某型發(fā)動機(jī)在線清洗噴射架強(qiáng)度計(jì)算與振動分析

李本威，伍恒，張勇，林學(xué)森

（海軍航空工程學(xué)院飛行器工程系，山東煙臺264001）

某型發(fā)動機(jī)在線清洗噴射架強(qiáng)度計(jì)算與振動分析

李本威，伍恒，張勇，林學(xué)森

（海軍航空工程學(xué)院飛行器工程系，山東煙臺264001）

為研究噴射架強(qiáng)度以及振動特性，確保從飛機(jī)進(jìn)氣道唇口安裝清洗噴射裝置進(jìn)行發(fā)動機(jī)清洗時(shí)的可靠性，避免噴射裝置和飛機(jī)共振，文章利用有限元數(shù)值仿真對噴射架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)靜力強(qiáng)度和模態(tài)計(jì)算分析，得到噴射架10階振型及固有頻率，噴射架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。進(jìn)行了發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道唇口測振分析，得到發(fā)動機(jī)在冷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，相應(yīng)進(jìn)氣道唇口測振頻譜值。設(shè)計(jì)進(jìn)行了模擬環(huán)境振動驗(yàn)證試驗(yàn)，得出結(jié)論：噴射架固有頻率與冷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道唇口振動頻率沒有耦合，發(fā)動機(jī)冷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的飛機(jī)進(jìn)氣道唇口振動不會損壞噴射裝置，也不會對在線清洗造成影響。

噴射架；強(qiáng)度計(jì)算；振動特性；試驗(yàn)驗(yàn)證；在線清洗

發(fā)動機(jī)整機(jī)原位清洗與防護(hù)是防止發(fā)動機(jī)腐蝕、恢復(fù)發(fā)動機(jī)動力性能的一種有效手段。艦載機(jī)發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇和壓氣機(jī)葉片等部件容易受到鹽霧腐蝕，發(fā)動機(jī)氣流通道也容易因?yàn)榉e垢等因素造成部件流通能力和效率下降，從而影響整機(jī)推力減少和耗油率升高[1-2]。某型艦載機(jī)由于特殊的進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)選擇在飛機(jī)進(jìn)氣道唇口處加裝噴射架進(jìn)行發(fā)動機(jī)清洗是一個工程上簡單易實(shí)現(xiàn)的方案[3]。為避免噴射裝置和飛機(jī)共振，給噴射裝置帶來損壞，進(jìn)而給發(fā)動機(jī)清洗造成影響，因而需進(jìn)行噴射架強(qiáng)度計(jì)算與振動分析。

目前，世界各航空大國都對燃?xì)廨啓C(jī)、航空發(fā)動機(jī)的清洗技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究，大部分集中在對清洗過程的流場建模與仿真研究以及清洗對發(fā)動機(jī)性能的影響等方面[4-12]，此外，隋立軍[13]針對某型飛機(jī)進(jìn)氣道經(jīng)常出現(xiàn)的蒙皮裂紋等現(xiàn)象，通過建立進(jìn)氣道有限元模型來進(jìn)行應(yīng)力分析及振動疲勞分析，并提出了改進(jìn)方案。侯安平等[14]對發(fā)動機(jī)進(jìn)口前進(jìn)氣道管道內(nèi)安裝導(dǎo)流體可能導(dǎo)致的壓氣機(jī)低壓轉(zhuǎn)子流動誘發(fā)振動現(xiàn)象進(jìn)行了評估。杜來林等[15]針對Z9FDQX型發(fā)動機(jī)進(jìn)行了清洗車的設(shè)計(jì)與使用。從查得的文獻(xiàn)來看，針對清洗噴射架的設(shè)計(jì)、強(qiáng)度計(jì)算以及振動特性的研究很少，只有劉濤等針對某發(fā)動機(jī)清洗噴射架在地面振動試驗(yàn)臺上進(jìn)行模擬實(shí)際裝配狀態(tài)的振動考核[16]。

為研究噴射架強(qiáng)度以及振動特性，本文主要利用有限元結(jié)構(gòu)靜力和模態(tài)分析計(jì)算，對噴射架結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行數(shù)值仿真得到噴射架固有頻率；然后，設(shè)計(jì)進(jìn)行發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道唇口測振試驗(yàn)，得到發(fā)動機(jī)在冷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，相應(yīng)進(jìn)氣道唇口振動水平；最后，進(jìn)行了模擬環(huán)境振動試驗(yàn)的驗(yàn)證得出振動分析結(jié)論。

1 噴射架結(jié)構(gòu)靜力模態(tài)計(jì)算

1.1 清洗架結(jié)構(gòu)與計(jì)算依據(jù)

在某飛機(jī)進(jìn)氣道進(jìn)口的唇邊安裝清洗所需噴嘴及其支架，由于進(jìn)氣道入口至發(fā)動機(jī)入口距離約4.5 m，發(fā)動機(jī)入口和進(jìn)氣道的矩形段并不同心，發(fā)動機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)氣道入口難免有各種氣旋存在，因此需將安裝噴嘴的支架伸入進(jìn)氣道一定距離，以避開各種不穩(wěn)定氣流的影響，需使用一個大流量的清洗噴嘴。噴嘴供水管路和支撐桿構(gòu)成三角支架，該支架可直接卡接在飛機(jī)進(jìn)氣道入口處，如圖1、2所示。

為實(shí)際使用和操作方便，支架探入進(jìn)氣道的總長控制在1 m左右。此外，噴射架還應(yīng)滿足清洗所需流量（1.0kg/s）和壓力（0.7 MPa）的技術(shù)要求，結(jié)構(gòu)牢固，不能發(fā)生部件脫離，打壞發(fā)動機(jī)的可能。由于噴射架固定于進(jìn)氣道唇口處，工作流體壓力0.7 MPa，并且發(fā)動機(jī)處于冷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，避免噴射架與飛機(jī)共振是計(jì)算分析和工程化必須考慮的首要問題。因此，計(jì)算以預(yù)工程化模型為基本依據(jù)，材料為1Cr17Ni2A。清洗在發(fā)動機(jī)冷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下進(jìn)行，某型發(fā)動機(jī)冷運(yùn)轉(zhuǎn)的工作狀態(tài)為：渦輪起動機(jī)帶轉(zhuǎn)時(shí)間為50 s，發(fā)動機(jī)高壓轉(zhuǎn)子5 s后開始轉(zhuǎn)動，發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的頻率約為39.9～44.3Hz。

1.2 噴射架強(qiáng)度計(jì)算與振動分析的理論模型

噴射架受迫振動模型的動力學(xué)方程為：

式（1）中：[M]是質(zhì)量矩陣；[C]是阻尼矩陣；[K]是剛度矩陣；{x}是位移矢量；{F(t)}是力矢量；{x′}是速度矢量；{x″}是加速度矢量。

噴射架無阻尼自由運(yùn)動方程為：

噴射架模型的自由振動為簡諧振動，即位移為正弦函數(shù)，即

代入式（2）得

特征值ωi對應(yīng)的特征向量為自振頻率對應(yīng)的振型。

1.3 計(jì)算結(jié)果分析

利用有限元對噴射架進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力強(qiáng)度和模態(tài)計(jì)算分析，輸入材料參數(shù)：密度為7.93×10-9t/mm3，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3，質(zhì)量為22.36kg。發(fā)動機(jī)在清洗工作狀態(tài)時(shí)，氣流流速很低，噴射架迎風(fēng)面積又很小，故在強(qiáng)度計(jì)算時(shí)忽略了氣動載荷[17-18]。

噴射架在工作過程中，除了承受自身重量外，只有輸液管道內(nèi)承受1 MPa內(nèi)載荷。最大應(yīng)變?yōu)?.312×10-5，位置處在輸液導(dǎo)管與連接塊連接處，如圖3所示；最大變形量為5.981×10-2mm，位置處于噴嘴連接處，如圖4所示。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度完全滿足要求。

本計(jì)算對噴射架進(jìn)行了10階分析，見表1，但工程上關(guān)注前4階就可以滿足要求，前4階振型如圖5所示。

表1 噴射架10階固有頻率Tab.1 10-order natural frequency of spray frame

通過每階的振型分析，可以得到噴射架振動方向，最大變形量及其位置。1階振動方向是垂直方向，最大變形位置在前連接塊后部；2階振動方向是水平方向，最大變形位置在噴射架前中部；3階振動方向也是垂直方向，但是噴射架中部和頭部運(yùn)動方向相反，最大變形位置在安裝噴嘴接頭。從上述振型結(jié)果可看出，噴射架采用空間大三角和中部小三角支撐結(jié)構(gòu)完全能夠滿足工作時(shí)的穩(wěn)定性。

2 飛機(jī)進(jìn)氣道唇口測振分析

本次試驗(yàn)采用環(huán)氧樹脂膠，在某型艦載機(jī)右進(jìn)氣道唇口下方固定一壓電式振動傳感器，通過這個測量點(diǎn)對進(jìn)氣道在冷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的振動進(jìn)行測量。由于發(fā)動機(jī)的軸線與進(jìn)氣道截面中心線偏差不大，并且方向一致，該測量點(diǎn)的數(shù)值基本能夠反映對進(jìn)氣道其他方向的影響[19]。

2.1 左發(fā)冷運(yùn)轉(zhuǎn)測振

根據(jù)振動測量曲線可知：左發(fā)動機(jī)冷運(yùn)轉(zhuǎn)，對右進(jìn)氣道唇口振動影響不大，并且實(shí)際清洗過程中也不會出現(xiàn)這種情況。振動測量曲線如圖6所示，振動頻率為485Hz，振幅1.506 m/s2。

2.2 右發(fā)冷運(yùn)轉(zhuǎn)測振

右發(fā)動機(jī)冷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，振動測量曲線如圖7所示。通過頻譜分析可得到6個高能量的頻率，其余頻率下的能量非常弱，可不予考慮，具體數(shù)值如表2所示。

表2 右進(jìn)氣道測振頻譜值（右發(fā)動機(jī)冷運(yùn)轉(zhuǎn)）Tab.2 Measured vibration spectrum values of right inlet（right engine in cold operation state）

2.3 測量結(jié)果分析

對比噴射架的結(jié)構(gòu)靜力模態(tài)計(jì)算結(jié)果和進(jìn)氣道唇口測振試驗(yàn)結(jié)果可看出，噴射架的一階頻率為48.33Hz，而發(fā)動機(jī)冷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)氣道唇口振動頻率大于等于92.5Hz。噴射架固有頻率與清洗時(shí)發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道唇口振動頻率沒有耦合，所以發(fā)動機(jī)冷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的振動不會對清洗造成影響。

3 模擬環(huán)境振動試驗(yàn)驗(yàn)證

在測得飛機(jī)進(jìn)氣道唇口的振動頻譜后，以此為依據(jù)設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬環(huán)境振動試驗(yàn)來進(jìn)一步驗(yàn)證其對清洗噴射架的影響。模擬環(huán)境振動試驗(yàn)是模擬發(fā)動機(jī)在冷轉(zhuǎn)狀態(tài)下，飛機(jī)進(jìn)氣道唇口處的振動對噴射架的影響，采用正弦定頻試驗(yàn)，檢驗(yàn)方法為無損探傷。根據(jù)進(jìn)氣道唇口測振試驗(yàn)所測得的振動頻率譜值制定模擬進(jìn)氣道唇口環(huán)境振動試驗(yàn)規(guī)范如表3所示。模擬環(huán)境振動試驗(yàn)測試系統(tǒng)框圖如圖8所示。

表3 模擬進(jìn)氣道唇口振動試驗(yàn)規(guī)范（垂直方向）Tab.3 Standard specification of simulated inlet lip vibration test

噴射架試驗(yàn)時(shí)，固定方式應(yīng)與飛機(jī)上相同。為提高試驗(yàn)結(jié)果的精度，盡量減少失真，連接架應(yīng)質(zhì)量輕、剛度大、第一階固有頻率高于試驗(yàn)要求的最高頻率。試驗(yàn)輸入精度頻率范圍為：基準(zhǔn)值±2Hz，振幅范圍為基準(zhǔn)值±0.5 m/s2。每個狀態(tài)試驗(yàn)總時(shí)間為48 h，每個頻段8 h。試驗(yàn)步驟如下：

1）將連接架固定于振動試驗(yàn)臺上。為降低連接架對測試結(jié)果的影響，應(yīng)使用高強(qiáng)度的螺栓固定，使之有足夠的預(yù)緊力，防止連接架松動。

2）將噴射架安裝到連接架上。固定方式應(yīng)與飛機(jī)上使用相同。

3）連接好振動試驗(yàn)相關(guān)設(shè)備，并開機(jī)預(yù)熱。

4）調(diào)整激振器頻率至試驗(yàn)頻段，開始計(jì)時(shí)。8 h調(diào)整一次頻段，頻段由低至高單程連續(xù)試驗(yàn)。

5）總試驗(yàn)時(shí)間結(jié)束，對噴射架進(jìn)行無損探傷。無損探傷結(jié)果沒有任何缺陷，方可進(jìn)行下一狀態(tài)試驗(yàn)。

6）將試驗(yàn)結(jié)果記錄至表4中。

根據(jù)模擬環(huán)境振動試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果及對噴射架進(jìn)行密封性和著色檢查等，沒有發(fā)現(xiàn)焊縫有開裂現(xiàn)象，也沒有任何漏點(diǎn)，說明發(fā)動機(jī)冷運(yùn)轉(zhuǎn)下的振動不會對噴射架造成損壞，也不會對發(fā)動機(jī)清洗造成影響。

表4 模擬環(huán)境振動試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄Tab.4 Data record of simulated environmental vibration tests

4 結(jié)論

本文利用有限元數(shù)值仿真對噴射架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)靜力強(qiáng)度和模態(tài)計(jì)算分析，根據(jù)計(jì)算得到的噴射架各轉(zhuǎn)接處的最大應(yīng)變可確定噴射架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。針對模態(tài)分析得到的噴射架的一階頻率為48.33Hz，設(shè)計(jì)進(jìn)行了發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道唇口測振試驗(yàn)，得到發(fā)動機(jī)在冷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，進(jìn)氣道唇口振動頻率大于等于92.5Hz，分析可得：噴射架固有頻率與冷運(yùn)轉(zhuǎn)清洗時(shí)發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道唇口振動頻率沒有耦合。為進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)論，設(shè)計(jì)進(jìn)行了模擬環(huán)境振動試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及對噴射架進(jìn)行密封性和著色檢查的結(jié)果可得：噴射架沒有發(fā)現(xiàn)焊縫有開裂現(xiàn)象，也沒有任何漏點(diǎn)，進(jìn)一步說明發(fā)動機(jī)冷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的振動不會對噴射架造成損壞，也不會對發(fā)動機(jī)清洗造成影響。

[1]李本威，王秀霞，胡國才，等.渦噴發(fā)動機(jī)清洗技術(shù)研究[J].航空發(fā)動機(jī)，2000，36（1）：12-16. LI BENWEI，WANG XIUXIA，HU GUOCAI，et al.Research on cleaning technology of turbojet engine[J].Aeroengine，2000，36（1）：12-16.（in Chinese）

[2]孫護(hù)國，于海濱，霍武軍，等.渦軸發(fā)動機(jī)清洗技術(shù)及其發(fā)展[C]//第16屆全國直升機(jī)年會.上海，2000：188-192. SUN HUGUO，YU HAIBIN，HUO WUJUN，et al.Turbojet engine washing technology and its development[C]// 16thAnnual National Helicopter Conference.Shanghai，2000：188-192.（in Chinese）

[3]蔣科藝，沈偉，李本威，等.基于流場仿真的渦扇發(fā)動機(jī)清洗系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].航空動力學(xué)報(bào)，2011，26（3）：481-488. JIANG KEYI，SHEN WEI，LI BENWEI，et al.Parameters optimizing for a turbofan engine cleaning system using flow field simulation[J].Journal of Aerospace Power，2011，26（3）：481-488.（in Chinese）

[4]石磊，何國強(qiáng)，秦飛，等.唇口形狀對二元進(jìn)氣道性能影響數(shù)值模擬[J].推進(jìn)技術(shù)，2012，33（5）：683-688. SHI LEI，HE GUOQIANG，QIN FEI，et al.Numerical investigation of effects of cowl lip shape on 2-D inlet[J]. Journal of Propulsion Technology，2012，33（5）：683-688.（in Chinese）

[5]王春暉，許志鵬，楊欣毅.航空發(fā)動機(jī)清洗兩相流場的數(shù)值模擬研究[J].系統(tǒng)仿真技術(shù)，2015，11（2）：101-106. WANG CHUNHUI，XU ZHIPENG，YANG XINYI.Numerical simulation study on two phase flow field of cleaning aero engine[J].System Simulation Technology，2015，11（2）：101-106.（in Chinese）

[6]KURZ R，BRUN K.Fouling mechanisms in axial compressors[J].Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，2012，134（3）：1-9.

[7]周健，宋兵，周學(xué)兵，等.清洗對渦軸發(fā)動機(jī)性能恢復(fù)的影響[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2014，35（3）：84-89. ZHOU JIAN，SONG BING，ZHOU XUEBING，et al.Influence of cleaning on turboshaft engine performance recovery[J].Journal of Sichuan Ordnance，2014，35（3）：84-89.（in Chinese）

[8]TARABRIN A P，SCHUROVSKY V A，BODROV A I，et al.An analysis of axial compressor fouling and a blade cleaning method[J].Journal of Turbomachinery，1998，120（2）：256-261.

[9]MUND F C，PILIDIS P.Online compressor washing：a numerical survey of influencing parameters[J].Proceed-ings of the Institution of Mechanical Engineers，Part A：Journal of Power and Energy，2005，219：13-21.

[10]SYVERUD E，BAKKEN L E.Online water wash tests of GE J85-13[J].Journal of Turbomachinery，2007，129：136-142.

[11]楊英炎，趙勇.基于環(huán)境試驗(yàn)的某發(fā)動機(jī)艦面清洗時(shí)機(jī)影響分析[J].海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，29（2）：168-172. YANG YINGYAN，ZHAO YONG.Influence analysis of a certain engine shipboard washing schedule of based on environment test[J].Journal of Naval Aeronautical and Astronautical University，2014，29（2）：168-172.（in Chinese）

[12]張軍民，趙勇.艦載發(fā)動機(jī)用清洗劑及其清洗效率影響因素試驗(yàn)[J].海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，30（3）：253-257. ZHANG JUNMIN，ZHAO YONG.Research on cleaning agent using for carrier-based aircraft engine and its cleaning efficiency influence factors[J].Journal of Naval Aeronautical and Astronautical University，2015，30（3）：253-257.（in Chinese）

[13]隋立軍.某型飛機(jī)進(jìn)氣道有限元應(yīng)力及振動疲勞分析[J].航空計(jì)算技術(shù)，2014，44（4）：26-28. SUI LIJUN.Vibration fatigue analysis of aircraft inlet using FEM[J].Aeronautical Computing Technique，2014，44（4）：26-28.（in Chinese）

[14]侯安平，李秋實(shí)，周盛，等.進(jìn)氣道內(nèi)加裝導(dǎo)流體對低壓轉(zhuǎn)子振動特性影響分析[J].航空動力學(xué)報(bào)，2006，21（4）：686-692. HOU ANPING，LI QIUSHI，ZHOU SHENG，et al.Analysis of low-pressure compressor rotor vibration characteristics induced by inlet guide vane[J].Journal of Aerospace Power，2006，21（4）：686-692.（in Chinese）

[15]杜來林，楊超.Z9FDQX型發(fā)動機(jī)清洗車的設(shè)計(jì)與使用[J].液壓氣動與密封，2012，32（7）：65-67. DU LAILIN，YANG CHAO.Design and application of Z9FDQX cleaning vehicle to engine[J].Hydraulics Pneumatics and Seals，2012，32（7）：65-67.（in Chinese）

[16]劉濤，范秀杰，劉偉.某發(fā)動機(jī)清洗噴射架振動考核試驗(yàn)研究[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2015（9）：25. LIU TAO，F(xiàn)AN XIUJIE，LIU WEI.Experimental study on vibration assessment of an engine cleaning jet[J].China New Technologies and Products，2015（9）：25.（in Chinese）

[17]馬楠楠，陶春虎，何玉懷，等.航空發(fā)動機(jī)葉片多軸疲勞試驗(yàn)研究進(jìn)展[J].航空材料學(xué)報(bào)，2012，32（6）：44-49. MA NANNAN，TAO CHUNHU，HE YUHUAI，et al.Research progress of multiaxial fatigue test methods on blades of aviation engine[J].Journal of Aeronautical Materials，2012，32（6）：44-49.（in Chinese）

[18]萬利，李舜酩，金業(yè)壯.某型發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)第一級整流葉片疲勞試驗(yàn)研究[J].航空發(fā)動機(jī)，2008，34（3）：15-17. WAN LI，LI SHUNMING，JIN YEZHUANG.Fatigue test of an aeroengine compressor IGVs[J].Aeroengine，2008，34（3）：15-17.（in Chinese）

[19]李其漢，胡碧剛，徐志懷.航空發(fā)動機(jī)強(qiáng)度振動測試技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1995：127-131. LI QIHAN，HU BIGANG，XU ZHIHUAI.Strength and vibration test technology of aeroengine[M].Beijing：Beihang University Press，1995：127-131.（in Chinese）

Strength Calculation And Vibration Analysis of Online Washing Spray Frame of A Certain Engine

LI Benwei,WU Heng,ZHANG Yong,LIN Xuesen
（Department of Airborne Vehicle Engineering,NAAU,Yantai Shandong 264001,China）

In order to study the strength and vibration characteristics of spray frame to ensure the reliability of online wash?ing and avoid resonance between spray equipment and aircraft,finite element was used to obtain the structural static strength and modal analysis of the spray frame.According to the 10-order vibration mode and natural frequency,it found that the structural strength of the spray frame could meet the requirements.The vibration analysis of engine inlet lip was carried out to obtain the corresponding measured spectral values of the inlet lip in cold operation state.The verification tests of simulated environmental vibration were designed to conclude that there was no coupling between the natural fre?quency of the spray frame and the vibration frequency of engine inlet lip in cold operation state so that the vibrations of en?gine inlet lip not only will not cause the damage of the spray equipment but also will not affect the online washing.

spray frame;strength calculation;vibration characteristics;experimental verification;online washing

V231.3

A

1673-1522（2017）02-0235-06

10.7682/j.issn.1673-1522.2017.02.011

2016-09-28；

2016-12-22

“泰山學(xué)者”建設(shè)工程專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目

李本威（1962-），男，教授，博士，博導(dǎo)。