浅析气流温度及压力对台架引射筒裂纹的影响

赵宇 张荫鳌

摘 要：针对大型引射筒出现裂纹，影响发动机交付的现象，通过对发动机试车台架引射筒壁面温度及压力的测试结果进行分析，进而确定和排除温度和压力对筒体裂纹故障的影响，为引射筒裂纹排故工作扫清障碍。

关键词：气流温度；压力；台架引射筒；裂纹

近年来，随着发动机推力的不断提高，试车台架引射筒（以下简称筒体）的破坏程度也日趋严重，发动机喷口喷出的高压、高温的气流是否是造成引射筒裂纹的直接原因始终困扰着技术人员。虽然各台架的引射筒裂纹的方位、截面、方向、大小各不相同，但裂纹的产生均在距引射筒体口10m长度范围内。为了分析和研究筒体裂纹产生的原因，试验组决定在某台架对筒体的内外壁的温度及筒体内壁感受的压力（总压P*、静压P）进行试验研究。

1 试验目的

测取引射筒不同截面、位置的内壁面所感受的燃气流温度t、总压P*、静压P，分析和研究引射筒裂纹产生的原因是否与其有关。

2 试验方案的选择

为了防止测试试验中的盲目布点而对引射筒造成损坏以及由此带来试验后的大量修补工作，因此，在筒体壁面打孔时，严格控制了开孔的数量及直径。选点时，采用了主次对比法：选择了距离筒体口6.8m处的B区即裂纹严重的环形带作为测试的中心区域，并以此处为基准前后展开布，进行温度变化比较。以此判断燃气温度和压力是否对筒体产生影响。

3 试验方法的选择

为了真实、可靠的测取筒体的内、外壁面温度，此次选用了筒壁表面敷设热电偶的测试方法。即根据中间导体定律，将两根？准0.5mm的E型热电偶平行、间隔一定距离、分别用储能点焊机点焊在筒体内外壁面的等温线上。之后，将偶丝穿上绝缘陶瓷管，由筒体壁面孔引出，与补偿导线相连，输出端接入数采系统。这种敷设法的热电偶与壁面接触良好，准确度高。

为了测取筒内各截面总压P*和静压P的数值，采用在筒壁上打孔，将总压受感部通过焊接在筒体上的安装座插入筒体内。静压感头平贴在筒体内壁面，转接部分与筒体外壁焊接。试验时，气流压力由总、静压受感部传送给传感器，由传感器转变为电信号，输给显示记录仪。

4 试验数据

在试验中，分别录取了发动机不同转速工作状态时的筒体温度和压力。

5 试验结果的初步分析

（1）由距离筒体进口6.8m处，沿圆周方向的径向严重裂纹区（即B区）作为研究中心，与左右展开的区域测试结果相比较，筒体所感受的辐射温度是前低后高，上低下高的分布形式。其原因是由于发动机尾喷口喷射出的高压、高速气流与引射筒引射部分的静止气体（室内空气）最初有明显界限的隔热所致，由于两股气流不断的相互作用，界线逐渐消失，温度也随之逐渐提高，筒体外壁温度并不高。而上低下高的温度表现形式是由于发动机尾喷口下倾角度所至。测试结果表明筒体B区所感受的最高温度只有47℃，不属于高温、高热，不具有对筒体材料由急冷急热所造成的塑性变形而产生疲劳断裂的能力。

（2）由B区测得的总压P*和靜压P均为负压（低于大气压），且几乎等同。由此表明发动机尾喷口喷出的高压高速气流喷入引射筒，在两股气流的粘性摩擦和紊流混合过程中伴随机械能的损失，速度逐渐拉平，且趋近于零，使得总、静压近似等同。

（3）仅从B区总压P*、静压P测试的结果还不能作为筒体裂纹的判定依据，只是可以认为靠近筒体内壁的该处气体是成紊流混合状态。

6 有关现象的探讨

6.1 P*总压受感部断裂后从引筒进口窜出现象的分析

安装在引射筒B区P*总压受感部，经历了某发动机的多次试车，次日下午又进行了四种状态的两次P*参数测试均为正常。但试车停止15分钟后，此受感部从根部断裂，掉下的？准12×2×150的长感头呈“S”型，两端变为钝圆飞出引射筒，掉在发动机间进门左侧1M处台面上。经过对引射筒内壁观察，断裂后的受感部在引射筒内运动轨迹。根据引射筒的工作原理和两股气流的流动特性而言，即在两层气流之间有一个混合区，这就是气体的粘性对两层气流作用的表现。B处靠近壁面的气流一般不是层状，气体微团有明显乱窜，而且做着杂乱无章的运动，形成了紊流混合，喷流经过紊流混合，带动了一部分外界气体，同时也带动了断裂掉下的受感部向后移动，当喷流后移的能量逐渐减退至与受感部重量等同时，后移运动停止，由于射流与紊流的压差作用，使之贴靠筒壁，这时气体的反压作用又使感头贴靠壁面开始向引射筒的进口方向游动。由于距进口5.7m处有凸起的筒体接缝焊道阻碍，使之感头往返碰击凸起的焊道，当反压进一步加大，使感头弹射到对面的筒壁上，之后继续向引射筒体进口方向游动，直至从筒体口窜出。

这种现象目前只是从理论上所做的有限解释。其实两股气流的混合过程十分复杂，迄今对于混合过程的内布过程，人们还在继续进行不断研究。真实现象还有待今后的大量试验加以确认。同理可证，我们曾插入发动机扩散器的T4*热电偶断裂后直接吹到了引射筒里边。顺理成章，解释就较容易了。

6.2 超音速喷口波系的影响分析

由于某发动机尾喷口均采用了收敛--扩张式超音速喷口，喷出的超音速气流往往会根据不同的外界压强情况，在喷口处出现激波或膨胀波。这些波和喷流的自由边界相交后会发生反射，成为复杂的波系。然而，是超临界波系还是亚临界波系，是否还随发动机的工作状态变化而改变，目前均未确定。但是，根据超音速喷流特性，以及等截面混合引射筒的性能有关资料介绍，当引射筒进口的静压PH大于喷射流出口的静压（PH>PS）时，往往产生的是亚临界波系。在筒体上半圆产生的间断性的裂纹特性和断续的长度范围与其基本相似。由于激波与膨胀波系在引射筒的反射，来回的振荡，同时对周围的气体产生的扰动和传播，使整个引射筒体内的气流参数都因此而变化。当激波突增的压强超过一定的量级，长此以往就会振坏周围的物体。且M数越大，距离越近，则影响也相应增大，尤其是低频、大振幅的振动其危害程度更大。

6.3 波系长度的分析

从多个试车台架引射筒裂纹的特征来看，其中几个台架的引射筒裂纹均产生在喇叭口里边，唯有直径更大的台架筒体的裂纹从喇叭口处开始有裂纹且较为严重。经实地测量发动机尾喷口与引射筒入口的距离分别尾2M、2M、1.85M、1.87M、1.7M。如果利用空气动力学M数的概念初步估算波形边界长度的量级，在轴对称的超音速喷流成波浪形状时，它的起伏长度L是：

L=1.3 D0（M12-1）1/2

D0-尾喷口直径

这种估算如能成立，筒体进口处裂纹的受损程度也就不难理解了。而筒体内裂纹的方向，无论是沿径向，还是沿周向，初步认为是由筒体板材制造加工过程中，组织结构的方向所决定。

6.4 P*总压受感部断裂的分析

在试验中，不仅P*总压受感部发生了断裂，同时，P静压受感部与筒体外壁的焊接也曾发生过开焊；转接嘴的根部也有过断裂等现象。断裂的P*总压感头送交理化进行断口分析，结论为疲劳断裂。而振源只能认为是超音速射流产生的波系能量所致。

以上分析只是凭借有关方面的资料介绍，加以推论，实质性的现象和最终的结论还需进一步试验确认。