航空发动机换热器强度试验标准分析解读

(沈阳发动机研究所，沈阳 110015)

0 引言

换热器是一种制造技术相对成熟的设备，在工业设备中被大量应用，国内外都有完善的设计标准[1-2]，如：美国的TEMA、ASME标准、英国BS标准、法国CODAP标准、德国AD标准、日本JIS B 8243标准、中国的GB/T 151。在航空发动机的间冷回热系统、预冷系统中换热器也广泛被应用[3-4]。德国某公司研制的紧凑型航空发动机换热器，如图1所示，该换热器是由两条集气管和若干个U形管组成；俄罗斯较早开展航空发动机换热器的研究及应用工作，图2为AЛ-31ФH发动机换热器。

一直以来，换热器的换热性能是国内学者关注的一个主要问题，相关仿真、试验工作多围绕换热性能开展[5-9]。航空发动机换热器由于压力、温度、振动环境等工作载荷更恶劣，除实现换热性能指标外，工作可靠性也是要考虑的重要方面。虽然可以通过数值仿真方法获得结构应力水平[10]，但仿真结果的准确性最终还需要通过强度试验来验证。相关文献进行过换热器压力试验[11-12]、模态试验[13]等研究工作，但关于航空发动机换热器要开展的强度试验项目、试验载荷如何确定、各个试验项目按照什么顺序开展等问题仍不明确。

图1 某紧凑型航空发动机换热器

图2 AЛ-31ФH发动机换热器

本文对换热器相关的民用、军用标准[14-17]进行搜集、整理和研究解读，从中梳理出航空发动机换热器需要开展的强度试验项目及方法，重点对在多个标准中涉及而要求不同的耐压试验进行解读，并对其他试验项目的必要性、注意的问题等进行说明。

1 强度试验项目梳理

GB/T 151[14]是换热器的国家标准，包含换热器设计、制造、检验、验收等要求，标准中规定换热器需开展的试验有两项：泄漏试验、耐压试验。其中泄漏试验属于检查性质、耐压试验属于强度试验项目。

换热器在航空发动机中一般作为附件，GJB 241A[15]中发动机附件试验章节4.4.2.2.3，4.4.2.2.4规定了4项附件模拟工作试验、3项附件环境试验，而后，4.4.2.2.5节又对特殊的附件提出了具体试验项目，其中对换热器提出了2项试验项目，均为强度试验(见图3)。

图3 航空发动机换热器强度试验项目

图3试验项目中“附件模拟工作试验”与“流量、压力、温度循环试验”都是模拟实际工作状态进行的循环试验，而且都要求试验在不同的环境温度下开展，因此换热器完成“流量、压力、温度循环试验”后即相当于完成了“附件模拟工作试验”中的4个试验项目。

综合上述要求后，航空发动机换热器需开展的强度试验项目简化为5项：耐压试验、恒加速度试验、冲击试验、振动试验、循环试验。以下分别对每个试验项目进行研究解读。

2 强度试验项目解读

2.1 耐压试验

按照GB/T 151要求，根据实际工作介质形式，耐压试验的试验压力如下。

(1)液压试验。

pT=1.25Pα

(1)

式中pT——试验压力，MPa；

P——设计压力(允许使用的最高压力，是工作压力的上限值)，MPa；

α——载荷系数，对于内压容器α为温度修正系数;对于外压容器α取1。

(2)气压试验或气液组合试验。

pT=1.1Pα

(2)

若换热器有2个或2个以上压力室，每个压力室的试验压力按其设计压力确定，各压力室分别进行耐压试验。对于外压容器试验目的是验证密封性能，不是考察容器稳定性，标准中要求以内压进行试验，试验压力取式(1)，(2)与0.1 MPa中的较小值。

GJB 241A中对换热器耐压试验要求分2个阶段：首先分别在换热器的每个压力腔至少连续2次施加2倍的最大工作压力，每次保持2 min，不应有漏油迹象；然后同时在换热器的2个压力腔，至少连续2次施加最大工作压力，每次保持2 min，不应有漏油迹象或永久变形。

对比上述两种标准关于耐压试验的要求，发现以下情况。(1)两者对于压力腔的考核顺序有差别。GB/T 151只要求每个腔分别加压考核；GJB 241A要求先每个腔分别加压考核，然后再对各腔同时加压考核。(2)两者使用的压力载荷有差别。GB/T 151用设计压力乘以相应系数；GJB 241A用工作压力乘以相应系数。(3)两者对试验次数要求有差别。GB/T 151对试验次数无要求；GJB 241A要求试验重复2次。(4)两者对试验保载时间要求有差别。GB/T 151对保载时间无要求；GJB 241A规定保载时间2 min。

根据上述对相关标准的对比分析，按照航空发动机零部件试验“苛刻考核以确保安全工作”的原则，航空发动机换热器耐压试验建议：试验载荷使用两个标准中计算出的较大载荷；试验次数重复2次；保载时间2 min；通过标准为“无漏油迹象或永久变形”。

2.2 恒加速度试验

航空发动机换热器随飞机进行正常加减/速、机动飞行时会产生过载系数，另外极端的飞机坠撞过程也会产生更大过载系数。

恒加速度试验的目的在于验证换热器承受这两类过载之后不破裂或不从固定架上脱落的能力。需要注意的是，该试验中的恒加速度施加足够慢，且在一段足够长时间内保持不变，不会在换热器上产生动态响应，因此试验本质上是按照恒加速度(过载系数)计算出对应载荷进行的静力试验。由于航空发动机换热器体积较小、重量有限，过载系数产生的危害对换热器本身影响应该不大，因此本试验重点是验证换热器固定架的承载能力。

试验的具体实施参照GJB 150[16]第15部分。

2.3 冲击试验

冲击试验一方面是评估换热器的结构和功能承受装卸、运输和使用环境不常发生的非重复冲击的能力；另一方面测试换热器固定装置的强度。由于航空发动机换热器体积重量较小，装卸、运输等产生的冲击一般危害性较小，冲击试验重点验证的是固定装置的可靠性。

对于新研制的航空发动机换热器，没有可参考的冲击试验数据，建议在其他试验项目前安排冲击试验，这样若试验不通过，可以在其他试验前重新对结构进行设计，节省研制周期和费用。

试验的具体实施参照GJB 150第18部分。

2.4 振动试验

航空发动机换热器在运行时经历的振动大多数是宽带振动，振动在相对宽的频率范围内所用频率上都存在，而且强度是变化的。一般随机振动最适合模拟这些环境，也有随机加正弦或只有正弦振动的情况。因此换热器振动环境试验可以采用的方法包括：宽带随机振动、正弦扫描振动、共振频率正弦振动。

GJB 150第16部分、HB 5830.5[17]都规定振动试验包括功能试验与耐久试验两部分。功能试验验证的是换热器在最恶劣环境条件载荷下具有工作能力的持续时间；耐久试验验证的是换热器在设计寿命内保持工作的能力。两种标准都只给出了耐久试验参考载荷谱，没有提供功能试验载荷谱，而在工程实际过程中功能试验需要的“最恶劣环境条件载荷”是存在但不易获取的，因此一般使用耐久试验载荷谱代替功能试验载荷谱。此方法存在考核不充分的问题，实际中出现振动台考核试验通过，而装机使用后暴露出振动破坏的问题，建议结合发动机实际振动环境确定耐久试验载荷与功能试验载荷的换算关系。另外，考虑到试验周期长短问题，可以将试验载荷谱进行缩小/放大，但最大使用量级不能超过功能试验量级。

两种标准提供了不同的参考载荷谱供试验使用，但GJB 150对载荷谱没有明确试验时间、HB 5830.5对其载荷谱提出了明确的时间要求。通过对比两种标准对于喷气飞机的振动环境谱,GJB 150第16部分中“图C.8”及HB 5830.5中“图3 A级”，可以发现两者谱相同，据此推断他们的试验时间要求也应该相同。

GJB 150提供的功率谱密度主要能量集中在转子基频和倍频成分，高能量区低于1000 Hz，在1000 Hz以上频段振动能量很低。HB 5830.5提供的功率谱密度在300～1000 Hz频段的能量较大，为典型的宽带随机信号，适用于固有频率相对分散的成附件。HB 5830.5提供的正弦扫描振动谱适用于具有周期性振动激励特征的成附件。具体到航空发动机换热器振动试验载荷谱，建议优先考虑在发动机相应位置实际测量，若不能实测，再根据换热器模态特点选择标准中合适的载荷谱。

2.5 循环试验

GJB 241A要求航空发动机换热器进行流量、压力和温度循环试验。试验要模拟的是真实的工作状态，是与实际工作时载荷条件相同的状态。

在试验次数方面，要求换热器按照1倍设计寿命进行循环试验，原因在于试验载荷峰值使用的是工作包线中的最大值，此载荷已经充分考虑了寿命期内其余各个工作循环载荷差异性、分散性，并可以保证一定的寿命储备。

对于试验环境温度，换热器循环试验要求分别在常温、高温环境中进行，其中25%循环数在换热器的最高极限环境温度下进行；75%循环数在常温环境下进行。由于材料在高温、低温具有不同的性能(延伸率、弹塑性差异等)，高温试验不推荐折算到常温下进行。

3 结语

标准研究结果表明，航空发动机换热器耐压试验中载荷需要采用不同标准中的较大值，同时要有重复次数及保载时间；需要开展5项强度试验；各试验项目顺序推荐如下：冲击试验、振动试验、循环试验、耐压试验、恒加速度试验。部分试验载荷需要进一步考虑温度修正、材料修正。研究结论可作为航空发动机换热器强度试验的参考依据。