试验所需的试验温度，所述第二温度小于所述试验温度。
10.在所述的机匣强度试验装置的一个或多个实施方式中，所述第一气流在所述机匣试验件的上游的最大流量不小于2.5kg/s，所述第二气流在所述机匣试验件的上游的最大流量不大于0.8kg/s。
11.在所述的机匣强度试验装置的一个或多个实施方式中，所述第一气流在所述机匣试验件的上游的温度大于750℃。
12.在所述的机匣强度试验装置的一个或多个实施方式中，所述第二气流在所述机匣试验件的上游的压力大于10mpa。
13.在所述的机匣强度试验装置的一个或多个实施方式中，所述试验组件还包括保温层、前转接件和后转接件，所述保温层设置在所述机匣试验件的外侧，所述前转接件和所述后转接件分别设置在所述机匣试验件的上游和下游并与所述机匣试验件相连接，用于模拟所述机匣试验件的边界条件，并提供所述第一气路和所述第二气路的进气口和排气口。
14.在所述的机匣强度试验装置的一个或多个实施方式中，所述前转接件包括第一进气口和第二进气口，所述后转接件包括第一排气口和第二排气口，所述第一气流从所述第一进气口流入所述机匣试验件，从所述第一排气口流出所述机匣试验件，所述第二气流从所述第二进气口流入所述机匣试验件，从所述第二排气口流出所述机匣试验件。
15.在所述的机匣强度试验装置的一个或多个实施方式中，所述第一进气口低于所述机匣试验件的轴线，所述第一排气口高于所述轴线。
16.在所述的机匣强度试验装置的一个或多个实施方式中，所述第一进气口的内径大于所述第二进气口的内径，所述第一排气口的内径大于所述第二排气口的内径。
17.在所述的机匣强度试验装置的一个或多个实施方式中，所述空气系统包括多个所述温度传感器，分别设置在所述机匣试验件的内壁的多个关键试验点处。
18.在所述的机匣强度试验装置的一个或多个实施方式中，所述第一气路包括设置在所述机匣试验件的上游的空气加热器、第一进气端电磁阀、第一进气端调节阀、第一流量计，以及设置在所述机匣试验件的下游的第一排气端电磁阀、第一排气端调节阀，所述空气加热器、所述第一进气端电磁阀、所述第一进气端调节阀、所述第一流量计、所述第一排气端电磁阀和所述第一排气端调节阀中的一个或多个与所述控制器信号连接。
19.在所述的机匣强度试验装置的一个或多个实施方式中，所述第二气路包括设置在所述机匣试验件的上游的空气压缩机、第二进气端电磁阀、第二进气端调节阀、第二流量计，以及设置在所述机匣试验件的下游的第二排气端电磁阀、第二排气端调节阀，所述空气压缩机、所述第二进气端电磁阀、所述第二进气端调节阀、所述第二流量计、所述第二排气端电磁阀和所述第二排气端调节阀中的一个或多个与所述控制器信号连接。
20.本发明的机匣强度试验装置使用空气作为加载介质，从机匣试验件的内部对机匣试验件进行加热和加压，可以避免现有试验方案中将热应力折算成内压的误差问题，且不会引起相反的温度梯度分布，从而能够充分还原发动机的真实工作状态。此外，该机匣强度试验装置采用第一气路和第二气路分别对温度载荷和压力载荷进行加载，第一气路对机匣试验件进行加热，仅需具有较高的温度，但不需要具有较高的压力，第二气路对机匣试验件
进行加压，仅需具有较高的压力，但不需要具有较高的温度，由此，第一气路和第二气路的元件均不需要同时满足极高的耐高温和耐高压要求，能够大幅节省试验成本、降低试验难度、提高试验安全性。该机匣强度试验装置补充和完善了承压机匣的强度试验技术，不仅适用于承压机匣的性能考核试验及适航取证试验，也适用于其他极高温度和内压载荷联合作用下的零部件的强度考核试验。
21.本发明的另一个目的是提供一种机匣强度试验方法，能够还原发动机在高温高压环境下的真实工作状态，且成本较低，安全性较高。
22.为实现所述目的的机匣强度试验方法，包括以下步骤：开启第一气路，向机匣试验件中通入第一气流，对所述机匣试验件进行加热；根据所述机匣试验件内的温度，调节所述第一气流的流量或/和温度；将所述机匣试验件内的温度加热至预判温度后，关闭所述第一气路；开启第二气路，向所述机匣试验件中通入第二气流，对所述机匣试验件进行加压；根据所述机匣试验件内的温度和压力，调节所述第二气流的流量或/和压力；将所述机匣试验件内的温度和压力调节至所述强度试验所需的试验温度和试验压力后，关闭所述第二气路；其中，所述预判温度高于所述试验温度。
23.在所述的机匣强度试验方法的一个或多个实施方式中，所述第一气流在所述机匣试验件的上游具有第一流量、第一压力和第一温度，所述第二气流在所述机匣试验件的上游具有第二流量、第二压力和第二温度，所述第一流量大于所述第二流量，所述第一压力小于所述试验压力且小于所述第二压力，所述第一温度大于所述试验温度，所述第二温度小于所述试验温度。
24.在所述的机匣强度试验方法的一个或多个实施方式中，所述第一气流在所述机匣试验件的上游的最大流量不小于2.5kg/s，所述第二气流在所述机匣试验件的上游的最大流量不大于0.8kg/s。
25.在所述的机匣强度试验方法的一个或多个实施方式中，所述第一气流在所述机匣试验件的上游的温度大于750℃。
26.在所述的机匣强度试验方法的一个或多个实施方式中，所述第二气流在所述机匣试验件的上游的压力大于10mpa。
27.本发明的机匣强度试验方法使用空气作为加载介质，从机匣试验件的内部对机匣试验件进行加热和加压，可以避免现有试验方案中将热应力折算成内压的误差问题，且不会引起相反的温度梯度分布，从而能够充分还原发动机的真实工作状态。此外，该机匣强度试验方法采用第一气路和第二气路分别对温度载荷和压力载荷进行加载，第一气路对机匣试验件进行加热，仅需具有较高的温度，但不需要具有较高的压力，第二气路对机匣试验件进行加压，仅需具有较高的压力，但不需要具有较高的温度，由此，第一气路和第二气路的元件均不需要同时满足极高的耐高温和耐高压要求，能够大幅节省试验成本、降低试验难度、提高试验安全性。该机匣强度试验方法补充和完善了承压机匣的强度试验技术，不仅适用于承压机匣的性能考核试验及适航取证试验，也适用于其他极高温度和内压载荷联合作用下的零部件的强度考核试验。
附图说明
28.本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描
述而变得更加明显，其中：
29.图1是根据一个或多个实施方式的试验组件的立体示意图。
30.图2是根据一个或多个实施方式的试验组件的剖视示意图。
31.图3是根据一个或多个实施方式的机匣强度试验装置的示意图。
32.图4是根据一个或多个实施方式的机匣强度试验方法的流程示意图。
33.附图标记说明
34.100-机匣强度试验装置；200-试验组件；300-空气系统；301-第一气路；302-第二气路；1-机匣试验件；2-前转接件；3-后转接件；4-保温层；5-第二进气口；6-第一进气口；7-第一排气口；8-第二排气口；9-空气压缩机；10-第二进气端电磁阀；11-第二进气端调节阀；12-第二流量计；13-第一排气端电磁阀；14-空气加热器；15-第一进气端电磁阀；16-第一进气端调节阀；17-第一流量计；18-温度传感器；19-压力传感器；20-控制器；21-第二排气端电磁阀；22-第二排气端调节阀；23-第一排气端调节阀；24-第一气流；25-第二气流；27-第一气源；28-第二气源；29-轴线。
具体实施方式
35.下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本发明的保护范围进行限制。需要注意的是，附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此对本发明实际要求的保护范围构成限制。此外，本技术的一个或多个实施方式中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
36.本发明实施方式的机匣强度试验装置100如图1至图3所示，包括试验组件200和空气系统300。试验组件200包括机匣试验件1，空气系统300包括第一气路301、第二气路302、至少一个温度传感器18、至少一个压力传感器19和控制器20。
37.第一气路301用于向机匣试验件1中通入第一气流24以对机匣试验件1进行加热，第二气路302用于向机匣试验件1中通入第二气流25以对机匣试验件1进行加压，温度传感器18和压力传感器19设置在机匣试验件1内，分别用于检测机匣试验件1内的温度和压力数据，并通过有线通信或无线通信的方式与控制器20信号连接，控制器20根据温度传感器18或/和压力传感器19所检测的数据，调节第一气流24或第二气流25的流量或/和压力或/和温度。
38.本发明实施方式的机匣强度试验装置100使用空气作为加载介质，从机匣试验件1的内部对机匣试验件1进行加热和加压，可以避免现有试验方案中将热应力折算成内压的误差问题，且不会引起相反的温度梯度分布，从而能够充分还原发动机的真实工作状态。此外，该机匣强度试验装置100采用第一气路301和第二气路302分别对温度载荷和压力载荷进行加载，第一气路301对机匣试验件1进行加热，仅需具有较高的温度，但不需要具有较高的压力，第二气路302对机匣试验件1进行加压，仅需具有较高的压力，但不需要具有较高的温度，由此，第一气路301和第二气路302的元件均不需要同时满足极高的耐高温和耐高压要求，能够大幅节省试验成本、降低试验难度、提高试验安全性。该机匣强度试验装置100补充和完善了承压机匣的强度试验技术，不仅适用于承压机匣的性能考核试验及适航取证试验，也适用于其他极高温度和内压载荷联合作用下的零部件的强度考核试验。
39.继续参照图1至图3，试验组件200还包括保温层4、前转接件2和后转接件3。保温层4设置在机匣试验件1的外侧，用于为机匣试验件1保温。前转接件2和后转接件3分别设置在机匣试验件1的上游和下游，用于模拟机匣试验件1的边界条件，并提供第一气路301和第二气路302的进气口和出气口，前转接件2和后转接件3分别与机匣试验件1相连接，并在连接处采用耐高温高压的密封件进行密封，前转接件2和后转接件3还可以用于将试验组件200固定在试验地轨平台(未图示)上，例如通过在前转接件2和后转接件3上设置与试验地轨平台相连接的紧固件。
40.在本发明的描述中，术语“上游”和“下游”指代相对于流体路径中的流体流动的相对流动方向。举例来说，“上游”指代流体流出的流动方向，而“下游”指代流体流向的流动方向。
41.前转接件2包括第一进气口6和第二进气口5，后转接件3包括第一排气口7和第二排气口8，第一气流24从第一进气口6流入机匣试验件1，从第一排气口7流出机匣试验件1，第二气流25从第二进气口5流入机匣试验件1，从第二排气口8流出机匣试验件1。由此，可以便于根据第一气路301和第二气路302的不同设计要求分别设置不同的气路元件。
42.在另一些未图示的实施方式中，第一气路301和第二气路302也可以通过同一进气口流入机匣试验件1，或通过同一出气口流出机匣试验件1。由此，可以简化机匣强度试验装置100的结构，降低成本。
43.继续参照图1至图3，第一进气口6低于机匣试验件1的轴线29，第一排气口7高于轴线29。由此，可以使温度较高、密度较低的第一气流24从较低处进入机匣试验件1，向斜上方流动通过机匣试验件1，以便较为均匀地对机匣试验件1进行加热，减少机匣试验件1不同高度上的温度梯度。
44.空气系统300可以根据需要设置多个温度传感器18，例如，多个温度传感器18分别设置在机匣试验件2的内壁的多个关键试验点附近，以检测关键试验点的温度是否达到强度试验所需的试验温度t
t
。空气系统300也可以根据需要设置多个压力传感器19。
45.第一气路301包括设置在机匣试验件1的上游的空气加热器14、第一进气端电磁阀15、第一进气端调节阀16、第一流量计17，以及设置在机匣试验件1的下游的第一排气端电磁阀13、第一排气端调节阀23。空气加热器14用于加热第一气流24，第一进气端电磁阀15和第一排气端电磁阀13用于开启和关闭第一气路301，第一进气端调节阀16和第一排气端调节阀23用于调节第一气流24的流量，第一流量计17用于测量第一气流24的流量。以上元件中的一个或多个可以通过有线通信或无线通信的方式与控制器20信号连接，以向控制器20发送数据或/和接收控制器20的控制指令。
46.第二气路302包括设置在机匣试验件1的上游的空气压缩机9、第二进气端电磁阀10、第二进气端调节阀11、第二流量计12，以及设置在机匣试验件1的下游的第二排气端电磁阀21、第二排气端调节阀22。空气压缩机9用于对第二气流25加压，第二进气端电磁阀10和第二排气端电磁阀21用于开启和关闭第二气路302，第二进气端调节阀11和第二排气端调节阀22用于调节第二气流25的流量，第二流量计12用于测量第二气流25的流量。以上元件中的一个或多个可以通过有线通信或无线通信的方式与控制器20信号连接，以向控制器20发送数据或/和接收控制器20的控制指令。
47.控制器20包括一个或多个硬件处理器，诸如微控制器、微处理器、精简指令集计算
机(risc)、专用集成电路(asic)、应用特定指令集成处理器(asip)、中央处理单元(cpu)、图形处理单元(gpu)、物理处理单元(ppu)、微控制器单元、数字信号处理器(dsp)、现场可编程门阵列(fpga)、高级risc机(arm)、可编程逻辑器件(pld)、能够执行一个或多个功能的任何电路或处理器等中的一种或多种的组合。
48.本发明实施方式的机匣强度试验方法的流程如图4所示，整个试验过程分为加载阶段、保载阶段和卸载阶段，其中加载阶段进一步包括加热阶段和加压阶段。
49.下面结合一个实施方式介绍该机匣强度试验方法的流程，该实施方式采用图1至图3所示的机匣强度试验装置100进行操作，包括以下步骤：
50.1、在加热阶段，打开第一进气端电磁阀15和第一排气端电磁阀13以开启第一气路301，并启动空气加热器14对第一气流24进行加热，向机匣试验件1中通入被加热后的第一气流24，对机匣试验件1进行加热；
51.2、控制器20根据温度传感器18实时测得的机匣试验件1内的温度，调节第一进气端调节阀16和第一排气端调节阀23以调节第一气流24的流量，或/和调节空气加热器14以调节第一气流24的温度，从而调节机匣试验件1内的温度升高的速度和最终达到的温度；
52.3、为保证后述的加压阶段结束后，机匣试验件1内的温度能够达到强度试验所需的试验温度t
t
，在加热阶段需将机匣试验件1内的温度加热至高于试验温度t
t
的预判温度t0，预判温度t0根据ansys或其他仿真软件的仿真计算结果以及以往调试的经验确定，将机匣试验件1内的温度加热至预判温度t0后，关闭第一进气端电磁阀15和第一排气端电磁阀13以关闭第一气路301，并关闭空气加热器14，加热阶段结束；
53.4、在加压阶段，打开第二进气端电磁阀10和第二排气端电磁阀21以开启第二气路302，并启动空气压缩机9对第二气流25进行加压，向机匣试验件1中通入被加压后的第二气流25，对机匣试验件1进行加压；
54.5、控制器20根据温度传感器18和压力传感器19实时测得的机匣试验件1内的温度和压力，调节第二气流25的流量或/和压力，例如，通过将第二排气端调节阀22调至较小的开度以在保证安全的同时减少气体的流失和压力的损失，通过调节第二进气端调节阀11的开度来控制机匣试验件1内的压力上升的速度；
55.6、将机匣试验件1内的温度和压力调节至强度试验所需的试验温度t
t
和试验压力p
t
后，关闭第二进气端电磁阀10和第二排气端电磁阀21以关闭第二气路302，并关闭空气压缩机9，加载阶段结束；
56.7、在保载阶段，保持和实时监控机匣试验件1内的温度和压力，进行强度试验；
57.8、在卸载阶段，打开第二排气端电磁阀21，对机匣试验件1内的温度和压力载荷进行缓慢卸载。
58.以上描述了本发明的机匣强度试验方法的一个实施方式，在另一些实施方式中，该机匣强度试验方法也可以结合其他的元件或其他的气路连接方式来实现，或采用其他方式操作和控制气路元件，例如，可以通过气源直接控制第一气路301或第二气路302的开启和关闭，或者通过手动控制第一气路301或第二气路302的开启或关闭，或者通过手动调节第一气路301或第二气路302的温度或压力或流量，或者通过人工获取机匣试验件1内的温度或压力数据，或者，前述实施方式在步骤5中未对压力传感器19进行调节，以避免引入过多的变量，但在另一些实施方式中，在步骤5中也可以对压力传感器19进行调节以调节第二
气流25的压力，等等。
59.本发明实施方式的机匣强度试验方法使用空气作为加载介质，从机匣试验件1的内部对机匣试验件1进行加热和加压，可以避免现有试验方案中将热应力折算成内压的误差问题，且不会引起相反的温度梯度分布，从而能够充分还原发动机的真实工作状态。此外，该机匣强度试验方法采用第一气路301和第二气路302分别对温度载荷和压力载荷进行加载，第一气路301对机匣试验件1进行加热，仅需具有较高的温度，但不需要具有较高的压力，第二气路302对机匣试验件1进行加压，仅需具有较高的压力，但不需要具有较高的温度，由此，第一气路301和第二气路302的元件均不需要同时满足极高的耐高温和耐高压要求，能够大幅节省试验成本、降低试验难度、提高试验安全性。该机匣强度试验方法补充和完善了承压机匣的强度试验技术，不仅适用于承压机匣的性能考核试验及适航取证试验，也适用于其他极高温度和内压载荷联合作用下的零部件的强度考核试验。
60.为了便于描述，将第一气流24在机匣试验件1的上游的流量、压力和温度分别称为第一流量q1、第一压力p1和第一温度t1，将第二气流25在机匣试验件1的上游的流量、压力和温度分别称为第二流量q2、第二压力p2和第二温度t2。第一流量q1大于第二流量q2，第一压力p1小于试验压力p
t
且小于第二压力p2，第一温度t1大于试验温度t
t
，第二温度t2小于试验温度t
t
。
61.由此，第一气流24采用较大流量的高温热空气，可以快速地对机匣试验件1进行加热，但不需要具有较高的压力，对试验元件的要求较低，第二气流25采用高压空气，可以快速地对机匣试验件1进行加压，第二气流25的流量较小，对机匣试验件1的温度的影响较小，且第二气流25不需要具有较高的温度，对试验元件的要求较低。
62.例如，第一气源27提供流量不小于2.5kg/s的气流，通过第一气源27下游的元件对第一气流24进行调节后，该流量会变小，因此，第一气源27处的流量为第一气流24在机匣试验件1的上游的最大流量；第二气源28提供流量不大于0.8kg/s的气流，通过第二气源28下游的元件对第二气流25进行调节后，该流量会变小，因此，第二气源28处的流量为第二气流25在机匣试验件1的上游的最大流量。由于2.5kg/s远大于0.8kg/s，第一流量q1大于第二流量q2。
63.第一气流24在机匣试验件1的上游的温度大于750℃，从而可以将机匣试验件1加热至高于750℃的预判温度t0，第二气流25可以为中等温度，例如，第二气流25在机匣试验件1的上游的温度可以为400℃～600℃。由此，第一温度t1大于试验温度t
t
，第二温度t2小于试验温度t
t
。
64.第二气流25在机匣试验件1的上游的压力大于10mpa，从而可以快速将机匣试验件1内加压至高于10mpa的试验压力p
t
，并可以避免机匣试验件1内的高压气体向上游倒流。在另一些未图示的实施方式中，第二气路302在机匣试验件1的上游设置有单向阀，第二气流25在该单向阀的上游的压力也可以略小于10mpa，但在该单向阀与机匣试验件1之间，第二气流25的压力仍需大于机匣试验件1内的气体压力，以避免机匣试验件1内的高压气体向上游倒流。第一气流24可以为中等压力，例如，第一气流24在机匣试验件1的上游的压力可以为0.1mpa～2mpa。由此，第一压力p1小于试验压力p
t
且小于第二压力p2。
65.参照图1至图2，第一进气口6的内径大于第二进气口5的内径，第一排气口6的内径大于第二排气口8的内径，以便分别与第一气流24和第二气流25的流量相匹配。
66.本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。