设计、制造发动机短舱

        总部位于密歇根州的地面测试解决方案公司（GTS）共享用于测试喷气式发动机和直升机发动机的复合材料短舱组件的设计和制造流程。

                                 总部位于密歇根州的地面测试解决方案公司（GTS）生 产用于飞机短

                                舱测试版本的复合材料部件，发动机制造商将其用于飞行前测试， 航

                                空公司将其用于售后测试。

        飞机短舱—— 飞机上容纳喷气发动机的多部件外 壳—— 通常由复合材料制成。这些是复杂的部件， 需要

满足温度、耐火性和噪音阻尼等严格要求。

        然而， 在将发动机安装到飞行短舱并放入飞机之前， 它需要在地面上进行一系列测试，确保它能够承受所需    的温度和高度、鸟类撞击和其他条件。因此，试验短舱    与飞行短舱相似， 但要求略有不同，是专门为在专门设

计的地面试验装置中容纳发动机而建造的。

        地面测试解决方案公司（GTS，Grand Ledge，美国 密歇根州）是为数不多的专门从事短舱测试的公司之一。 GTS 由总裁汤姆.哈梅尔（Tom Hamel）和现场服务经理 马克·杰弗里斯（Mark Jeffreys） 于 15 年前创立。 哈梅 尔和杰弗里斯之前都在普惠公司工作， 该公司除了生产飞机发动机外，还生产试验短舱。

        GTS 26000 平方英尺的工厂雇佣了约 40 名员工，生 产喇叭口进气道、推力反向器、喷嘴和塞子、船尾和复 杂管道，所有这些都是复合材料密集型的，专门为喷气 式飞机和直升机测试短舱建造，用于飞行前测试和售后

市场。

        根据哈梅尔的说法，世界上只有三家公司制造飞机试验 短舱： GTS、普惠和赛峰。 “ 当然，GTS 是迄今为止最 小的。然而，我们为客户提供的是最好的价值和最低的成本，  ”他说。

        测试短舱和飞行机舱之间有什么区别？ GTS  的工程师尼克·多布森（Nick Dobson）解释道： “ 由于它只

用于地面测试， 因此测试机舱不需要某些功能， 比如外 部空气动力学蒙皮。  ” 。“ 也就是说， 我们建造测试机 舱的方式确实与实际飞行机舱的重量和刚度等特性相匹配，以便进行测试。 ”

        短舱要经过什么类型的测试？多布森（Dobson ）说：“通  常情况下，客户会把这些东西放在一个封闭的测试室里， 经过声学处理以消除噪音问题，然后按照美国联邦航空 管理局（FAA）的指定，它将经历多个不同的测试周期 ”。 这些可以包括测试短舱的整体耐久性和随时间推移的 磨损、对鸟击的耐受性、水封、高度性能、对结冰的抵    抗力等。他补充说， 美国联邦航空管理局规定了发动机    在服役前的测试要求，以及在飞行数小时后对在役发动机的重新测试要求，   以确保它们仍然可以使用。

 发动机测试装置的一个例子， 在中间是白色的试验短舱。

        设计测试短舱

        从设计到制造， 每个测试短舱装置大约需要一年的 时间来开发和生产。哈梅尔（Hamel）说：“我们设计它，我们使用它， 我们建造它。这一切都是垂直整合的。”。

        设计过程从发动机制造商提供的设计规范开始。多 布森（Dobson ）说：“我们可以得到你使用的特定发动机 的流道形状、温度和压力。”。由此， GTS 使用 Dassault Systèmes（美国马萨诸塞州沃尔瑟姆市） 的 SolidWorks 生 成和分析短舱的 CAD 模型，根据温度和压力负载模拟 的模拟行为，调整材料、铺层计划、粘合剂和其他因素。 多布森补充道： “ 我们确实将材料在温度和强度方面推向了极限。 ”。

        然后， GTS 向客户提交其设计方案，并根据需要进行调整，  直到最终设计确定。

        复杂的工具和制造

        接下来，工具是在内部设计和制造的， 由玻璃纤维或碳纤维制成， 或根据特定部件的需求由金属加工而成。

                 测试短舱的大多数结构都是用碳纤维预浸料 和蜂窝芯制成的，手工放在开放的模具上， 

                然后在烤箱中真空固化。

        多布森指出：“根据所需的温度要求，我们使用的 材料各不相同。”。对于一个典型的项目，  GTS 偶尔会  用玻璃纤维制造结构， 尽管来自东丽（Toray） 的碳纤维预浸料更常见，通过 Gerber（Tolland， Conn.，U.S.. ） CNC 切割台切割，并将铝蜂窝夹在中间。这些  结构被手工放置在内部建造的开放式模具上， 然后在  GTS 的 24×20 英尺烤箱中的真空袋下固化。固化后，零件在喷漆室中完成。

        GTS 还为其设备提供维护服务。多布森说：“如 果复合材料受损或出现磨损，我们将进入世界各地的领域进行修复。 ”。

        建造这些部件所需的大部分时间和技能来自于必须为非飞行发动机重新设计短舱部件所带来的复杂性。 哈梅尔说：“所有的东西—— 复合材料部件、闩锁、铰链、金属接口——都必须经过设计，   使其重量   和重心模拟飞行短舱， 尽管这些部件在地面测试的设   计上有点不同。”。“当然，它的设计必须比典型的飞行 情况下承受更多的载荷，因为它的设计是为了测试到极限。”

        例如，测试短舱的主要部件之一是喇叭口进气道   （如左图所示）， 与典型飞行短舱上的进气道不同，喇 叭口进气道设计有喇叭状扩口，   以便在没有实际飞行产生的压力和力的情况下更有效地将空气带入短舱。

        多布森（Dobson） 说： “在预浸料坯和蜂窝中铺设是一个非常复杂的曲率。为此， 我们使用了赫氏（Hexcel- 美国康涅狄格州斯坦福德）的 Flexcore 蜂窝，因为它的设计能够包裹曲线。 ” 。他说， 对于典  型的喇叭口，每侧可以使用大约 8 到 20 层 Toray CMA碳纤维预浸料，将铝蜂窝夹在中间。

        多布森说：“其结果是形成了一个非常轻、坚硬的 结构，用于将空气引入发动机，以测量发动机性能的重要参数。”。

        另一个复杂的部件是推力反向器——在这种情况   下被称为替代推力反向器，因为地面测试没有实际的   推力—— 它包围了发动机的侧面。 多布森指出：“这些是我们建造的最复杂的结构。”因为它们必须分为两半，可以像蛤壳一样打开，以安装和拆卸发动机进行 测试。这两半通过一个专门设计的金属铰链系统连接在顶部和底部。

        设计能够承受所需温度的零件也是一个挑战， 尤   其是对于直接包裹发动机的替代推力反向器和整流罩   等零件来说。 多布森说：“我们使用我们能找到的最高 温度的碳纤维预浸料， 并在它真正变热的地方添加隔   热罩和隔热毯。”。整流罩部件还设计有特定的凹槽和分叉，在测试期间需要安装设备进行测量。

        多布森补充道：“我们真正要做的一件事是提高复 合材料在何处以及如何使用方面的能力，因此我们最终与我们的主要预浸料供应商东丽进行了大量合作。他们已经能够为我们对材料进行一些测试，   以证明这些应用具有足够的强度和温度能力。”。

        展望未来：  LEAP

        GTS 是 CFM International  （美国俄亥俄州辛辛那提 市） LEAP 1A 和 1B 测试系统的两家供应商之一，该测 试系统用于波音 737 MAX 和空客 A320neo  系列等单通道飞机。

        为此， GTS 正在建造售后市场测试短舱，出售给美国联邦航空局和航空公司等客户，以便在使用后测

试飞行发动机。

        多布森解释说：“这些结构很复杂， 由复合材料和 金属制成。”。每个机舱的主喇叭口、整流罩、船尾和   替代推力反向器由 Toray 2510 碳纤维 12K 平纹预浸料  层和 Flexcore 蜂窝芯的组合制成， 使用碳纤维复合材

料工具制造，以匹配热膨胀系数。

        多布森补充道：“LEAP 对我们来说是一个激动人 心的项目。我们将在未来 10 年内建造 30-40 个测试短 舱。 ”

                                    与本文相关的另外微 信文章：

                                  《再访发动机短舱舱制造厂-MRAS》2023.3.31

                                  《手工铺层制造复合材料发动机短舱》 2023.4.1 《热塑复材的潜力》  2023.12.1

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                                  注：原文见，  《 Designing and manufacturing turbine testnacelles  》  2024.2.16

编后语

        商飞 ARJ21 、C919 发动机短舱，都是美 国 Middle River 公司设计、制造的。希 望这一组微 信文章对国内设计、制造C929 短舱， 能有点参考作用。

杨超凡        2024.2.22