多軸載荷下發動機中介機匣強度試驗方法研究

周煥陽，張根，姚明格，羅旺，雷新亮，柳強

（1.天津航天瑞萊科技有限公司，天津 300462；2.中國航發四川燃氣渦輪研究院，成都 610500）

引言

中介機匣是航空發動機的重要承力構件，它處于風扇和外涵道中間，聯系著航空發動機內、外涵道，負擔分配內、外涵道比的任務；另外，中介機匣上安裝有2個主安裝節、1個輔助安裝邊、2個支點軸承，用于支撐和固定發動機內的各個重要部件[1-4]。在典型工況下，中介機匣各安裝邊受到氣動載荷和機動載荷引起的多軸載荷總數多達24個，受力十分復雜。而在不同飛行工況下，中介機匣上承受的氣動載荷和機動載荷是隨機變化的，其組合工況復雜多變[5]。因此，針對中介機匣承受的多軸載荷進行強度試驗，研究其在最大載荷下的結構強度，對于發動機的安全設計具有十分重要的意義[6]。

中介機匣在多軸載荷作用下構件上承受的載荷工況組合太多，如果僅針對單一工況設計專用強度試驗加載方案，會費時費力且費用較高。因此，本文分析了某發動機中介機匣結構承受多軸載荷的特點，并設計了在多軸載荷狀態下一種通用的載荷施加方案，不改變作動筒加載點位置和方向的前提下，能夠滿足不同機動載荷和氣動載荷組合形成的多軸載荷的強度試驗要求。

1 某發動機中介機匣結構特點和載荷要求

1.1 中介機匣結構組成

中介機匣結構示意圖如圖1所示，由風扇機匣安裝邊、外涵機匣安裝邊、壓氣機匣安裝邊、2#支點軸承座、3#支點軸承座以及承力支板構成。中介機匣承力支板為承力結構，不僅連接著風扇機匣、2#支點軸承座、3#支點軸承座，其中部還與高壓壓氣機機匣相連。中介機匣的結構比較復雜，承力支板、安裝節孔等主要承力部位容易出現應力集中。

圖1 中介機匣結構示意圖

1.2 中介機匣承受的主要載荷

中介機匣的載荷因工作狀態不同，有所差別，具體可歸為如下3類情況：①在工作狀態下，中介機匣承受軸向載荷、扭矩、氣體壓力等載荷；②在機動飛行情況下，除正常穩態載荷外，中介機匣還承受相應的外部載荷；③葉片飛失等非正常情況時，中介機匣承受因葉片飛失引起的沖擊載荷。

采用直角坐標系進行載荷分析：X 軸與發動機軸線重合，逆航向為正；Z 軸為豎直方向，向上為正；Y 軸由右手定則確定，順航向向右為正。

中介機匣上各安裝邊承受的主要載荷有：

1）風扇機匣安裝邊：氣動載荷，力Fx、扭矩Mx；機動載荷，力Fx、Fy、Fz與力矩Mx、My、Mz。合并后仍有6個載荷。

2）外涵機匣安裝邊：氣動載荷，力Fx、扭矩Mx；機動載荷，力Fx、Fy、Fz與力矩Mx、My、Mz。合并后仍有6個載荷。

3）壓氣機匣安裝邊：氣動載荷，力Fx、扭矩Mx；機動載荷，力Fx、Fy、Fz與力矩Mx、My、Mz。合并后仍有6個載荷。

4）2#支點安裝邊：氣動載荷，力Fx；機動載荷，力Fx、Fy、Fz。合并后仍有3個載荷。

5）3#支點安裝邊：氣動載荷，力Fx；機動載荷，力Fx、Fy、Fz。合并后仍有3個載荷。

對于中介機匣各安裝邊，典型工況受到的多軸載荷總計達24個。考慮到在不同飛行任務下會有著不同的氣動負荷，不同的機動飛行也會有著不同的過載系數，以及葉片飛失等非正常情況下的沖擊載荷，發動機中介機匣實際受到的載荷具有很多種組合。按照我國航空發動機的實際飛行情況，GJB 241-87《航空發動機通用規范》中確定了141個機動載荷，要求發動機必須滿足其強度要求[7]。對中介機匣進行強度試驗驗證，需要進行載荷組合計算，確定不同飛行工況下的最大載荷。針對某發動機中介機匣，通過有限元計算，在各安裝邊上施加不同的氣動載荷和機動載荷，獲得了穩態載荷下的最大氣動載荷、限制載荷下的2種典型大載荷、極限載荷下的4種典型大載荷[6]。

中介機匣在多軸載荷作用下構件上承受的載荷工況組合太多，受力情況復雜，如果僅針對單一工況設計專用強度試驗加載方案，會費時費力且費用較高[8]。因此，針對某發動機中介機匣結構承受多軸載荷的通用特征，設計一種通用的載荷施加方案，不需要改變作動筒加載點位置和方向的前提下，能夠滿足不同機動載荷和氣動載荷組合形成的多軸載荷工況的強度試驗要求。

2 強度試驗通用方案

下面將針對中介機匣在多軸載荷作用下的典型工況載荷（5個安裝邊上共計24個載荷），設計一種通用的載荷施加方案，不需要改變作動筒加載點位置和方向的前提下，能夠滿足不同機動載荷和氣動載荷組合形成的多軸載荷工況的強度試驗要求。

2.1 約束分析

為模擬發動機安裝方式，試驗件采用主安裝節約束的方式，試驗件使用立式安裝方式，主安裝節中心軸與地基平臺高 2500 mm。同時，為便于載荷施加，需限制試驗件繞主安裝節軸的旋轉自由度，設計輔助支撐工裝將外涵模擬機匣安裝邊與框架和地基平臺連接起來。輔助支撐工裝采用 1/8 圓周的扇形，輔助支撐底部的單耳片與底座的雙耳通過銷軸連接，以避免產生多余約束。從外涵模擬機匣安裝邊到輔助支撐單耳圓孔中心距離長980 mm。靜力試驗試驗件的邊界約束如圖1（b）所示。

2.2 載荷施加方案

為更好模擬中介機匣的實際承載情況，在中介機匣各安裝邊處均增加一段模擬機匣，故本次的試驗件包括中介機匣、風扇模擬機匣、外涵模擬機匣、壓氣機模擬機匣、 2#支點轉接段、3#支點轉接段。

下面以以風扇機匣安裝邊承受Fx、Fy 、Fz 、Mx、My、Mz共6個載荷為例，來說明載荷施加方案。安裝邊載荷等效過程如圖2（a）所示。根據公式（1）～（6），風扇機匣載荷施加一共需要7個加載作動器來實現Fx、Fy 、Fz 、Mx、My、Mz共6個載荷的施加，風扇機匣加載方案見圖3（a）。各個加載作動器的前端與風扇機匣安裝邊均采用球鉸連接，消除其余方向的載荷誤差。

圖2 典型風扇安裝邊靜力載荷等效示意圖

而對于外涵機匣安裝邊，由于其與壓氣機匣距離較短，為了錯開空間便于加載，可以在外涵機匣加載工裝的外環面上的4個軸向加載作動器，沿同一圓周方向均勻分布（在 YZ 平面上為 45 °、 135 °、225 °、315 °）。安裝邊載荷等效過程如圖2（b）所示。根據公式（7）～（12），外涵機匣載荷施加一共需要7個加載作動器來實現Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz共6個載荷的施加。

根據上述思路，風扇機匣、外涵機匣、壓氣機匣安裝邊均需要7個加載作動器來實現Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz共6個載荷的施加。2#支點安裝邊需要2個軸向作動筒和2個側向作動筒來實現Fx、Fy、Fz載荷的施加。3#支點安裝邊需要1個軸向作動筒和2個側向作動筒來實現Fx、Fy、Fz載荷的施加。共計28個作動筒加載，整體加載方案如圖3（b）所示。

圖3 載荷加載示意圖

無論中介機匣在風扇機匣、外涵機匣、壓氣機匣、2#支點、3#支點這5個安裝邊上的載荷隨飛機飛行工況不同而組合變化，上述載荷施加方案均能滿足最終組合載荷的強度試驗考核，無需改變作動筒加載點位置和方向。

3 某發動機中介機匣強度試驗案例

3.1 試驗載荷及分析

下面以某發動機中介機匣強度試驗任務書中的極限載荷為例，利用上章節中的強度試驗加載方法，來實施強度試驗。極限載荷JX1工況的試驗載荷如表1所示。按照3.2章節內容，將風扇機匣、外涵機匣、壓氣機機匣、 2#支點、3#支點受到的28個載荷分解到對應的28個作動筒加載點的試驗載荷，如表2所示。

表1 極限載荷JX1試驗載荷

表2 極限載荷JX1分解到各加載點試驗載荷

3.2 試驗實施

強度試驗過程中，極限載荷施加分20 %、40 %、60 %、80 %、90 %、95 %、100 %七個加載和卸載級數來進行，其中100 %級數保載不低于1 min，其他中間加載和卸載保載不低于30 s，保載時進行應變數據和變形數據的采集。得到載荷加載曲線如圖4（a）所示。極限載荷工況下的應變曲線如圖4（b）所示。

從圖中可以看出，該試驗方法載荷控制穩定，應變測點的數據測量可靠有效，具有較好的穩定型。

3.3 試驗結果

從圖4（b）可以看出，極限載荷工況下的最大應變2650.18，在承力支板與3支點的交接處，其余部位的應變都不大。中介機匣使用的材料為鈦合金，該最大應力遠小于鈦合金的使用極限，可見中介機匣的強度設計余量相對很安全。

圖4 典型工況下的強度試驗曲線

4 結束語

中介機匣是航空發動機的重要承力構件，它處于風扇和外涵道中間，聯系著航空發動機內、外涵道，負擔分配內、外涵道比的任務。在典型工況下，中介機匣各安裝邊受到氣動載荷和機動載荷引起的多軸載荷總數多達24個，受力十分復雜。而在不同飛行工況下，中介機匣上承受的氣動載荷和機動載荷是隨機變化的，其組合工況復雜多變。因此，研究中介機匣在最大載荷下的結構強度，對于發動機的安全設計具有十分重要的意義。

中介機匣在多軸載荷作用下構件上承受的載荷工況組合太多，如果僅針對單一工況設計專用強度試驗加載方案，會費時費力且費用較高。因此，本文分析了某發動機中介機匣結構承受多軸載荷的特點，并設計了在多軸載荷狀態下一種通用的載荷施加方案，不改變作動筒加載點位置和方向的前提下，能夠滿足不同機動載荷和氣動載荷組合形成的多軸載荷的強度試驗要求。同時，以某發動機中介機匣強度試驗任務書中的極限載荷為例，進行了試驗載荷分析和試驗實施，得到了極限載荷工況下的應變曲線?？梢钥闯?，最大應變位置在承力支板與3支點的交接處，其余部位的應變都不大，可見該中介機匣的強度設計余量相對很安全。