高性能航空發動機壓力敏感元件及其試驗方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于航空發動機壓力敏感元件的技術領域，具體涉及一種高性能航空發動機壓力敏感元件及其試驗方法。
【背景技術】
[0002]渦扇發動機燃油調節器配套的對壓力敏感的波紋管組合件，配套于渦扇發動機的主燃油流量調節器，用于P3限制器內。工作時感受發動機高壓壓氣機出口壓力P3，波紋管組合件與壓力彈簧串聯作用，通過調節供油量來限制發動機P3壓力不超過給定的數值，單機配套數量I只。其工作環境為:溫度300°C、最高350°C，壓力2.38MPa、最高2.69MPa，內腔介質為空氣，位移行程為壓縮0.38mm。協議要求產品使用期限為:初始壽命400發動機小時/4年(隨RT-18進行考核)，目標壽命1500發動機小時/8年(隨RT-18進行考核)。2007年該波紋管組合件在外場使用中先后發生3次因波紋管破裂失效導致燃油調節器供油量低，致使發動機轉速為80%不上升的故障，同時還出現過3次波紋管組合件已泄漏但未開裂的故障。失效前產品工作時間由50小時到400小時不等，給正常飛行帶來不利影響。據統計，總的故障率為2.86%。同時，該故障的存在導致波紋管組合件無法滿足發動機生產定型對成附件壽命由400發動機小時放壽至600發動機小時的要求。
[0003]經故障分析，認為波紋管破裂故障的機理是波紋管內表面在工作壓力、溫度及含硫介質的綜合作用下，產品表面涂敷的聚酰亞胺漆膜逐步脫落，暴露出的PHl 5-7Mo半奧氏體沉淀硬化不銹鋼材料基體在含硫介質的作用下產生晶界腐蝕，在管體上形成孔洞，并逐步發展成裂紋，導致波紋管組合件漏氣失效。已交付裝機的國產化產品均有同類故障隱患，進口原裝產品同樣也普遍存在波紋管內腔漆膜剝落和少量波紋管破裂失效的故障現象。
【發明內容】
[0004]本發明為了解決現有渦扇發動機燃油調節器配套的對壓力敏感的波紋管組合件存在波紋管內腔漆膜剝落和量波紋管破裂失效的故障現象的問題，提供了一種高性能航空發動機壓力敏感元件，亦即用于航空發動機控制系統的P3限制器的一種波紋管組合件。
[0005]本發明采用如下的技術方案實現:
一種高性能航空發動機壓力敏感元件，包括波紋管以及底板，其特征在于波紋管采用旋壓拉深的GH4169高溫合金管坯制造，刪減了聚酰亞胺涂層，壓力敏感元件各組合件采用真空電子束焊接法組合焊接。
[0006]底板和波紋管之間通過底板內接頭連接，底板內接頭有大徑端與波紋管焊接、有小徑端插設于底板并焊接。通過增加底板內接頭零件，避免了底板零件上兩個安裝耳對焊接的阻礙，提高了焊縫的焊接可達性，實現了底板與波紋管的電子束焊接。
[0007]GH4169高溫合金管坯旋壓拉深的步驟為，
1)、Imm板料落料沖碗至Φ35mm ；
2)、經四道直拉至Φ17mm，壁厚0.55mm，平均拉深系數0.75； 3)、經一道旋壓拉深，壁厚至0.Immο
[0008]高性能航空發動機壓力敏感元件的試驗方法，步驟如下，
1)、將高性能航空發動機壓力敏感元件試樣逐一進行氣密性及外觀檢查，記錄檢查情況；
2)、將試樣裝于試驗夾具中，調整壓縮行程約為0.38_后進行密封固定，將試樣連夾具一同置于井式熱處理爐中；接通氣源，連通管路，向試樣內腔通入壓縮空氣，通過外接的波紋管自動穩定設備，控制絕對壓力從0.1MPa?2.1MPa進行循環交變，頻率為4次/小時；
3)、先將井式熱處理爐爐溫保持在300°C±10°C，內腔絕對壓力由0.1MPa?2.1MPa變化，進行134hl5min的壓力位移交變試驗，再進行絕對內腔壓力由0.IMPa?2.62MPa，進行45min的壓力位移交變試驗;再將爐溫升至350°C ±10°C，內腔絕對壓力由0.IMPa?2.IMPa變化，進行15h的壓力位移循環交變試驗；
4)、每進行完150h，記錄試驗溫度、試驗壓力等參數，拆卸產品按照步驟I)的要求進行氣密性及外觀檢查；
5)、重復3)、4)，直到1500 X I.5=2250小時。
[0009]本發明選用GH4169高溫合金代替PH15-7MO半奧氏體沉淀硬化不銹鋼用于波紋管制造，同時相應改進了組合件焊接結構，由原來的高頻硬釬焊改為真空電子束焊，刪減了聚酰亞胺涂層。通過分析論證及對比試驗，改進后的波紋管組合件與原狀態相比具有安裝互換性，主燃油流量調節器可以不經任何改動直接換裝改進后的該波紋管組合件。本發明具有耐腐蝕、耐高溫、長壽命、高可靠且相對易于生產制造的特點。
[0010]本發明相對現有技術具有如下有益效果:(請對試驗部分的原理和效果也進行分析)
1、改進后該波紋管組合件的耐腐蝕性、可靠性提高，目前產品出廠壽命已由原來的400發動機小時/4年延至650發動機小時/6年，1100小時試驗已通過;2008年至2014年，累計交付產品1533只，外場無一泄漏故障反饋；
2、改進波紋管及組合件制造裝配工藝后，替代或刪減了效率低下、過程質量不穩定的高頻硬釬焊工序及聚酰亞胺涂漆工序，產品生產質量改善、生產效率提高，波紋管及組合件生產合格率由平均49%提高為72%(統計比較2007年、2014年生產合格率)；
3、刪減聚酰亞胺涂層工藝，免除了聚酰亞胺清漆及稀釋劑的使用，避免了對操作人員呼吸、中樞神經系統的職業傷害，改善了生產環境條件；
4、首次制定了高性能航空發動機壓力敏感元件的地面壽命考核試驗方案，模擬波紋管組合件裝配發動機后的工況載荷，單獨對波紋管組合件開展模擬全壽命期載荷的壽命試驗，在原件級進行充分驗證，避免了帶有隱患的產品出廠交付。
【附圖說明】
[0011]圖1為現有波紋管組件的結構示意圖
圖2為本發明所述波紋管組件的結構示意圖圖3為高溫疲勞試驗參數曲線圖圖中:1-端蓋，2-焊料片，3-波紋管，4-底板，5-底板內接頭。
【具體實施方式】
[0012]結合附圖對本發明的【具體實施方式】作進一步說明。
[0013]—種高性能航空發動機壓力敏感元件，包括波紋管，波紋管采用旋壓拉深的GH4169高溫合金管坯制造，刪減了聚酰亞胺涂層，組合件采用真空電子束焊接法組合焊接。在材料晶間腐蝕對比試驗的基礎上，本發明首次使用耐蝕性好的GH4169高溫合金材料替代PH15-7MO半奧氏體沉淀硬化不銹鋼材料用于P3壓力限制器中波紋管的制造。
[0014]波紋管管坯通常采用無縫管或由板料沖碗變徑、變薄拉伸制造。按照設計要求需用厚度為0.1mm的管坯，國內無薄壁無縫管供應，只能自行拉伸制造，本發明首次實現了GH4169高溫合金管坯的旋壓拉深。經過反復試驗，本發明提供了一套完整的工藝方法和技術參數，首次成功實現了 GH4169高溫合金波紋管管坯的旋壓拉深，具有一定的工藝創新性和推廣應用價值。拉深方案為:
1)、Imm板料落料沖碗Φ35mm ；
2)、經四道直拉至Φ17mm，壁厚0.55_，平均拉深系數0.75 ；
3)、經一道旋壓拉深，壁厚至0.1mm。
[0015]為適應波紋管材料變更，本發明組合件焊接結構相應改變，由真空感應釬焊改為真空電子束焊結構；另外增加了底板內接頭，分別與波紋管和底板組合焊接，避免了底板安裝耳對環形焊縫施焊的影響；
另外本發明首次提出了用于P3壓力限制器波紋管組合件地面考核試驗的高溫環境下的壓力循環疲勞試驗方法，同時該方法可用于該產品的后續延壽、定壽工作，并對制定同類產品試驗方案具有借鑒意義。試驗方法如下:
a)將試樣逐一進行氣密性及外觀檢查，記錄檢查情況。
[0016]b)將試樣裝于專用試驗夾具中，調整壓縮行程約為0.38mm后進行密封固定，將試樣連夾具一同置于井式熱處理爐中；接通氣源，連通管路，向試樣內腔通入本地的壓縮空氣，通過外接的波紋管自動穩定設備，控制壓力從0.1MPa?2.1MPa(絕對)進行循環交變，頻率為4次/小時。
[0017]c)先將爐溫保持在300°C±10°C，內腔壓力由0.110^?2.110^(絕對)變化，進行134hl5min的壓力位移交變試驗，再進行內腔壓力由0.IMPa?2.62MPa(絕對)，45min的壓力位移交變試驗;再將爐溫升至350°C ±10°C，內腔壓力由0.1MPa?2.1MPa(絕對)變化，進行15h的壓力位移循環交變試驗；
d)每進行完150h，記錄試驗溫度、試驗壓力等參數，拆卸產品按照a)的要求進行氣密性及外觀檢查；
e)重復c)、d)，直到1500 X I.5=2250小時。
[0018]所得高溫壓力試驗參數曲線如圖3。
【主權項】
1.一種高性能航空發動機壓力敏感元件，包括波紋管以及底板，其特征在于波紋管采用旋壓拉深的GH4169高溫合金管坯制造，刪減了聚酰亞胺涂層，壓力敏感元件各組合件采用真空電子束焊接法組合焊接。2.根據權利要求1或2所述的高性能航空發動機壓力敏感元件，其特征在于底板和波紋管之間通過底板內接頭連接，底板內接頭有大徑端與波紋管焊接、有小徑端插設于底板并焊接。3.根據權利要求1或2所述的高性能航空發動機壓力敏感元件，其特征在于:GH4169高溫合金管坯旋壓拉深的步驟為， 1)、Imm板料落料沖碗至Φ35mm ； 2)、經四道直拉至Φ17mm，壁厚0.55_，平均拉深系數0.75 ； 3)、經一道旋壓拉深，壁厚至0.Immο4.根據權利要求3所述的高性能航空發動機壓力敏感元件的壽命試驗方法，其特征在于:步驟如下， 1)、將高性能航空發動機壓力敏感元件試樣逐一進行氣密性及外觀檢查，記錄檢查情況； 2)、將試樣裝于試驗夾具中，調整壓縮行程約為0.38mm后進行密封固定，將試樣連夾具一同置于井式熱處理爐中；接通氣源，連通管路，向試樣內腔通入壓縮空氣，通過外接的波紋管自動穩定設備，控制絕對壓力從0.1MPa?2.1MPa進行循環交變，頻率為4次/小時； 3)、先將井式熱處理爐爐溫保持在300°C± 10°C，內腔絕對壓力由0.1MPa?2.1MPa變化，進行134hl5min的壓力位移交變試驗，再進行絕對內腔壓力由0.IMPa?2.62MPa，進行45min的壓力位移交變試驗;再將爐溫升至350°C ±10°C，內腔絕對壓力由0.IMPa?2.IMPa變化，進行15h的壓力位移循環交變試驗； 4)、每進行完150h，記錄試驗溫度、試驗壓力等參數，拆卸產品按照步驟I)的要求進行氣密性及外觀檢查； 5)、重復3)、4)，直到1500X 1.5=2250小時。
【專利摘要】本發明屬于航空發動機壓力敏感元件的技術領域，具體涉及一種高性能航空發動機壓力敏感元件及其試驗方法，解決現有渦扇發動機燃油調節器配套的對壓力敏感的波紋管組合件存在波紋管內腔漆膜剝落和量波紋管破裂失效的故障現象的問題，其包括波紋管以及底板，波紋管采用旋壓拉深的GH4169高溫合金管坯制造，刪減了聚酰亞胺涂層，壓力敏感元件各組合件采用真空電子束焊接法組合焊接。本發明耐腐蝕、耐高溫、長壽命、高可靠且相對易于生產制造，制定了其地面壽命考核試驗方案，模擬波紋管組合件裝配發動機后的工況載荷，單獨對波紋管組合件開展模擬全壽命期載荷的壽命試驗，在原件級進行充分驗證，避免了帶有隱患的產品出廠交付。
【IPC分類】G01N3/36, G01L7/06, G01L23/24, G01L23/22
【公開號】CN105606290
【申請號】CN201510978113
【發明人】王戰生, 樊敬桃
【申請人】太原航空儀表有限公司
【公開日】2016年5月25日
【申請日】2015年12月23日