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复合材料的发动机后整流罩隔热技术研究 |
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作者：哈尔滨飞机工业集团 许平 马俊 |
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摘要：本文针对某型直升机复合材料的发动机后整流罩在使用过程中出现的裂纹、起鼓、烤焦等问题，通过对课题的原因分析和对隔热技术的研究，采用安装隔热片的方式，有效的解决了该型机发动机后整流罩过热损伤的问题。通过地面装机和飞行考核试验，对安装有隔热片的发动机后整流罩进行了验证，确定了该方案的可操作性和可应用性，改善了直升机的整机质量，提高了直升机的维护性、可靠性和安全性，保证了直升机的出勤率。
关键词：复合材料; 整流罩; 隔热; 研究
1. 概述
先进的复合材料自六十年代问世以来，由于其具有比强度高，比模量大，可设计性强，减振性、耐疲劳、耐腐蚀、过载安全性好等优点，迅速在航空航天领域被广泛使用。但是由于复合材料自身的特点，使得复合材料在直升机上的应用受到多方面因素的制约：复合材料各向异性的特点，使得结构设计、强度计算、疲劳寿命计算更为复杂；由于复合材料工艺的特殊性所带来的工艺制造的复杂性，使得复合材料的制造水平大大地制约了复合材料的应用；另外，复合材料产品的质量检测也是一个非常关键的问题，例如零件的表面质量、内部质量、连接质量等方面的检测完全不同于金属件的检测，它完全依赖于大量的检测仪器，更重要的是其检测验收标准比金属结构的检测标准更为复杂。由于复合材料结构在直升机上应用的研究项目耗资巨大，而且我国复合材料结构的基础研究十分薄弱，使得国内复合材料的应用发展较为缓慢，还有许多亟待解决的问题。
2. 课题来源
某型直升机发动机后整流罩采用的是复合材料，蒙皮结构为耐高温预浸玻璃布，180℃高温固化成型。发动机后整流罩位于发动机排气管的出口处，受发动机高排气温度的影响，在用户的使用过程中，出现了发动机后整流罩在靠近排气管处起鼓、分层、烤黑、甚至烤焦等问题。之前采用在整流罩受高温的区域增加一层耐高温胶膜，和在整流罩外表面涂高温耐热漆等方法，但隔热耐热效果都不够理想。这一问题在给用户的使用、维护带来负担的同时也造成了直升机的安全隐患，直接影响了发动机后整流罩的可靠性和安全性。
3. 研究内容
3.1. 原因分析
该型机发动机后整流罩采用的复合材料蒙皮结构具体可以分为夹层结构和层合板结构两大类，主要采用的是大孔NOMEX 蜂窝夹层结构，NOMEX蜂窝具有良好的回弹性和可变形性，适用于发动机后整流罩大曲率结构的特点，按受力大小规定蜂窝方向并进行预先成型。非重要区域构件也有泡沫夹层结构和层合板结构。发动机后整流罩形状变化复杂，工作区域在排气管的出口附近，受发动机高排气温度的影响，周围环境温度最高可达650℃，该复合材料的整流罩在长期的高温作用下，玻璃布之间粘结力被逐渐的破坏，从而导致起鼓、分层，严重时甚至出现烤黑、烤焦等问题。
3.2. 方案确定
为提高该型机发动机排气管出口处发动机后整流罩的耐高温性能，彻底解决整流罩出现的起鼓、分层、烤焦等问题，经过仔细的研究和分析，决定采用在发动机排气管与整流罩之间安装耐高温隔热片的方式，来有效的隔离由发动机排气管传向整流罩的高温热量。同时，协调发动机厂家，将发动机本体上的排气管与直升机上的排气段利用相同的数模和工装进行设计、制造，这样可以保证发动机后整流罩与发动机排气管间的间距具有良好的一致性，有利于防止由于整流罩与排气管间距过小而导致的发动机后整流罩局部受热起鼓、烤焦。通过以上的改进方式，将整流罩的表面温度控制在材料特性允许的范围内，从而改善发动机排气管出口处整流罩的工作环境。
隔热片以发动机后整流罩为设计平台，依据整流罩大曲率结构的复杂外形，采用与整流罩模胎比试的方法确定隔热片外形结构，通过试验的方法测量发动机后整流罩靠近排气管出口处的温度分布，确定隔热片的选用材料和在整流罩表面上的覆盖面积等参数。
隔热片按左右件设计，分别安装在发动机后整流罩的两侧。隔热片的安装位置见图1。
图1 隔热片安装位置示意图
隔热片主要由内、外蒙皮和隔热材料组成。结构组成形式见图2。内、外蒙皮采用不锈钢材料，既满足其位于发动机排气管出口处的高温工作环境要求，又可避免由于水气等对其造成的锈蚀问题；在蒙皮外表面涂有黑色自干耐热漆，既增强了耐热隔热的效果，提高隔热片的隔热能力，又使隔热片的表面与发动机后整流罩的表面颜色达到统一。
图2 隔热片的结构组成
1.内蒙皮；2.隔热材料；3.外蒙皮；
隔热片通过螺接的方式安装到发动机后整流罩上，便于分解、安装和日常的维护检查。隔热片与整流罩的连接示意见图3。
图3 隔热片与整流罩的连接示意图
4.隔热片；5.发动机后整流罩；
3.3. 关键技术
(1) 蒙皮成型：
由于隔热片的外型为异型曲面，在成型内、外蒙皮的过程中，零件拐角处由于材料积累很容易产生褶皱，如直接校平褶皱，则会在其周围部位造成起鼓，产生空隙。解决的办法是：先将褶皱严重处，沿褶皱顶部剪开，进行搭接并密集点焊去除褶皱，用球冠形工装顶住空隙处校型后进行点焊，以解决该问题。
(2) 组件与模胎的贴合：
内、外蒙皮采用密集点焊进行连接，由于点焊时材料收缩变型，造成组件与模胎局部的不贴合。为解决该问题，在内、外蒙皮连接点焊方向，隔30～50mm 进行点焊以固定其基本外型，将组件在工装上校型使其贴胎，然后在焊点间隙中间位置进行点焊连接，重复上述过程进行校型，保证了组件和模胎的贴合。
(3) 防止隔热片上空心铆钉与模胎孔错位：该隔热片上空心铆钉的位置是采用销子将隔热片件固定在模胎上确定的。由于空心铆钉安装扩孔过程是在内、外蒙皮点焊连接前，当内、外蒙皮进行密集点焊时，容易造成整体位置的偏移，导致出现孔错位的情况。针对该问题，对工艺顺序进行了调整，将空心铆钉安装扩孔工序安排在内、外蒙皮点焊后进行，并将组件与模胎进行实配画线确定空心铆钉的位置，解决了该问题。
4. 试验验证
实践是检验设计是否合理的唯一标准。试验的目的是为了验证隔热片对发动机排气管和整流罩之间的隔热效果。对隔热片在直升机上进行装机验证和温度测量考核，分别进行了地面装机试验和飞行试验考核。
地面装机试验结论：隔热片与发动机后整流罩接口位置准确，外形贴合良好，安装方便、可靠。飞行考核试验结论：使用电阻温度传感器测量隔热片内外测量点的温度。分别在地面开车、3m 有地效悬停、500m 无地效悬停和2000m 巡航四种状态下，测量并记录了内外测点的稳定温度。飞行试验内外测点温度对比见表1。
通过对试验数据进行研究分析后得出：发动机后整流罩隔热片在地面装机试验中表现出良好的贴合性和可靠性，在飞行考核的四种状态中表现出良好的隔热效果，满足发动机后整流罩的温度要求，功能可靠。
5. 结论
复合材料结构在直升机上应用的部位和用量的多少已成为衡量直升机先进性的重要标志之一。在直升机的设计中，复合材料结构的应用从整流罩、保护板、地板等次承力结构，到现在出现的全复合材料结构直升机，包括主承力框、主承力纵梁，甚至连桨毂和起落架的悬臂梁这些高应力水平、受力复杂、形状复杂的关键件都采用复合材料结构制造。为了追求高性能、低成本、良好的可靠性和低成本的修理，在机身结构上大量采用复合材料结构已经成为发展趋势。
隔热片装机使用后，解决了多年来发动机后整流罩由于长期接触高温区域，而引起的起鼓、分层甚至烤焦等问题。加装隔热片后的直升机状态良好，极大的改善了直升机的整机质量，保证出勤率，同时节省了外场直升机维护、更换发动机后整流罩的时间和经费，具有显著的经济效益。
参考文献
[1] 徐灏，等. 机械设计手册. 北京: 机械工业出版社，1994.
[2] 中国航空材料手册. 北京: 中国标准出版社，1988.
[3] 文裕武，温清澄等. 现代直升机应用及发展. 北京:航空工业出版社，2000.
[4] 倪先平，曹喜金. 直升机技术发展现状与展望，航空学报2003; 24（1）:15-20.(end)
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(8/7/2012) |
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