某型涡轴核心机试车台架关键件设计
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摘 要
试车台架是安装和固定发动机的机架，是发动机试验台最重要的组成单元。本文介绍了某型涡轴核心机试车台架关键件的设计依据和台架结构。按照核心机试验过程中的最高试车载荷，对试车台架关键零部件弹簧片、主安装节进行了计算分析，计算结果表明该设计符合试验要求。
关键词
核心机;试车台架;关键件;设计
中图分类号： V263.47 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 08 . 25
Abstract
Test bench， a frame for installing and fixing the engine， is the most important component of the test bed for engine. The design of foundation and structural of the test bench for a gas generator on a turboshaft engine are introduced in this study. The spring blades and installation node of the crucial parts were calculated and analyzed under the condition of the maximum test load.
Key words
Gas generator; Test bench; Critical parts; Design
0 前言
核心机是燃气涡轮發动机最重要的组成部分，包含了发动机压力最大、温度和转速最高的部件。以美国GE公司ATEGG计划为代表，从1963年开始第一代核心机研究，近半个世纪的研制实践证明，核心机试验研究是发动机预研和型号研制不可缺少的重要阶段，在发动机研制过程中发生的80%以上的技术问题都与核心机密密切相关[1]。
为缩短发动机研制周期，提前暴露问题，调整发动机性能，解决三大部件之间的性能匹配性和协调性等一系列问题需要进行大量的核心机地面试验研究。设计和建设核心机地面科研试验台是发动机顺利研制的重要条件。核心机试验台最关键的组成单元是试车台架，试车台架最重要的关键件是弹簧片和主安装节，弹簧片连接动架和静架，主安装节用于安装和固定发动机。
本文主要介绍了某型涡轴核心机试车台架中动、静架间的连接弹簧片和主安装节的设计。
1 设计依据
涡轴核心机试车台架设计遵循《航空发动机地面试车台通用要求》（GJB 5543-2006）和《航空发动机试车台设计规程》（GB 50454-2008）的规定，台架零部件设计遵循可靠性、工艺性、实用性、适应性等原则[2-3]：
（a）可靠性：能承受发动机在各种条件下可能产生的最高试车载荷，以及发动机叶片断裂、发动机喘振等因素产生的短时间破坏载荷;满足台架结构、强度、可靠性设计要求;
（b）工艺性：台架的主体结构不得对发动机进气流畅造成扰流和流畅畸变;
（c）实用性：台架结构应紧凑、简单、实用，安装维修和使用操作方便;
（e）适应性：台架应按照发动机的安装支架和安装节的形式和尺寸合理的固定发动机，并能适应发动机型号改型发展需求。
2 试车台架结构简介
试车台架设计为屋顶悬挂式结构，主要由静架、动架、弹簧片、发动机挂架及进气系统等组成，如图1所示。静架通过螺栓固定在试验间屋顶预埋基础上，动架通过4块弹簧片与静架相连，发动机挂架安装在动架上。台架主体构件固定在试验间上部，试验间下部空间宽敞、整齐，气流场较通顺;容易实现发动机在台架上快速装卸。
静架和动架主材采用结构用矩形冷弯空心型钢，并经整体时效处理消除内应力和稳定尺寸，使得在长期使用过程中能够保持其几何精度。
静架和动架之间设置4个保险栓装置，单个保险栓可以承受8吨重量的动载荷剪切力。当弹簧片发生意外断裂时，动架、发动机挂架和发动机均可通过保险栓装置保持在台架上，不会坠落。
按照核心机结构形式，在发动机挂架上加装适应该涡轴核心机的主安装座，主安装座采用座盖与底座相扣的形式，主安装座与主安装节间通过关节轴承连接，主安装节与发动机扭矩管法兰面连接。通过对安装座的结构设计，主安装节采用一端固定，一端可伸缩的结构，且均含关节轴承，以满足发动机工作时的径向微量热膨胀及因轴向热膨胀所产生发动机在铅垂面上的微量偏摆需求，主安装节作为主要受力件，同时承受发动机工作时的水平推力和发动机固有重力。
辅助支点左右对称与核心机辅助安装节相连接，采用左右对称方式从侧下方支撑核心机，支撑拉杆长度可调，两端均配备关节轴承，用以同时满足发动机安装时水平调节的要求和发动机工作时沿轴向与径向的微量热膨胀要求。
动、静架间的连接弹簧片和主安装节是核心机试车台架最重要的关键件。
3 弹簧片受力分析
试车台架前、后各配置2块弹簧片。发动机产生的推力（F）由两个推力传感器测量并传递至静架。
弹簧片的最小横截面尺寸为240×3mm，材料为60Si2MnA，其抗拉强度极限=1570MPa。试车台架安装对象为某型涡轴核心机，最大设计推力为3750N，考虑到发动机型号改型及适应小型涡扇发动机试验要求，台架承受的设计推力35kN。弹簧片受力计算分析按照发动机不工作状态和工作状态进行。
3.1 发动机不工作状态
设动架与挂架的总重为3600kg，发动机重量为300kg，则总重力P=3900×9.8=38220N。此时推力F=0，作用在弹簧片上的力只有总重力P=38220N。根据弹簧片受力情况，前弹簧片受力F1，后弹簧片受力F2，受力分析如图2所示。
5 试车台架应用
试车台架建设完毕后进行了以某型涡轴核心机为试验对象的车台质量认证试验，包括性能试验、稳定性检查试验、重复性检查试验等，试验结果表明该试车台架的功能达到了设计要求。
6 总结
某涡轴核心机试车台架关键件按照可靠性、实用性、工艺性和适应性原则设计。试车台架为屋顶悬挂式结构，关键零部件弹簧片受力分析计算结果表明其具有较大的抗拉强度裕度，可满足35kN推力以下发动机试验要求。采用有限元方法对主安装节进行了强度计算，其结构设计、材料选用符合EGD-3疲劳应力标准。台架关键件设计均满足某涡轴核心机试验技术要求，为核心机地面科研试验台的建设奠定基础。
参考文献
[1]尹泽勇，曾源江，石建成，罗安阳.涡轴（涡桨）/涡扇（涡喷）发动机通用核心机技术[J].航空动力学报，2008.
[2]GJB 5543-2006.航空发动机地面试车台通用要求[S].
[3]GJB 50454-2008.航空发动机试车台设计规程[S].
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