航空發動機外部管路調頻的有限元計算方法

馮 凱，郝 勇，廉正彬

（沈陽發動機設計研究所,沈陽 110015）

航空發動機外部管路調頻的有限元計算方法

馮 凱，郝 勇，廉正彬

（沈陽發動機設計研究所,沈陽 110015）

利用有限元方法對航空發動機外部管路模態進行了計算，得到了管路的固有頻率及模態振型；通過計算,分析了安裝不同數量、位置的卡箍對管路固有頻率的影響，以此為依據進行了管路調頻，避免了管路共振的發生。

管路模態；調頻；卡箍；航空發動機

1 引言

航空發動機外部管路主要用于輸送燃油、滑油和空氣等介質，是發動機附件系統的重要組成部分，在發動機使用過程中常常發生斷裂、漏油、滲油故障。據有關資料介紹，在中國目前的成熟發動機（如 WP6、WP7）中，外部導管斷裂故障占全部空中飛行結構故障總數的52%[1]，高居結構故障之首。受外部管路局部設計不合理、工藝不規范以及工作溫度、管路振動頻率和應力的影響而發生的各種故障，在中外航空史上也不乏其例。因此,開展管路振動研究對提高管路的安全可靠性，保證發動機正常運行具有非常重要的意義。

本文利用有限元方法對航空發動機外部管路模態作了計算，分析了安裝不同數量、位置的卡箍對管路固有頻率的影響。

2 管路振動控制途徑

引起管路斷裂的原因有加工、裝配、溫度和振動等，其中振動常常成為管路斷裂的主要原因和誘導因素。

發動機管路振動，按激勵的性質，可以分為強迫振動和自激振動。強迫振動是指管路在外界或內部的周期性（或隨機性）機械載荷、流體載荷作用下產生的振動，自激振動是指管路內部介質運動與管路振動耦合形成振蕩激勵所產生的振動。振動的最主要來源是轉子不平衡或不對中等原因引起的振動通過機匣、卡箍作用于管路。

控制和降低發動機管路振動的途徑主要有以下幾種[2]。

（1）激振力水平控制

無論是共振還是其它類型的強迫振動，管路的響應水平均與管路承受的激振力大小直接相關。

（2）響應水平控制

管路振動響應控制途徑包括調整頻率和增加阻尼2種。

a.調整頻率

調整頻率的主要目的是把管路的固有頻率調到發動機工作轉速頻率之外，避免在發動機工作過程中出現管路共振。因為在共振條件下，即使是較小的激振力也可能產生很大的振動應力。

調整頻率的基本原則是把管路的1階固有頻率調到發動機工作轉速頻率的1.25倍以上[2]。根據管路頻率調整的需要，適當配置固定卡箍的數量和位置或增大管路直徑等。

b.增加阻尼

增加管路系統中的結構阻尼是減小管路振動響應的1個有效途徑，可通過在卡箍與管路接觸面之間安裝氟塑料襯套或金屬橡膠襯套等減振材料來實現。

（3）控制管路的裝配應力

裝配應力的存在將影響管路承受振動疲勞的能力。

（4）加工裝配損傷控制

加工裝配造成的損傷直接影響管路的疲勞極限，故應盡量避免和控制。

3 管路調頻仿真計算

目前，中國還沒有實現在航空發動機設計階段對管路振動進行分析計算，僅在少數管路排故中采用有限元仿真對管路振動進行分析。

在管路設計階段，應用NX.Nastran軟件分別對在卡箍的數量和位置不同時的管路振動進行了仿真計算，并對該管路進行了調頻處理，旨在避免發生管路共振。

根據管路調頻方法，可以通過配置固定卡箍的數量和位置或增大管路直徑來調整管路的固有頻率。但對于有固定用途的管路，一般不允許改動其直徑,因此，分別計算了在單根管路上的卡箍數量和位置不同時該管路的固有頻率及其振型，得到該管路的最佳卡箍數量和位置分布。從模態振型上可以看出，管路發生最大變形的位置也就是容易發生管路斷裂的位置,這為以后的管路調頻指明了方向。

3.1 管路模態計算

3.1.1 結構簡介

對某型發動機某段管路進行計算，管路兩端采取固定連接的約束方式。管路結構如圖1所示。

3.1.2 材料數據

在分析模型中，材料力學性能數據取常溫下的數據[3]，見表1。

3.1.3 有限元模型

管路有限元模型如圖2所示。

表1 材料力學性能數據

3.2 計算結果及結果分析

3.2.1 無卡箍時計算結果及分析

該管路沒有安裝卡箍時的前4階固有頻率值見表2。圖3～6給出了該管路前4階固有頻率對應的模態振型，從模態振型可以看出每階固有頻率所對應的最大變形位置。

表2 無卡箍時管路的固有頻率

發動機高壓轉子極限轉速取為15000r/min，則發動機最大工作轉速頻率為250Hz。根據調整管路頻率的基本原則（把管路的第1階固有頻率調到發動機工作轉速頻率的1.25倍以上），管路的第1階固有頻率應在312.5Hz以上。由表2可知，該管路在不加卡箍狀態前，3階固有頻率未滿足管路設計要求，因此需要對管路進行調頻處理，由于不允許改變管路直徑，采用了增加卡箍和調整卡箍位置的方法。

3.2.2 裝1個卡箍的計算結果分析

計算時，選取該管路的直線段作為卡箍的可能安裝位置，分別計算卡箍在不同位置（1～6）時對管路固有頻率的影響。

卡箍的位置分布如圖7所示。

在不同位置安裝卡箍時，該管路前3階固有頻率見表3。

從表2與表3可以看出，在管路上增加1個卡箍后，管路的固有頻率發生改變，固有頻率值變大。其中，在1、6位置增加卡箍時，管路固有頻率增大值最小，效果最差；在3、4位置增加卡箍，管路固有頻率增大值最大，效果最好，但其固有頻率的數值與要求的頻率（312.5Hz）比較接近，考慮到存在計算誤差，在該管路上只增加1個卡箍不能滿足避免共振的要求。

表3 裝1個卡箍時管路前3階固有頻率 Hz

3.2.3 裝2個卡箍的計算結果分析

計算時，仍選取該管路的直線段作為卡箍的可能安裝位置，分別計算將2個卡箍安裝在如圖6中所示的不同位置（1～6）時對管路固有頻率的影響。此時，該管路前3階的固有頻率見表4。

在表4中，1－2代表在圖6中的1、2位置各安裝1個固定卡箍，其余類似。根據表中數據，考慮到一定的計算誤差，可以看出該管路在位置 1－4、2－4、2－5、3－4、3－5、3－6 位置安裝 2個卡箍能滿足避免共振的要求。在其他位置安裝2個卡箍，管路的第1階固有頻率均在發動機工作轉速頻率范圍內，不能滿足設計要求。故應在可滿足選取安裝卡箍要求的位置敷設該段管路，以收到較好的避免共振效果。

表4 裝2個卡箍時管路前3階固有頻率 Hz

4 結束語

本文以對單根管路進行調頻時避免其共振為目標，從調整卡箍的數量和位置入手，分別計算了在不同位置，安裝1、2個卡箍對該管路固有頻率的影響，得出了該段管路在敷設時卡箍的最佳安裝位置和數量。

目前,大多數管路彼此相連（直接或通過卡箍），形成復雜的管路系統，因此在實際敷設中需要考慮管系的振動。管系的模態計算應考慮管路上的卡箍、支架及管路與管路之間的相互影響，然后在此基礎上進行整個管路系統的避免共振設計。管路調頻對航空發動機管路設計具有重大的指導作用，能夠及早發現設計缺陷，提高管路設計工作效率，降低發動機使用過程中的管路故障率。復雜的管路系統調頻是今后管路調頻仿真計算工作的重點和難點。

[1]許鍔俊.航空發動機導管結構完整性要求的初步研究[C].中國航空學會第七屆發動機結構強度振動學術會議論文集，1994：287-297.

[2]張洪飚主編.航空發動機設計手冊（第19冊）[M].北京：航空工業出版社，2000.

Finite Element Analysis Method of Frequency Modulation for Aeroengine External lines

FENG Kai,HAO Yong,LIAN Zheng-bin
（Shenyang Aeroengine Research Institute,Shenyang 110015，China）

The external lines mode of an aeroengine was calculated by the Finite Element Analysis（FEA）method.The natural frequency and modal shape of the lines were also obtained.The effects of different number and different position hoops on the line natural frequency were analyzed by the calculation.According to the analysis,the line resonance could be avoided by the line frequency modulation.

inee mode;frequency modulation;hoop;aeroenginel

馮凱（1981），男，碩士，從事航空發動機總體結構設計。

2009-09-04