某型航空發動機高溫總壓探針模態分析及強度校核

2015-01-15 03:08:00左澤敏武瑞娟

現代機械 2015年2期

左澤敏，武瑞娟，郭斌

(中國飛行試驗研究院，陜西西安 710089)

0 引言

航空發動機是一種在高負荷、高溫惡劣環境下工作的復雜動力機械，尤其是處于高壓核心機內部的結構及相關設備一直承受高溫、高壓，高速運轉，轉子振動、氣流氣動力沖擊等作用。據相關文獻統計，航空發動機結構故障占發動機總故障的50%，許多結構故障往往造成嚴重的后果，引起重大的安全事故。航空發動機結構故障主要集中在處于高溫，高強度的工作過程中，設備及零部件的斷裂失效，疲勞破壞等［1-4］。

航空發動機測溫、測壓探針是新型被試發動機研制性能試驗數據真實性，可靠性和試驗安全的最關鍵設備之一。而用于測量相關參數布置在內涵流道高溫區域探針，受限于安裝條件及空間，其結構外形往往被固定在某個形狀，可能存在無法保證其在發動機各個工況下的要求，需對其進行模態分析及強度校核以保證工作時的可靠性，以防影響被試發動機的安全。

本文根據某型被試發動機測量要求，需在發動機某高溫截面加裝總壓探針，根據測量方法及相關資料中提供的總壓探針的接口尺寸及安裝空間，設計了總壓探針模型，并根據結構的特點，在ANSYS里簡化了模型，以便于計算;其次，依據探針選用材料的高溫力學性能屬性，根據被試發動機的工作狀態參數，計算了被試發動機的各個溫度下的模態;最后，通過對大量的試驗數據統計分析，得出了各溫度區間發動機對總壓探針激勵的功率譜密度，計算出各溫度區間下的總壓探針的等效應力，進行總壓探針的強度校核。

1 高溫測壓探針設計

1.1 外形設計

根據某型發動機上總壓探針的接口結構圖，依據等環面流量原則，計算測壓點的位置，并根據測點的位置，確定該總壓探針的長度，并考慮給出安裝座結構圖及探針的后續安裝維護情況，設計出各測壓探針，其三維模型如圖1。

圖1 測壓探針外形

1.2 材料選擇

根據相關資料，該總壓探針工作溫度范圍大概在0～1 000℃區間內，因此，選取的探針材料至少需滿足該溫度要求，根據《中國航空材料手冊》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℃以下長期工作的航空發動機的主燃燒室和加力燃燒室零部件。

2 總壓探針振動分析

該總壓探針在被試發動機不同狀態時，工作溫度環境不同，因此其振動模態隨著溫度的變化而變化，因此須計算該總壓探針在不同溫度時的振動頻率，使其遠離發動機轉子工作轉速頻率［6-9］。

2.1 總壓探針的工作環境溫度

根據飛行及地面試驗數據，確認測壓探針的整個工作環境溫度約為300℃ ～1 000℃，并由測壓探針工作溫度與轉速關系可知，發動機起動或停車過程中，高低壓轉子頻率迅速增大或減小，不在某個頻率段下停留，故可不考慮該過程的測壓探針的振動情況。

2.2 總壓探針模態分析

考慮ANSYS建模的特點和實際探針結構復雜性及安裝情況，在不影響探針振動特性的情況下，對探針模型進行簡化，略去了根部上端螺紋接口，保留探針內部結構測壓通道孔。按探針的初步設計尺寸對該探針簡化模型進行建模，使用軟件的網格自適應功能進行劃分網格。

根據2.1小節給出的溫度范圍，查詢材料手冊可知，GH3044的在該溫度區間的彈性模量及其泊松比，在ANSYS仿真計算出各個溫度下的總壓探針的前二階模態頻率，見表1。

表1 GH3044材料參數及測壓探針的模態頻率

該被試發動機為高低壓自由轉子結構，轉子工作過程中產生的振動激勵頻率范圍約為0～83.3 Hz的低壓轉子振動激勵和0～250 Hz的高壓轉子振動激勵。由表1可知，其二階的橫向和縱向頻率在672 Hz以上，其不與高低壓轉子頻率出現重合，而一階頻率在整個溫度范圍內為115 Hz～136 Hz，其遠高于低壓轉子頻率最大值，而其在高壓轉子頻率范圍內，故需進行計算確認其一階模態是否與發動機相關狀態重合。

隨著發動機轉速的升高，探針的工作溫度升高，其一階模態頻率降低，而發動機轉子頻率也在增大。故由表1可知，其主要考慮的狀態主要為發動機慢車狀態情況。被試發動機的試驗狀態，由高壓轉子換算轉速來控制，如式(1)所示。

式中:N2R高壓轉子換算轉速(r/min)，N2高壓轉子轉速(r/min)，n2為發動機高壓100%物理轉速常量(r/min)，T2發動機進口溫度(K)。

根據實際條件可知，發動機的進口條件溫度范圍約為:-50℃ ～+50℃，可由式(1)計算發動機慢車時(N2R=66%)，對應頻率為:145.2 Hz～174.7 Hz，N2R轉速最大限制值為不大于105%，對應的頻率范圍為:231.0 Hz～279.0 Hz。由此可知，發動機在慢車狀態取最大工作狀態的高壓轉子頻率范圍為145.2 Hz～279.0 Hz，在慢車時的145.2 Hz最小頻率與測壓探針在慢車時最小溫度時的頻率相差9 Hz，而實際探針的工作模態頻率已在發動機對其激勵頻率的±5%之外。

3 強度校核

在試驗過程中，由于發動機工作狀態的不同，且發動機對探針的激勵量值增大，而探針的由于材料的溫變屬性，強度減小，故所承受的最大應力值在各溫度下不同。故需對該探針的工作環境溫度進行劃分和各溫度下的受到的激勵進行計算。

3.1 測壓探針工作溫度范圍及發動機狀態

為了便于對探針的應力計算，根據相關數據，可將探針的工作溫度范圍劃分為7個區間，400℃以下為一個區間，400-1 000℃之間分為6個區間，各溫度范圍下對探針進行應力分析時選取該材料在該區間最大溫度時的材料屬性進行計算。

3.2 基礎激勵功率譜密度

對于該探針而言，其通過兩個螺釘安裝于被試發動機上，因此可認為該探針主要受到發動機本體的激勵。故需獲取被試發動機探針安裝處的振動量值。考慮被試發動機在探針的安裝處安裝傳感器測取該安裝點的振動情況，因此選擇該發動機振動限制值，作為該發動機在各個狀態下的振動值，該發動機的振動限制值采用跟蹤高低壓轉子轉速頻率下的振動位移和速度峰值，確定其不大于某個量值，故需對各個溫度區間下的高低壓轉子轉速進行統計，以確定各溫度區間的激勵功率譜。

根據劃分的7個溫度區間，隨機選取了被試發動機飛行試驗的多次飛行試驗數據，發動機總工作時間約40h20min。分別統計飛行試驗中在各溫度區間，高低壓轉速值在各轉速點所占點數，如圖2所示，以便于進行激勵的功率譜計算。

圖2 各溫度區間轉速統計

根據圖2所示，應用MATLAB仿真計算各溫度區間下的隨機功率譜密度譜線值。考慮到隨機載荷的不確定性，某型發動機工作中會出現振動超過限制值的情況，將得到的功率譜密度譜線進行放大2倍，以確保計算值的可靠性。

3.3 隨機載荷等效應力仿真

根據圖1所建立的ANSYS探針實體模型及網絡劃分，并考慮實際探針的安裝形式，對采用了安裝座上的螺栓安裝孔處全約束，根據材料手冊查詢對應溫度區間的力學性能參數，及3.2小節得到的各溫度區間的功率譜密度進行載荷加載，分別得出相應的等效應力圖和最大等效應力，見表2。本文中僅列出了900℃-1 000℃溫度區間的分別在水平和垂直兩個方向進行載荷加載的等效應力云圖。圖3(a)為水平方向的等效應力云圖，可以看出，其最大應力集中于探針的中間的測壓孔附近，最大值為56.4 MPa，圖3(b)為垂直方向等效應力云圖，最大應力同樣集中于探針中間位置，其最大值30.8 MPa。實際情況中，各溫度區間的水平方向等效應力均較垂直方向大，表2為計算得到的各溫度范圍的最大等效應力，通過材料手冊查詢各溫度下材料屈服強度值，計算各溫度的強度儲備系數見表3，由于材料手冊中未給出500℃、600℃的屈服應力值，故未能計算這兩個溫度下的強度儲備系數。由表2可以看出，測壓探針的最大等效應力隨著溫度的升高而增大，而表3中，材料的屈服強度值隨著溫度值升高而減小，因此，計算得到的強度儲備系數隨著溫度升高而減小，故探針在高溫區工作強度儲備系數較低，在900-1 000℃的區間，以1 000℃的材料屈服強度值為準，強度儲備系數達到最小值1.6，而500℃、600℃的強度儲備系數雖未給出，但通過表3可以看出，其處于8.4～23之間。