左澤敏，武瑞娟，郭 斌

(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710089)

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是一種在高負(fù)荷、高溫惡劣環(huán)境下工作的復(fù)雜動(dòng)力機(jī)械，尤其是處于高壓核心機(jī)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)及相關(guān)設(shè)備一直承受高溫、高壓，高速運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子振動(dòng)、氣流氣動(dòng)力沖擊等作用。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)故障占發(fā)動(dòng)機(jī)總故障的50%，許多結(jié)構(gòu)故障往往造成嚴(yán)重的后果，引起重大的安全事故。航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)故障主要集中在處于高溫，高強(qiáng)度的工作過(guò)程中，設(shè)備及零部件的斷裂失效，疲勞破壞等［1-4］。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)溫、測(cè)壓探針是新型被試發(fā)動(dòng)機(jī)研制性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)性，可靠性和試驗(yàn)安全的最關(guān)鍵設(shè)備之一。而用于測(cè)量相關(guān)參數(shù)布置在內(nèi)涵流道高溫區(qū)域探針，受限于安裝條件及空間，其結(jié)構(gòu)外形往往被固定在某個(gè)形狀，可能存在無(wú)法保證其在發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)工況下的要求，需對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析及強(qiáng)度校核以保證工作時(shí)的可靠性，以防影響被試發(fā)動(dòng)機(jī)的安全。

本文根據(jù)某型被試發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量要求，需在發(fā)動(dòng)機(jī)某高溫截面加裝總壓探針，根據(jù)測(cè)量方法及相關(guān)資料中提供的總壓探針的接口尺寸及安裝空間，設(shè)計(jì)了總壓探針模型，并根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在ANSYS里簡(jiǎn)化了模型，以便于計(jì)算;其次，依據(jù)探針選用材料的高溫力學(xué)性能屬性，根據(jù)被試發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)參數(shù)，計(jì)算了被試發(fā)動(dòng)機(jī)的各個(gè)溫度下的模態(tài);最后，通過(guò)對(duì)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，得出了各溫度區(qū)間發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)總壓探針激勵(lì)的功率譜密度，計(jì)算出各溫度區(qū)間下的總壓探針的等效應(yīng)力，進(jìn)行總壓探針的強(qiáng)度校核。

1 高溫測(cè)壓探針設(shè)計(jì)

1.1 外形設(shè)計(jì)

根據(jù)某型發(fā)動(dòng)機(jī)上總壓探針的接口結(jié)構(gòu)圖，依據(jù)等環(huán)面流量原則，計(jì)算測(cè)壓點(diǎn)的位置，并根據(jù)測(cè)點(diǎn)的位置，確定該總壓探針的長(zhǎng)度，并考慮給出安裝座結(jié)構(gòu)圖及探針的后續(xù)安裝維護(hù)情況，設(shè)計(jì)出各測(cè)壓探針，其三維模型如圖1。

圖1 測(cè)壓探針外形

1.2 材料選擇

根據(jù)相關(guān)資料，該總壓探針工作溫度范圍大概在0～1 000℃區(qū)間內(nèi)，因此，選取的探針材料至少需滿足該溫度要求，根據(jù)《中國(guó)航空材料手冊(cè)》查詢［5］，選用了可耐至1 050℃的高溫合金材料(GH3044)。該材料適宜制造在900℃以下長(zhǎng)期工作的航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主燃燒室和加力燃燒室零部件。

2 總壓探針振動(dòng)分析

該總壓探針在被試發(fā)動(dòng)機(jī)不同狀態(tài)時(shí)，工作溫度環(huán)境不同，因此其振動(dòng)模態(tài)隨著溫度的變化而變化，因此須計(jì)算該總壓探針在不同溫度時(shí)的振動(dòng)頻率，使其遠(yuǎn)離發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速頻率［6-9］。

2.1 總壓探針的工作環(huán)境溫度

根據(jù)飛行及地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確認(rèn)測(cè)壓探針的整個(gè)工作環(huán)境溫度約為300℃ ～1 000℃，并由測(cè)壓探針工作溫度與轉(zhuǎn)速關(guān)系可知，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)或停車過(guò)程中，高低壓轉(zhuǎn)子頻率迅速增大或減小，不在某個(gè)頻率段下停留，故可不考慮該過(guò)程的測(cè)壓探針的振動(dòng)情況。

2.2 總壓探針模態(tài)分析

考慮ANSYS建模的特點(diǎn)和實(shí)際探針結(jié)構(gòu)復(fù)雜性及安裝情況，在不影響探針振動(dòng)特性的情況下，對(duì)探針模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，略去了根部上端螺紋接口，保留探針內(nèi)部結(jié)構(gòu)測(cè)壓通道孔。按探針的初步設(shè)計(jì)尺寸對(duì)該探針簡(jiǎn)化模型進(jìn)行建模，使用軟件的網(wǎng)格自適應(yīng)功能進(jìn)行劃分網(wǎng)格。

根據(jù)2.1小節(jié)給出的溫度范圍，查詢材料手冊(cè)可知，GH3044的在該溫度區(qū)間的彈性模量及其泊松比，在ANSYS仿真計(jì)算出各個(gè)溫度下的總壓探針的前二階模態(tài)頻率，見表1。

表1 GH3044材料參數(shù)及測(cè)壓探針的模態(tài)頻率

該被試發(fā)動(dòng)機(jī)為高低壓自由轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子工作過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)激勵(lì)頻率范圍約為0～83.3 Hz的低壓轉(zhuǎn)子振動(dòng)激勵(lì)和0～250 Hz的高壓轉(zhuǎn)子振動(dòng)激勵(lì)。由表1可知，其二階的橫向和縱向頻率在672 Hz以上，其不與高低壓轉(zhuǎn)子頻率出現(xiàn)重合，而一階頻率在整個(gè)溫度范圍內(nèi)為115 Hz～136 Hz，其遠(yuǎn)高于低壓轉(zhuǎn)子頻率最大值，而其在高壓轉(zhuǎn)子頻率范圍內(nèi)，故需進(jìn)行計(jì)算確認(rèn)其一階模態(tài)是否與發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)狀態(tài)重合。

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，探針的工作溫度升高，其一階模態(tài)頻率降低，而發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子頻率也在增大。故由表1可知，其主要考慮的狀態(tài)主要為發(fā)動(dòng)機(jī)慢車狀態(tài)情況。被試發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)狀態(tài)，由高壓轉(zhuǎn)子換算轉(zhuǎn)速來(lái)控制，如式(1)所示。

式中:N2R高壓轉(zhuǎn)子換算轉(zhuǎn)速(r/min)，N2高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速(r/min)，n2為發(fā)動(dòng)機(jī)高壓100%物理轉(zhuǎn)速常量(r/min)，T2發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口溫度(K)。

根據(jù)實(shí)際條件可知，發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)口條件溫度范圍約為:-50℃ ～+50℃，可由式(1)計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)慢車時(shí)(N2R=66%)，對(duì)應(yīng)頻率為:145.2 Hz～174.7 Hz，N2R轉(zhuǎn)速最大限制值為不大于105%，對(duì)應(yīng)的頻率范圍為:231.0 Hz～279.0 Hz。由此可知，發(fā)動(dòng)機(jī)在慢車狀態(tài)取最大工作狀態(tài)的高壓轉(zhuǎn)子頻率范圍為145.2 Hz～279.0 Hz，在慢車時(shí)的145.2 Hz最小頻率與測(cè)壓探針在慢車時(shí)最小溫度時(shí)的頻率相差9 Hz，而實(shí)際探針的工作模態(tài)頻率已在發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)其激勵(lì)頻率的±5%之外。

3 強(qiáng)度校核

在試驗(yàn)過(guò)程中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的不同，且發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)探針的激勵(lì)量值增大，而探針的由于材料的溫變屬性，強(qiáng)度減小，故所承受的最大應(yīng)力值在各溫度下不同。故需對(duì)該探針的工作環(huán)境溫度進(jìn)行劃分和各溫度下的受到的激勵(lì)進(jìn)行計(jì)算。

3.1 測(cè)壓探針工作溫度范圍及發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)

為了便于對(duì)探針的應(yīng)力計(jì)算，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，可將探針的工作溫度范圍劃分為7個(gè)區(qū)間，400℃以下為一個(gè)區(qū)間，400-1 000℃之間分為6個(gè)區(qū)間，各溫度范圍下對(duì)探針進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)選取該材料在該區(qū)間最大溫度時(shí)的材料屬性進(jìn)行計(jì)算。

3.2 基礎(chǔ)激勵(lì)功率譜密度

對(duì)于該探針而言，其通過(guò)兩個(gè)螺釘安裝于被試發(fā)動(dòng)機(jī)上，因此可認(rèn)為該探針主要受到發(fā)動(dòng)機(jī)本體的激勵(lì)。故需獲取被試發(fā)動(dòng)機(jī)探針安裝處的振動(dòng)量值?？紤]被試發(fā)動(dòng)機(jī)在探針的安裝處安裝傳感器測(cè)取該安裝點(diǎn)的振動(dòng)情況，因此選擇該發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)限制值，作為該發(fā)動(dòng)機(jī)在各個(gè)狀態(tài)下的振動(dòng)值，該發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)限制值采用跟蹤高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速頻率下的振動(dòng)位移和速度峰值，確定其不大于某個(gè)量值，故需對(duì)各個(gè)溫度區(qū)間下的高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以確定各溫度區(qū)間的激勵(lì)功率譜。

根據(jù)劃分的7個(gè)溫度區(qū)間，隨機(jī)選取了被試發(fā)動(dòng)機(jī)飛行試驗(yàn)的多次飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)動(dòng)機(jī)總工作時(shí)間約40h20min。分別統(tǒng)計(jì)飛行試驗(yàn)中在各溫度區(qū)間，高低壓轉(zhuǎn)速值在各轉(zhuǎn)速點(diǎn)所占點(diǎn)數(shù)，如圖2所示，以便于進(jìn)行激勵(lì)的功率譜計(jì)算。

圖2 各溫度區(qū)間轉(zhuǎn)速統(tǒng)計(jì)

根據(jù)圖2所示，應(yīng)用MATLAB仿真計(jì)算各溫度區(qū)間下的隨機(jī)功率譜密度譜線值。考慮到隨機(jī)載荷的不確定性，某型發(fā)動(dòng)機(jī)工作中會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)超過(guò)限制值的情況，將得到的功率譜密度譜線進(jìn)行放大2倍，以確保計(jì)算值的可靠性。

3.3 隨機(jī)載荷等效應(yīng)力仿真

根據(jù)圖1所建立的ANSYS探針實(shí)體模型及網(wǎng)絡(luò)劃分，并考慮實(shí)際探針的安裝形式，對(duì)采用了安裝座上的螺栓安裝孔處全約束，根據(jù)材料手冊(cè)查詢對(duì)應(yīng)溫度區(qū)間的力學(xué)性能參數(shù)，及3.2小節(jié)得到的各溫度區(qū)間的功率譜密度進(jìn)行載荷加載，分別得出相應(yīng)的等效應(yīng)力圖和最大等效應(yīng)力，見表2。本文中僅列出了900℃-1 000℃溫度區(qū)間的分別在水平和垂直兩個(gè)方向進(jìn)行載荷加載的等效應(yīng)力云圖。圖3(a)為水平方向的等效應(yīng)力云圖，可以看出，其最大應(yīng)力集中于探針的中間的測(cè)壓孔附近，最大值為56.4 MPa，圖3(b)為垂直方向等效應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力同樣集中于探針中間位置，其最大值30.8 MPa。實(shí)際情況中，各溫度區(qū)間的水平方向等效應(yīng)力均較垂直方向大，表2為計(jì)算得到的各溫度范圍的最大等效應(yīng)力，通過(guò)材料手冊(cè)查詢各溫度下材料屈服強(qiáng)度值，計(jì)算各溫度的強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)見表3，由于材料手冊(cè)中未給出500℃、600℃的屈服應(yīng)力值，故未能計(jì)算這兩個(gè)溫度下的強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)。由表2可以看出，測(cè)壓探針的最大等效應(yīng)力隨著溫度的升高而增大，而表3中，材料的屈服強(qiáng)度值隨著溫度值升高而減小，因此，計(jì)算得到的強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)隨著溫度升高而減小，故探針在高溫區(qū)工作強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)較低，在900-1 000℃的區(qū)間，以1 000℃的材料屈服強(qiáng)度值為準(zhǔn)，強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)達(dá)到最小值1.6，而500℃、600℃的強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)雖未給出，但通過(guò)表3可以看出，其處于8.4～23之間。

圖3 900～1 000℃溫度區(qū)間水平方向和垂直方向等效應(yīng)力

表2 各溫度區(qū)間探針最大等效應(yīng)力

表3 各溫度下探針強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)

4 結(jié)論

根據(jù)廠所提供的資料，設(shè)計(jì)了測(cè)壓探針，并通過(guò)對(duì)被試發(fā)動(dòng)機(jī)的大量實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，將測(cè)壓探針工作環(huán)境分為多個(gè)區(qū)間，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行計(jì)算分析，可以得出如下結(jié)論。

1)測(cè)壓探針模態(tài)頻率僅在發(fā)動(dòng)機(jī)慢車狀態(tài)時(shí)與高低轉(zhuǎn)子頻率較為接近，但仍處于高壓轉(zhuǎn)子頻率的±5%以外;

2)通過(guò)ANSYS仿真，測(cè)壓探針的應(yīng)力主要集中于該探針的中間的壓力測(cè)點(diǎn)口上，其最大應(yīng)力隨著溫度范圍增大而增大，最小的強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)為1.6;

3)通過(guò)對(duì)該探針的振動(dòng)和最大應(yīng)力分析，可以確定其在使用過(guò)程中，已避免產(chǎn)生共振現(xiàn)象，且強(qiáng)度滿足要求，為后續(xù)該探針的生產(chǎn)及后續(xù)的裝機(jī)使用提供參考。

［1］ 董保童，施榮明，朱廣榮.隨機(jī)疲勞載荷作用下的結(jié)構(gòu)疲勞壽命估算［J］.飛機(jī)設(shè)計(jì)，2001，3:36-41

［2］ 可成河，鞏孟祥，趙鑫.某型發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)第6級(jí)靜子葉片牛角故障分析［J］.航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2012 VOL38 2:55-58

［3］ 楊興宇，閻曉軍，趙福星，等.某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤低循環(huán)疲勞壽命分析［J］.機(jī)械強(qiáng)度，2004，26(2):229-233

［4］ 楊士杰.吸取國(guó)外經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)加強(qiáng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究［J］.航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2000(3):22-27

［5］ 顏鳴皋.中國(guó)航空材料手冊(cè).中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社(S)，2002第2卷:203-214

［6］ 江和甫，古遠(yuǎn)興，卿華.航空發(fā)動(dòng)機(jī)的新結(jié)構(gòu)及其強(qiáng)度設(shè)計(jì)［J］.燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2007 VOL20(2):1-4

［7］ 林偉，羅貴火，王海濤.某微型航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪強(qiáng)度計(jì)算分析［J］.現(xiàn)代機(jī)械，2009(4):5-6

［8］ 李川.王克明.尹幫輝，等.某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪盤的強(qiáng)度計(jì)算［J］.沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009 vol26(4):1-4

［9］ 付娜.模型航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤和葉片的強(qiáng)度分析與壽命計(jì)算［D］.西安，西北工業(yè)大學(xué)，2006