航空發(fā)動機(jī)研發(fā)過程中的固有測試性設(shè)計

王強(qiáng)， 劉宜勝， 方杰， 劉俊

（中國航發(fā)上海商用航空發(fā)動機(jī)制造有限責(zé)任公司試驗驗證中心，上海201306）

0 引言

航空發(fā)動機(jī)研制過程中，需開展大量的零部件、系統(tǒng)以及核心機(jī)、整機(jī)的研發(fā)試驗，以驗證功能、性能、結(jié)構(gòu)完整性以及修正設(shè)計分析模型，總時數(shù)可達(dá)十幾萬小時以上[1-2]。伴隨試驗的開展，需布置大量、多種測試儀器以獲取各類數(shù)據(jù)，并監(jiān)視試驗件的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。一般的測試項目包括流路中各截面的溫度和壓力等氣動性能參數(shù)，轉(zhuǎn)靜子件的壁面溫度和振動應(yīng)力等的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度參數(shù)，以及動態(tài)壓力、葉尖間隙、軸向力等安全監(jiān)測參數(shù)。在部件和整機(jī)的專項試驗中，一次上臺的測試項目可超過1000點(diǎn)，布置如此大量的測試儀器，必然會對試驗件的氣動性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度產(chǎn)生影響。為了在獲得足夠有效數(shù)據(jù)的同時，將對試驗件的負(fù)面影響降低到可接受的程度，除了在測試手段上做文章以外，還應(yīng)在試驗件設(shè)計上統(tǒng)籌考慮測試需求，以支持測試過程的實現(xiàn)，也即試驗件應(yīng)有好的固有測試性[3-5]。

針對航空發(fā)動機(jī)研發(fā)試驗過程中測試項目繁多的特點(diǎn)，可以從試驗件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計、加工和裝配的工藝設(shè)計,以及試驗測試工作流程等方面開展，提高試驗件的固有測試性。

1 試驗件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計

長期以來，航空發(fā)動機(jī)研發(fā)領(lǐng)域存在著先做產(chǎn)品設(shè)計，再基于產(chǎn)品設(shè)計進(jìn)行試驗件改裝設(shè)計的現(xiàn)象，甚至直接借用產(chǎn)品圖樣或硬件。但是往往由于進(jìn)度緊張，試驗件的改裝不夠充分，其可測試性不足。產(chǎn)品的設(shè)計非常重視對重量和尺寸的控制，結(jié)構(gòu)緊湊，強(qiáng)度裕度有限。這樣在試驗件上做打孔走線或者布置測試儀器的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，特別是涉及到旋轉(zhuǎn)件上的測試項目，往往會發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度不足或者空間過于狹小，難以布置測試儀器，甚至不得已取消部分測點(diǎn)。因此必須根據(jù)測試手段開展試驗件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計，以達(dá)到試驗的根本目的。

1.1 改變零件連接方式

零件的連接方式主要是從產(chǎn)品的焊接式連接或者一體式結(jié)構(gòu)，改為螺栓連接或者分體式結(jié)構(gòu)，使得后續(xù)的加工裝配工作更靈活，以便于測試布線。

對于多級壓氣機(jī)各級轉(zhuǎn)子葉片的動應(yīng)力監(jiān)測，一般將動應(yīng)力測試引線沿鼓筒內(nèi)壁固定，并穿過前面級盤，向前引到前軸頸，并經(jīng)由滑環(huán)引電器或者遙測裝置將信號輸出。

但是為降低重量、減少零件數(shù)等目的，目前的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子大量采用鼓筒焊接結(jié)構(gòu)[6]，這樣就導(dǎo)致在壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子上的測試引線難以實施。因此，在不影響試驗?zāi)康牡那闆r下，可以將各級鼓筒用螺栓連接，并且鼓筒臂均布置在同一側(cè)，如圖1（a）所示，各級鼓筒臂均在盤的右側(cè)且均為螺栓連接。這樣就可以在從第1級裝配到第10級的過程中，逐級穿線，實現(xiàn)將后面級測試信號引到前端的目的，如圖1（b）所示。

圖1 鼓筒螺栓連接結(jié)構(gòu)

這樣的結(jié)構(gòu)極大方便了后續(xù)加工和裝配過程中的測試布線工作，研發(fā)階段的性能試驗件設(shè)計可以參考此種結(jié)構(gòu)。另外，一般壓氣機(jī)前幾級都采用鈦合金整體葉盤，這樣在葉片上粘貼應(yīng)變片時，如果需要進(jìn)爐烘烤就非常不便，因此對于氣動試驗盡量不用整體葉盤，既便于測試實施也降低了材料和加工的成本。

1.2 調(diào)整發(fā)動機(jī)支點(diǎn)位置

根據(jù)適航規(guī)定CCAR 33.83條[7]，必須對所有的葉片、盤、軸等做振動測試以證明其振動特性在整個聲明的飛行包線范圍內(nèi)是可接受的。為了準(zhǔn)確了解葉片的振動特性，必須在發(fā)動機(jī)實際工作狀態(tài)下測定其自振頻率（動頻）及動應(yīng)力[8]。涉及到轉(zhuǎn)子件的部分，最直接的做法就是在整機(jī)狀態(tài)下監(jiān)測上述所有零件的動應(yīng)力?？紤]旋轉(zhuǎn)信號傳輸裝置的安裝空間和工作環(huán)境，整機(jī)狀態(tài)下只有高壓壓氣機(jī)前端的由軸承腔外壁、前軸頸以及壓氣機(jī)盤構(gòu)成的空間才有可能安裝，但是此處空間仍然非常狹小，可以考慮修改發(fā)動機(jī)總體布局，臨時將此處支點(diǎn)前移騰出空間，這種做法已在國外有所應(yīng)用。

發(fā)動機(jī)支點(diǎn)位置調(diào)整帶來非常大的分析工作量，代價較大，因此在測試手段上，也需要繼續(xù)研究信號傳輸裝置小型化以及非接觸法（如葉尖定時法）用于監(jiān)測整機(jī)狀態(tài)下葉片振動特性的技術(shù)。

1.3 增加測試輔助結(jié)構(gòu)

為避免在試驗件上打過多的測試引線孔，或者為了支撐測試引線時，需要考慮設(shè)置測試輔助結(jié)構(gòu)。

如圖1（a）中設(shè)置的核心機(jī)軸心測試引線管。壓氣機(jī)盤心處的腔壓測試引線以及高壓渦輪旋轉(zhuǎn)件的測試引線就可以經(jīng)由此引線管引至前端信號傳輸裝置處。

另外，各種測試引線如果不加整理地放置于試驗件外部，相互之間以及測試線與試驗件本體的各種管路之間會產(chǎn)生嚴(yán)重的干涉，后續(xù)與試驗設(shè)備的連接以及通道檢查和故障排查也將非常困難。因此需要在試驗件外部設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)，并將不同測試參數(shù)的引線向著其與試驗設(shè)備的連接方向布置。如圖2所示的壓氣機(jī)試驗件，近800個測點(diǎn)的測試引線，按照試驗設(shè)備上的數(shù)采位置，將溫度、振動、動應(yīng)力等測試引線梳理至試驗件的左側(cè)；將壓力、間隙、葉尖振幅等測試引線梳理至試驗件右側(cè)。

1.4 融合測試元件與本體設(shè)計

利用試驗件本體結(jié)構(gòu)，將測試元件集成其上，既實現(xiàn)測量，又最大程度減少對試驗件本體的改動以及對流動的干涉，應(yīng)是一種值得重點(diǎn)考慮的措施。

比如常用的葉型受感部，如圖3（a）所示，需要將測試元件安裝在葉片表面，這就不可避免地對氣動性能產(chǎn)生影響。隨著新技術(shù)應(yīng)用水平的成熟，為改善其型面質(zhì)量，可以考慮采用3D打印技術(shù)實現(xiàn)一體成型，如圖3（b）所示。

圖2 試驗件外部的測試引線支撐結(jié)構(gòu)

針對發(fā)動機(jī)軸向力，國內(nèi)通常采用分立器件——測力環(huán)進(jìn)行測量，這種方法要求彈支與軸承座分離并保持一定的間隙，而較大的間隙會對發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)靜子配合以及轉(zhuǎn)子動力學(xué)造成負(fù)面影響。因此可以考慮直接在彈支輻條上粘貼應(yīng)變片進(jìn)行軸向力測量的方法，如圖3（c）所示。當(dāng)然，這種方法也需要彈支的設(shè)計有足夠的空間用于布置應(yīng)變片，也要有足夠的應(yīng)變量滿足測量靈敏度的要求。

對于壁溫測試，傳統(tǒng)手段在被測表面埋設(shè)熱電偶，這對被測件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和氣動性能都會產(chǎn)生影響，而采用電鍍、真空蒸發(fā)、真空濺射等技術(shù)將薄膜熱電偶直接鍍制在被測表面，不但影響小，而且具有質(zhì)量小、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)[9]。

1.5 強(qiáng)度設(shè)計的考慮

關(guān)于試驗件強(qiáng)度評估，其準(zhǔn)則和壽命要求應(yīng)按照其試驗周期、循環(huán)數(shù)以及工況來確定，而不是按照產(chǎn)品的要求，兩者的評價結(jié)果會有天壤之別。

圖3 測試元件與本體的融合設(shè)計結(jié)構(gòu)

圖4 輪盤與安裝邊的測試開孔結(jié)構(gòu)

對于測試改裝確實導(dǎo)致強(qiáng)度評估無法通過的，就需要考慮局部加強(qiáng)的設(shè)計，比如圖4所示在盤和法蘭邊上的測試開孔，可以適當(dāng)增加盤和法蘭邊的厚度，或者采用空心螺栓用以走線，減少開孔。

2 試驗件加工工藝

由于測試接口的存在，以及部分測試布線需要在加工的過程中進(jìn)行，因此需要調(diào)整正常的加工工藝以適應(yīng)這種變化，包括工序的調(diào)整，以及采取保護(hù)措施減小或避免測試布線與試驗件加工的相互影響。

如圖5所示的壓氣機(jī)第8、9、10級焊接連接的鼓筒結(jié)構(gòu)，在無測試布線的情況下，3級鼓筒可以同時電子束焊接，但是為了測試布線，就需要在焊接鼓筒的工序中加入測試布線的步驟，逐級焊接、布線，相應(yīng)地，也需要調(diào)整工裝的結(jié)構(gòu)和數(shù)量。在焊接過程中，對于離焊縫較近的測試引線，需要采取保護(hù)措施以免被焊接產(chǎn)生的高溫?fù)p壞。在焊后的車鎖底、打孔等工序中，避免刀具對測試線的干涉破壞，以及冷卻液、金屬屑對測試線的腐蝕、堵塞和對絕緣性的破壞。在做熒光檢查前，需要保護(hù)測試線，以免在將被檢件浸入熒光液處理時影響其絕緣性和產(chǎn)生堵塞。

對于高壓渦輪葉片的動應(yīng)力和壁面溫度測量，由于表面有熱障涂層，一般需要先去除引線路徑上的涂層，再安裝測量元件。這樣加長了整個工作周期，且影響涂層質(zhì)量。可以在噴涂層之前安裝測量元件，然后一并噴涂完畢，節(jié)約資源也便于控制涂層質(zhì)量。

3 試驗件裝配工藝

測試引線經(jīng)常需要跨越零件、組件甚至單元體，因此在試驗件的裝配工藝中，應(yīng)考慮測試布線穿插工作的需求，在裝配周期、順序、工裝工具以及裝配方式上做適宜性調(diào)整。

如壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片動應(yīng)力測量，由于裝配過程中葉尖磨工序?qū)θ~片的振動會降低葉片上應(yīng)變片的可靠性，所以可以考慮先做葉尖磨，然后分解葉片進(jìn)行應(yīng)變片貼片工作?；蛘邔⑿枰贾脩?yīng)變片的葉片提前磨短以保證葉尖磨過程中不會碰磨到葉片，這種少量的磨短不會顯著改變?nèi)~片的振動特性。

4 固有測試性提升的流程保證

前面的論述都是從技術(shù)層面探討提升固有測試性的方法，從中可看出，落實這些技術(shù)措施的根本保障，是在管理上保證測試工作盡早介入試驗件設(shè)計乃至試驗策劃中，并行開展。

圖5 鼓筒焊接結(jié)構(gòu)示意圖

國內(nèi)外都存在著試驗件設(shè)計完以后才考慮測試需求的現(xiàn)象，NASA已經(jīng)在20世紀(jì)90年代末期討論了這一現(xiàn)象的弊端和教訓(xùn)，并提出了將測試系統(tǒng)設(shè)計集成到整個項目生命周期中的工作思路。在項目的初步分析（preliminary analyses）階段理解客戶需求和任務(wù)要求，制定初步的測試工作計劃并分析相關(guān)測試技術(shù)需求、風(fēng)險領(lǐng)域和資源要求；在定義和初步設(shè)計（Definition and Preliminary Design）階段，確保測試系統(tǒng)及其子系統(tǒng)的指標(biāo)滿足用戶需求，并對相關(guān)的測試技術(shù)需求、風(fēng)險領(lǐng)域以及資源要求確定基線；在詳細(xì)設(shè)計（design）階段，做測試系統(tǒng)及子系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計，保證全面滿足客戶需求；在運(yùn)行（operation）階段，記錄、評估運(yùn)行結(jié)果與故障，并總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)。

圖6 試驗測試工作流程

無論是NASA還是國內(nèi)的航空發(fā)動機(jī)研制機(jī)構(gòu)，乃至系統(tǒng)工程手冊中對產(chǎn)品的生命周期定義都大同小異?？梢栽谠囼灱兄浦袇⒄諔?yīng)用，按照系統(tǒng)工程的方法，聚焦試驗過程，將試驗測試工作劃分為試驗策劃、試驗準(zhǔn)備、試驗實施和試驗分析4個階段，如圖6所示，給出每個階段包括測試工作在內(nèi)的交付物和輸入輸出關(guān)系，確保需求和方案之間的迭代和確認(rèn)。

在試驗策劃階段，理解測試需求，確定測試內(nèi)容和測試設(shè)計的輸入信息，梳理測試技術(shù)難點(diǎn)項目并實施攻關(guān)工作；在試驗準(zhǔn)備階段，開展測試系統(tǒng)及子系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)，過程中與試驗件本體設(shè)計持續(xù)迭代與確認(rèn)；在后續(xù)的實施和分析階段跟蹤評估測試系統(tǒng)，總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)。

由于涉及專業(yè)較多，有必要組織集成產(chǎn)品研發(fā)團(tuán)隊（IPDT）[10]，協(xié)調(diào)試驗件設(shè)計、試驗、測試、制造以及計劃管理等各個專業(yè)，確保技術(shù)和進(jìn)度的溝通協(xié)同。

5 結(jié)語

固有測試性是產(chǎn)品設(shè)計對測試過程的支持程度，為保障航空發(fā)動機(jī)研發(fā)過程中大量的測試需求得以滿足，需要系統(tǒng)策劃，保證在研發(fā)活動的早期階段啟動測試工作并貫穿整個研發(fā)過程。由于使用目的不同，試驗件和產(chǎn)品的設(shè)計要求也不同，需要將測試系統(tǒng)作為試驗件的一部分來考慮，與試驗件本體設(shè)計并行開展并迭代，并檢查測試項目的必要性、測試手段的可行性和測試接口的可實現(xiàn)性。針對測試布線的實施，需分析加工、裝配和測試布線中的每一道工序及其相互影響因素，合理設(shè)計工藝過程。

[1]張寶誠.航空發(fā)動機(jī)試驗和測試技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005:25-26.

[2]王振華,王亮.航空發(fā)動機(jī)試驗測試技術(shù)發(fā)展探討[J].航空發(fā)動機(jī),2014,40(6):47-51.

[3]裝備測試性工作通用要求:GJB2547A-2012[S].

[4]周偉朋,金彬.提高航空發(fā)動機(jī)測試性的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法及應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2014(24):72-73.

[5]朱永波.航空發(fā)動機(jī)測試性研究[C]//國防科技工業(yè)試驗與測試技術(shù)高層論壇.2007:193-195.

[6]陳光.航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計分析[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006:386-388.

[7]航空發(fā)動機(jī)適航規(guī)定:CCAR-33R2[S].

[8]曹昆華,黃家經(jīng).某型發(fā)動機(jī)低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片動測技術(shù)及應(yīng)用[J].燃?xì)鉁u輪試驗與研究,2008,21(1):22-25.

[9]李富亮,雷勇.航空發(fā)動機(jī)全流程參數(shù)試驗中溫度和壓力測量綜述[J].機(jī)械設(shè)計與制造,2010(3):255-256.

[10]張新國.系統(tǒng)工程手冊:系統(tǒng)生命周期流程和活動指南[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2013:44-64.

（責(zé)任編輯 張立明）