民用航空發(fā)動機(jī)靜承壓件條款解析

華繼偉 王立 郭林林 劉創(chuàng)

摘 ?要：本文對《航空發(fā)動機(jī)適航規(guī)定》CCAR-33R2第33.64條“發(fā)動機(jī)靜承壓件”條款中關(guān)于適用對象、符合性驗(yàn)證方法、工作壓力、工作溫度、材料和工藝、幾何和安裝及評判準(zhǔn)則等進(jìn)行了詳細(xì)解析。以解析為基礎(chǔ)，確定了某民用渦軸發(fā)動機(jī)滑油管路靜壓試驗(yàn)的試驗(yàn)方案、試驗(yàn)主要技術(shù)參數(shù)和試驗(yàn)大綱并完成了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果符合適航條款要求，試驗(yàn)通過了適航審查。

關(guān)鍵詞：靜承壓件;解析;滑油管路;壓力試驗(yàn)

中圖分類號：V23 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A??文章編號：1671-2064（2019）17-0000-00

中國民航局（CAAC）發(fā)布的《航空發(fā)動機(jī)適航規(guī)定》是航空發(fā)動機(jī)進(jìn)入民用領(lǐng)域的最低安全標(biāo)準(zhǔn)，對保障我國民用航空領(lǐng)域發(fā)動機(jī)的使用安全和促進(jìn)民用航空事業(yè)的發(fā)展發(fā)揮了重要作用。國內(nèi)現(xiàn)行的《航空發(fā)動機(jī)適航規(guī)定》為CCAR-33R2，CCAR-33R2中第33.64 “發(fā)動機(jī)靜承壓件”為新增條款，本文針對此條款進(jìn)行解析，并結(jié)合某渦軸發(fā)動機(jī)滑油管路符合性驗(yàn)證試驗(yàn)進(jìn)行說明。

1 CCAR33.64條款技術(shù)內(nèi)涵

1.1適用對象

本條款適用于發(fā)動機(jī)承受較大氣體或液體壓力載荷的所有發(fā)動機(jī)靜零件，包括但不限于壓氣機(jī)、燃燒室、擴(kuò)散器與渦輪機(jī)匣;換熱器;溢流閥螺線管;發(fā)動機(jī)起動機(jī);燃料、油與液壓系統(tǒng)零件等。

1.2符合性驗(yàn)證方法

航空發(fā)動機(jī)靜承壓件的條款符合性必須通過試驗(yàn)、已驗(yàn)證的分析或兩者結(jié)合的方法來證明。

發(fā)動機(jī)靜承壓件通常需要進(jìn)行靜壓試驗(yàn)來驗(yàn)證條款符合性，如果已有設(shè)計(jì)零件通過試驗(yàn)驗(yàn)證或外場經(jīng)驗(yàn)證明零件符合條款要求，可用分析技術(shù)驗(yàn)證條款符合性。

條款符合性驗(yàn)證試驗(yàn)分為耐壓試驗(yàn)和極限壓力試驗(yàn)。耐壓試驗(yàn)用以驗(yàn)證靜承壓件滿足CCAR33.64（a）（1）的要求，極限壓力試驗(yàn)用以驗(yàn)證靜承壓件滿足CCAR33.64（a）（2）的要求。

1.3影響因素和參數(shù)

1.3.1 工作壓力

發(fā)動機(jī)工作壓力水平必須根據(jù)發(fā)動機(jī)工作特性結(jié)合發(fā)動機(jī)靜承壓件咨詢通告（AC33.64-1）中相關(guān)壓力水平的定義給定。AC33.64-1給出CCAR33.64條款中靜承壓件壓力水平定義如下：

正常工作壓力（NWP）：在大多數(shù)飛行中可能發(fā)生的最大壓差，包括閥門和通氣口正常工作產(chǎn)生的壓力波動（喘振）。

最大工作壓力（MWP）：在使用中可能遇到的最不利工作條件下（如前向速度、高度、環(huán)境溫度、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、使用OEI功率）產(chǎn)生的最大壓差，包括閥門和通氣口正常工作產(chǎn)生的任何壓力波動及重大喘振壓力。

最大可能壓力（MPP）：在使用中可能遇到的最不利工作條件下（如前向速度、高度、環(huán)境溫度、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、使用OEI功率），連同發(fā)動機(jī)或控制系統(tǒng)相關(guān)部件失效，或者發(fā)生概率大于極小可能的失效組合條件下，產(chǎn)生的最大壓差。應(yīng)當(dāng)考慮包含重大喘振壓力在內(nèi)的由控制裝置和閥門設(shè)備正常或應(yīng)急工作引起的任何脈動壓力。

根據(jù)規(guī)章要求，靜壓試驗(yàn)的壓力取最惡劣情況。耐壓試驗(yàn)的壓力取1.1倍MWP、1.33倍NWP和NWP+35kPa三個計(jì)算值中的大值;極限壓力試驗(yàn)的壓力取1.15倍MPP、1.5倍MWP和MPP+35kPa三個計(jì)算值中的大值。

1.3.2 工作溫度

靜壓試驗(yàn)的壓力選取需要考慮零件工作溫度：

（1）如果靜承壓件在發(fā)動機(jī)工作過程中承受熱應(yīng)力，應(yīng)對試驗(yàn)壓力進(jìn)行熱應(yīng)力修正。如果熱應(yīng)力對靜承壓件的影響不能通過修正試驗(yàn)壓力來模擬，那么必須對不考慮熱應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果的有效性進(jìn)行分析。此條主要適用對象是渦輪機(jī)匣等工作溫度梯度較大的靜承壓件。

（2）靜承壓件的靜壓試驗(yàn)理論上需要在最大工作溫度下進(jìn)行。若試驗(yàn)在其他溫度下進(jìn)行，必須考慮最大工作溫度和試驗(yàn)溫度下的靜承壓件材料性能的差異。以試驗(yàn)溫度20℃為例，需要加權(quán)溫度系數(shù)來對試驗(yàn)壓力進(jìn)行修正，溫度系數(shù)計(jì)算公式如下：

注：T為零件的工作溫度。

1.3.3 其他靜載荷

壓力試驗(yàn)的壓力選取需要考慮的除壓力載荷外任何其他重要靜載荷：

（1）如果除壓差引起的載荷外，零件還承受其它載荷（如機(jī)動飛行載荷，發(fā)動機(jī)安裝節(jié)載荷等），應(yīng)根據(jù)這些載荷的影響對試驗(yàn)壓力進(jìn)行修正。如果這些載荷對靜承壓件的影響不能通過修正試驗(yàn)壓力來模擬，那么試驗(yàn)時必須對靜承壓件施加這些載荷。此條主要適用對象是渦輪機(jī)匣等處于傳力路線上的靜承壓件。

（2）如果零件在工作中經(jīng)受的壓力隨零件位置（內(nèi)部或外部應(yīng)力梯度）變化，那么靜壓試驗(yàn)必須對靜壓件所處壓力場進(jìn)行模擬。此條主要適用對象是壓氣機(jī)機(jī)匣等所受壓力隨位置變化的靜壓承力件。

1.3.4 材料和工藝

壓力試驗(yàn)的壓力選取需要考慮零件的材料的最低性能和加工工藝。

（1）如果靜承壓件有多種材料構(gòu)成，選取最低性能材料的最低性能作為試驗(yàn)壓力選取依據(jù)。

（2）如果靜承壓件采用焊接等形式加工而成，需要考慮加工工藝對母材性能的影響，需要加權(quán)工藝系數(shù)來對試驗(yàn)壓力進(jìn)行修正，工藝系數(shù)根據(jù)相關(guān)材料和設(shè)計(jì)規(guī)范制定。

1.3.5 幾何和安裝

壓力試驗(yàn)的壓力選取需要考慮型號設(shè)計(jì)允許的任何不利的幾何形狀的影響：

（1）部件壓力試驗(yàn)應(yīng)該在關(guān)鍵零件位置處模擬與發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)一致的實(shí)際安裝和約束條件。

（2）耐壓承力件本身型號設(shè)計(jì)允許的任何不利的幾何形狀。

為保證壓力試驗(yàn)的有效性，需要加權(quán)幾何和安裝系數(shù)來對試驗(yàn)壓力進(jìn)行修正，系數(shù)計(jì)算方法如下：

耐壓承力件的上公差（下公差）-耐壓承力件安裝接口之間的下公差（上公差）累積|作為零件裝配應(yīng)變，通過計(jì)算得到裝配應(yīng)力，從而得到幾何安裝系數(shù)。

1.4評判準(zhǔn)則

CCAR33.64規(guī)定發(fā)動機(jī)靜承壓件設(shè)計(jì)必須滿足以下要求：

（1）發(fā)動機(jī)靜承壓件在經(jīng)受§33.64（a）（1）和（b）規(guī)定的壓力載荷時可以穩(wěn)定保持一分鐘而不出現(xiàn)超過使用限制的永久變形或者發(fā)生可能導(dǎo)致危害性發(fā)動機(jī)后果的泄漏。

（2）發(fā)動機(jī)靜承壓件在經(jīng)受§33.64（a）（2）和（b）規(guī)定的壓力載荷時可以穩(wěn)定保持一分鐘而不發(fā)生破裂或爆破。

2某渦軸發(fā)動機(jī)滑油管路靜壓試驗(yàn)

某渦軸發(fā)動機(jī)滑油管路靜壓試驗(yàn)是發(fā)動機(jī)取證試驗(yàn)之一，靜壓試驗(yàn)的試驗(yàn)壓力影響因素和參數(shù)根據(jù)上述條款解析選取。

2.1影響因素和參數(shù)

2.1.1壓力

發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范中已給定滑油系統(tǒng)管路的工作壓力和工作溫度，見表1。

2.1.2溫度

試驗(yàn)環(huán)境溫度和試驗(yàn)介質(zhì)溫度取20±5℃，試驗(yàn)需要考慮試驗(yàn)溫度與工作溫度水平下材料性能的差異。

滑油管路材料不同溫度下的性能見圖1。

根據(jù)表1和圖1可求得滑油管路試驗(yàn)壓力溫度系數(shù)，見表2。

2.1.3其他靜載荷

滑油管路不處在發(fā)動機(jī)傳力路線上，受到的機(jī)動飛行載荷等載荷的影響較小，可不考慮。

滑油管路安裝在發(fā)動機(jī)外部，處于大氣環(huán)境中，壓力均勻;滑油管路內(nèi)部為滑油通道，管路本身流阻很小，內(nèi)部壓力均勻。

綜上所述滑油管路靜壓試驗(yàn)可不考慮其受到的其他靜載荷。

2.1.4材料和工藝

試驗(yàn)所選滑油管路由不銹管管和管接頭焊接而成，由數(shù)據(jù)可知，馬氏體不銹鋼和奧氏體不銹鋼不同組織的焊接接頭抗拉強(qiáng)度與奧氏體不銹鋼母材相接近。與奧氏體不銹鋼母材相比，抗拉強(qiáng)度下降了2.04%;與馬氏體不銹鋼母材相比，抗拉強(qiáng)度下降了12.9%。根據(jù)上訴資料結(jié)合管路設(shè)計(jì)規(guī)范確定管路的工藝系數(shù)。

耐壓試驗(yàn)工藝系數(shù)：

K2_PP=1.15

極限壓力試驗(yàn)工藝系數(shù)：

K2_up=1.25

2.1.5幾何和安裝

根據(jù)靜壓試驗(yàn)的滑油管路和安裝接口的公差，求得相應(yīng)的裝配應(yīng)變?yōu)?mm，經(jīng)過換得到幾何和安裝系數(shù)K3=1.15。

2.2試驗(yàn)壓力計(jì)算

2.2.1耐壓試驗(yàn)壓力計(jì)算

A=MWP×1.1×K1_PP（MWP） ×K2_PP×K3

B=NWP×1.33×K1_PP（NWP） ×K2_PP×K3

C=（ NWP+35）×K1_PP（NWP） ×K2_PP×K3

D=MAX（A，B，C）

根據(jù)計(jì)算得到D=3259Mpa，耐壓試驗(yàn)壓力取值3500Mpa。

2.2.2極限壓力試驗(yàn)壓力計(jì)算

A=MPP×1.15×K1_UP（MPP） ×K2_UP×K3

B=MWP×1.5×K1_UP（MWP） ×K2_UP×K3

C=（ MPP+35）×K1_UP（MPP） ×K2_UP×K3

D=MAX（A，B，C）

根據(jù)計(jì)算得到D=4166Mpa，極限壓力試驗(yàn)壓力取值4500Mpa。

2.3試驗(yàn)原理

某渦軸發(fā)動機(jī)典型管路壓力試驗(yàn)原理如圖2所示，壓力試驗(yàn)通過壓力表控制管路內(nèi)試驗(yàn)介質(zhì)的壓力，通過溫控箱控制試驗(yàn)介質(zhì)的溫度，通過試驗(yàn)臺的相關(guān)設(shè)備控制試驗(yàn)環(huán)境溫度。

2.4試驗(yàn)過程概述

滑油管路靜壓試驗(yàn)分為耐壓試驗(yàn)和極限壓力試驗(yàn)：耐壓試驗(yàn)需要滑油管路中的試驗(yàn)介質(zhì)在3500MPa壓力水平上穩(wěn)定1分鐘;極限壓力試驗(yàn)需要滑油管路中的試驗(yàn)介質(zhì)在4500MPa壓力水平上穩(wěn)定1分鐘。兩個試驗(yàn)的試驗(yàn)環(huán)境溫度和管路中的試驗(yàn)介質(zhì)溫度都需要控制在20±5℃。

2.5試驗(yàn)結(jié)果

用于耐壓試驗(yàn)滑油管路未發(fā)生超出設(shè)計(jì)要求變形，試驗(yàn)過程中未發(fā)生泄露;用于極限壓力試驗(yàn)滑油管路未發(fā)生破裂或爆破。試驗(yàn)大綱和試驗(yàn)條件獲得審查組批準(zhǔn)，整個試驗(yàn)審查組全程目擊，試驗(yàn)通過適航審查。

3結(jié)語

本文對CCAR-33R2中第33.64 條“發(fā)動機(jī)靜承壓件”條款進(jìn)行了詳細(xì)解析，以此為基礎(chǔ)，確定了某民用渦軸發(fā)動機(jī)滑油管路靜壓試驗(yàn)的試驗(yàn)方案、試驗(yàn)主要技術(shù)參數(shù)和試驗(yàn)大綱。在中國民航發(fā)動機(jī)適航審定中心的見證下完成了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果符合適航條款要求，試驗(yàn)通過了適航審查。

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收稿日期：2019-07-18

作者簡介：華繼偉（1990—），男，山東泰安人，本科，工程師，研究方向：航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。