航空發動機外部管路調頻方法研究

郭家良，王 維，賈文強，張 正

（中國航發商用航空發動機有限責任公司，上海200241）

0 引言

航空發動機外部管路通過輸送燃油、滑油和空氣等介質[1]，實現對發動機的供油、潤滑、引氣、控制及液壓作動，具有結構復雜、數量多、可靠性和維修性要求高等特點。

GE公司對過去研制的發動機在使用中出現的事故進行了歸納總結后，發現空中停車事故，其中50%的事故由外部管路、導線、傳感器失效所引起的，27%的事故由維修不當造成，而真正由發動機本體故障所引起的空中停車只占6%左右；在我國現役飛機（含發動機）中導管失效的故障也占總故障的52%。誘發管路故障的因素有很多，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。

控制和降低發動機管路振動的途徑主要包括激振力水平控制、響應水平控制，其中激振力水平由發動機整機振動環境決定，管路設計中能考慮的是控制響應水平。管路的振動控制途徑包括調整外部管路固有頻率和增加阻尼等，調整固有頻率可將管路的固有頻率調到發動機工作轉速頻率之外，避免出現管路共振；增加阻尼是降低管路振動響應水平，尤其是共振峰附近的響應水平。

由于管路固有頻率對于管路振動控制有著至關重要的影響，因此發動機外部管路設計規范中規定，外部管路固有頻率應避開發動機工作轉速的±15%。在設計中，通常將管路的1階固有頻率調到高于發動機工作轉速的15%以上。

研究管路的動態特性、調整管路頻率、抑制管道振動，是工程技術人員面臨的重要課題。發動機管路結構十分復雜，管路形狀各異、彎管參數各異。這些特征造成航空發動機管路調頻工作量大，無明顯規律可尋，管路調頻的工作效率較低。

為了提高調頻效率，本文利用有限元方法對典型尺寸的航空發動機外部管路進行模態分析，得到管路中卡箍位置對管路1階固有頻率的影響規律，并引入管路長度等效系數的概念，總結得到典型結構管路的等效系數值，結合工程經驗歸納得到的管路調頻一般步驟，指導管路調頻。

1 影響管路固有頻率的主要因素

影響管路固有頻率的主要因素是剛度和質量：

（1）管路組件的質量與管徑、壁厚、管路長度成正比。

（2）管路組件的剛度因素K主要包括2個方面：（a）管路結構剛度，由管材的彈性模量和管路的幾何構型共同決定（b）管路的約束剛度，包括管路卡箍約束剛度和端部約束剛度；管路的幾何構型也就是管路的路徑走向[2-4]，影響管路的結構剛度，從而影響管路的1階固有頻率；其中，彎管的角度、折彎數量等參數均影響管路的結構剛度。

管路敷設好后，調整管路路徑受到的空間限制較多[10]，需要與周邊的管路一起修改，修改工作量較大。通常在不改變管路路徑的情況下進行調頻，即不改變管路的結構剛度，而是改變管路的約束剛度。管路的端部約束剛度一般為固支，是不可調整的，只有卡箍約束剛度可調整；所以通常調整卡箍的數量和位置來改變管路的約束剛度。

2 管路調頻方法研究

挑選典型尺寸的航空發動機外部管路開展研究，研究結論適用于以下范圍的管路：管路外徑D：12.7～25.4 mm；管路壁厚 t：0.889 mm；管路長度 L：508～1016 mm；管路材料：ANSI 321。

管路建模條件：管路的端部約束剛度設置為固支；卡箍約束剛度與卡箍和支架的結構有關[4-6]，在簡化處理中，設置為鉸支；管路建模中考慮介質質量（滑油），不考慮流固耦合影響。

利用ISIGHT軟件開展管路1階固有頻率的優化計算，利用UG軟件的參數化建模、ICEMCFD軟件的自動網格劃分和ANSYS軟件的APDL命令流，實現了直管和簡單彎管的1階固有頻率優化計算，計算流程如圖1所示。該方法不適用于復雜管路，也不適用于改變卡箍數量的調頻。

2.1 卡箍位置對固有頻率的影響

由于管路幾何構型會影響管路的1階固有頻率，為達到分析結果的普遍適用性，分別在直管、簡單彎管、平面彎管和空間彎管4種典型管路中[11]，以卡箍的數量、位置作為參數，研究管路的1階固有頻率變化規律。

通過在管路布置1個或2個卡箍、在不同位置布置卡箍，分別計算管路的1階固有頻率，卡箍位置對管路1階固有頻率的影響見表1和如圖2所示。統計計算結果可得到如下結論：

（1）在管路上增加卡箍，可加強管路約束剛度，提高管路的1階固有頻率；

（2）通過表1中加粗顯示的結果，結合ISIGHT優化計算，得到結論：卡箍數量相同時，卡箍位置將管路等分，此時管路的1階固有頻率最高；

表1 卡箍位置對管路1階固有頻率的影響 Hz

把卡箍約束看做節點，管路的振型被約束節點劃分為幾小段；長度最大的那小段管路的1階固有振型最明顯，因此可得到如下結論：

（3）管長最長的一小段管路決定管路的1階固有頻率大小。

2.2 彎管參數對于管路1階固有頻率的影響

計算不同彎管半徑和角度的典型尺寸管路的1階固有頻率，彎管參數對管路1階固有頻率的影響見表2和如圖3所示，從這些計算結果，歸納管路彎管參數對管路1階固有頻率的影響，可得到如下結論：

（1）在發動機管路常用的彎管半徑范圍內，彎管半徑大小對于管路1階固有頻率影響較小，可忽略不計；

（2）彎管角度對管路的1階固有頻率影響較大，同等長度的管路，與直管相比：90°彎管的1階固有頻率下降約25%；120°彎管的1階固有頻率下降約17%；150°彎管的1階固有頻率下降約6%。

表2 彎管參數對管路1階固有頻率的影響 Hz

彎管參數對管路1階固有頻率的影響如圖3所示，從圖中可見，由于彎管角度對于管路1階固有頻率影響較大，因此2.1小節中，在彎管上布置卡箍時，等分位置并不能保證管路的1階固有頻率是最大極值。由于管路的固有頻率同時受到質量（管長）和結構剛度（彎管參數）的影響，為簡化影響因素，引入管路長度等效系數α的概念：管長為L的彎管，其1階固有頻率與管長Lα的直管相同，那么該彎管的管長等效系數α＝Lα/L。

通過大量不同尺寸規格的計算結果，統計不同彎管角度的管長等效系數如圖4所示，總結得到不同彎管角度的管長等效系數α：直管段等長的90°彎管，α＝1.17；120°彎管，α＝1.10；150°彎管，α＝1.03。

根據管長等效系數，在給彎管布置卡箍的時候，可將彎管段等效為直管段，使得卡箍位置能夠“等分”整根管路，從而得到最大極值的1階固有頻率。例：在90°彎管上布置2個卡箍，使得其1階固有頻率最大。

從表1可知，在長度上等分布置卡箍，卡箍位置在L/3和2L/3處，管路1階固有頻率為264.8 Hz。在考慮90°彎管的管長等效系數后：假設中間段管路的長度為 x，卡箍“等分”管路，（L-x）/2=1.17x，根據公式計算可得到卡箍布置位置為0.35L和0.65L處，此時管路的1階固有頻率為290.7 Hz為最大值。

2.3 典型彎管結構的管長等效系數

上一小節中僅考慮了單折彎、折彎兩端直線段等長的情況，實際工程應用中存在更多的尺寸參數[12-15]，例如：折彎兩端直線段不等長和多折彎的情況。通過計算大量不同尺寸的管路，歸納得到更多典型彎管結構的管長等效系數值見表3，用于指導管路的調頻工作。

航空發動機外部管路的2個約束點之間，一般不超過2個折彎，因此沒有計算大于2個折彎的情況。

在高中語文核心素養的培養過程中，學生的思維發展能力也是其中最為主要的內涵。思維發展能力的培養，有助于學生在語言運用上更加自由靈活，不被固定的模式所限制，是構建自身語言體系的重要能力。因此，在高中語文教學的過程中，應該不斷加強學生思維發展能力的培養，這既是社會發展對于人才的需求，也是促進學生個人發展需要。

根據計算結果，對彎管角度大于150°的管路、直管段比例大于3∶1的管路，為簡化處理，在工程應用中，均可視為直管。

2.4 管路調頻的步驟

綜前所述，結合大量工程實踐經驗，歸納總結得到管路調頻的一般步驟：

（1）查看管路被約束節點劃分的各小段長度，查閱表3(典型彎管結構的管長等效系數)可知，對應管路結構的管長等效系數值，得到各小段管路的等效長度；

（2）通過比較各小段管路的等效長度，找到等效長度最長的管路段，這一小段決定了管路的1階固有頻率；

（3）將原有卡箍移動到等分管路的位置，查看固有頻率是否滿足要求，等分是指引入管路等效長度后的等分；

（4）如固有頻率不能滿足要求，則增加1個卡箍，并將卡箍移動到等分管路的位置，查看固有頻率是否滿足要求；

如固有頻率不能滿足要求，則重復步驟4。

在實際工程應用中，卡箍的位置受到諸多限制，未必能精確等分管路，但仍可按照上述步驟去指導管路調頻工作。

3 實例應用

某型航空發動機管路模型如圖5所示。在分析某型發動機管路時，發現某根油管的1階頻率過低，在增加卡箍數至3個后，其固有頻率為224.6 Hz，仍未避開發動機高壓轉子轉速范圍。

根據2.4小節中的管路調頻步驟，首先測量管路被卡箍約束劃分的4小段長度，查閱表3得到各小段的管長等效系數，得到各小段管路的等效程度見表4。

表4 某型發動機管路各段長度測量值

從表4中可知，L2和L3段的等效長度較長，L1和L4的等效長度較小；為提高管路1階固有頻率，應使卡箍位置等分管路，即降低L2和L3段的等效長度，提高L1和L4的等效長度。根據上述原則調整卡箍位置如圖6所示。

調整后的管路各小段的等效長度見表5，管路1階固有頻率提高為313.7 Hz，避開了發動機高壓轉子轉速15%范圍，滿足設計要求。

表5 某型發動機管路調頻后各段長度測量值

針對調頻前后的管路構型，分別開展管路掃頻試驗，以獲得管路的1階固有頻率，管路試驗現場如圖7所示，調頻前后的管路1階固有頻率如圖8所示。

從圖7可知，管路調頻前的1階固有頻率為230.4 Hz，調頻后管路1階固有頻率為 314.2 Hz，試驗結果與計算結果相差小于5%，驗證了計算結果的正確性；調頻后的管路已避開發動機高壓轉子轉速15%范圍，滿足設計要求。

4 結論

通過仿真分析和試驗對比研究、歸納得到管路調頻的一般工作步驟，用于指導管路調頻工作，顯著的提高了管路調頻工作效率，包括：

（1）引入管路長度等效系數和等效長度的概念，計算得到典型彎管結構的等效系數值；

（2）應用管路等效長度系數，并結合實際工程經驗，歸納得到管路調頻的一般步驟，用于指導管路的調頻工作；

（3）通過大量有限元分析計算，總結分析得到卡箍位置、彎管參數等對于管路1階固有頻率的影響，支撐管路調頻。

（4）通過對某型號發動機管路的計算和試驗，進一步驗證調頻方法的有效性。

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