渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)姿態(tài)試車臺(tái)支撐架設(shè)計(jì)與分析

耿金嵩，武俊虎，李云輝，劉懷印

（1.沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所,沈陽(yáng) 110000；2.中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院 風(fēng)洞工程技術(shù)研究所,北京 100080）

0 引言

現(xiàn)代高性能發(fā)動(dòng)機(jī)飛行包線越來(lái)越寬，要求發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在更加惡劣的環(huán)境下穩(wěn)定工作。這就對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、可靠性和耐久性提出了更高的要求，發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)驗(yàn)證內(nèi)容更加完善。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、液壓、潤(rùn)滑等系統(tǒng)工作可靠性研究的有效辦法之一就是開展發(fā)動(dòng)機(jī)姿態(tài)試驗(yàn)。我國(guó)在研的發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)對(duì)應(yīng)的規(guī)范中，也明確要求進(jìn)行姿態(tài)試驗(yàn)[1-8]。

為了提供滿足相關(guān)軍用標(biāo)準(zhǔn)要求的姿態(tài)試驗(yàn)，美、俄等國(guó)無(wú)一例外地都相繼建立了包括姿態(tài)試車臺(tái)在內(nèi)的各種特征試驗(yàn)設(shè)備，并完成了相關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)姿態(tài)試驗(yàn)[9-12]。美國(guó)在美軍標(biāo)通用規(guī)范中規(guī)定了該試驗(yàn)項(xiàng)目，其姿態(tài)試驗(yàn)設(shè)備是發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)姿態(tài)試車臺(tái)。據(jù)了解, 現(xiàn)役機(jī)型中F404發(fā)動(dòng)機(jī)完全執(zhí)行通用規(guī)范要求完成姿態(tài)試驗(yàn)。PWC306發(fā)動(dòng)機(jī)和V-22“魚鷹”傾轉(zhuǎn)旋翼飛機(jī)中渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)AE1107C等型號(hào)也完成了姿態(tài)試驗(yàn)，驗(yàn)證了不同姿態(tài)對(duì)軸承和滑油系統(tǒng)的影響。俄羅斯對(duì)整個(gè)潤(rùn)滑系統(tǒng)姿態(tài)試驗(yàn)在飛行前不作要求，但要求滑油箱必須完成姿態(tài)試驗(yàn)、滑油泵必須完成地面及高空性能試驗(yàn)后方可進(jìn)行科研試飛。然后通過科研試飛來(lái)驗(yàn)證潤(rùn)滑系統(tǒng)的姿態(tài)工作特性。相比之下，目前國(guó)內(nèi)沒有用于渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的姿態(tài)試車臺(tái)，只能通過科研試飛來(lái)完成姿態(tài)試驗(yàn)。無(wú)法響應(yīng)國(guó)軍標(biāo)提出的驗(yàn)證要求及科研任務(wù)的需求。

本文中的試車臺(tái)要同時(shí)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)俯仰和橫滾兩種姿態(tài)。試車臺(tái)架采用雙支撐架支撐的龍門架形式，由支撐架、橫滾機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)安裝架等組成，支撐架原理簡(jiǎn)圖如圖1所示。支撐架作為渦槳姿態(tài)試車臺(tái)的重要組成部分，除提供安裝工藝管線、照明、監(jiān)控等必需系統(tǒng)的空間外，最主要是作為試車臺(tái)的主承力構(gòu)件，承擔(dān)橫滾機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)和發(fā)動(dòng)機(jī)等臺(tái)架設(shè)備的重力載荷。此外，在試車過程中渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的螺旋槳的高速旋轉(zhuǎn)會(huì)引起臺(tái)架附近流場(chǎng)的劇烈變化，因此支撐架必須具備抵抗試車過程中復(fù)雜氣動(dòng)載荷的能力且不會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)排氣造成影響[13-15]。本文提供了該渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)姿態(tài)試車臺(tái)支撐架的設(shè)計(jì)與分析方法，為同類型試驗(yàn)設(shè)備的研制提供了技術(shù)支撐。

圖1 渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)姿態(tài)試車臺(tái)

1 支撐系統(tǒng)流場(chǎng)仿真

對(duì)于渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)架，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前，需要根據(jù)試車臺(tái)架各組成結(jié)構(gòu)的空間布局進(jìn)行氣動(dòng)設(shè)計(jì)與計(jì)算。發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)架的兩側(cè)支撐架是影響發(fā)動(dòng)機(jī)螺旋槳繞流的主要障礙物，支撐架會(huì)影響到發(fā)動(dòng)機(jī)槳葉附近的流場(chǎng)流動(dòng)，同時(shí)槳流也會(huì)反作用在支撐架上，影響到支撐架的結(jié)構(gòu)受力。因此需要對(duì)試車臺(tái)架系統(tǒng)進(jìn)行流場(chǎng)的數(shù)值仿真計(jì)算，從氣流和風(fēng)壓兩方面考核仿真計(jì)算的結(jié)果：1）氣流經(jīng)支撐架反射后不會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣，從而保證支撐架間距與發(fā)動(dòng)機(jī)高度布置合理，并使支撐架在復(fù)雜流場(chǎng)中具備的足夠的強(qiáng)度；2）確保試車產(chǎn)生的氣流對(duì)支撐架造成的擾動(dòng)有限，氣流造成的風(fēng)壓在臺(tái)架可承受的范圍內(nèi)。

1.1 流場(chǎng)仿真幾何建模

根據(jù)渦槳姿態(tài)試車臺(tái)的總體布局設(shè)計(jì)和渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理，對(duì)實(shí)際的幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，分離出流場(chǎng)計(jì)算的主要對(duì)象：槳盤面、試車臺(tái)兩側(cè)支撐架、發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口、發(fā)動(dòng)機(jī)安裝架肋板與蓋板及橫滾機(jī)構(gòu)滾筒等。

實(shí)際的支撐架為桁架結(jié)構(gòu)，不利于進(jìn)行氣動(dòng)計(jì)算。將其幾何簡(jiǎn)化為長(zhǎng)方體，方便進(jìn)行氣動(dòng)仿真同時(shí)流場(chǎng)分析具有更高的可靠性。槳葉的流動(dòng)效應(yīng)與風(fēng)扇類似，實(shí)際上是形成一個(gè)流量通道。在缺乏實(shí)際幾何模型的時(shí)候，可將其簡(jiǎn)化為一個(gè)風(fēng)扇邊界面，通過模擬槳盤的目標(biāo)壓力差及目標(biāo)流量值來(lái)達(dá)到流場(chǎng)的仿真。

擬設(shè)計(jì)兩支撐架之間的間距空隙為14 m，按大氣遠(yuǎn)場(chǎng)邊界距槳盤中心不低于10倍槳盤直徑，取大氣遠(yuǎn)場(chǎng)邊界為50 m。為適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)與試車臺(tái)尺寸，仿真模型中設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)殼體長(zhǎng)度為4 m，直徑為1 m，出口直徑為800 mm，滾筒直徑為2 m，長(zhǎng)度為3.5 m，槳盤中心離地高度為12 m?？紤]到兩支撐架為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在模型中建立對(duì)稱面，簡(jiǎn)化計(jì)算量。通過上述分析，建立起流場(chǎng)仿真的幾何模型，如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)臺(tái)布局三維視圖

1.2 流場(chǎng)數(shù)值仿真計(jì)算

采用流體仿真軟件Fluent對(duì)上述試車臺(tái)模型進(jìn)行流場(chǎng)的仿真計(jì)算，基于N-S方程穩(wěn)態(tài)壓力基求解器，采用SST k-ω湍流模型，Coupled 算法。地面和支撐架采用無(wú)滑移壁面條件，遠(yuǎn)場(chǎng)采用無(wú)風(fēng)壓力遠(yuǎn)場(chǎng)邊界條件，槳盤面為風(fēng)扇邊界條件，風(fēng)扇風(fēng)壓設(shè)置為3400 Pa，此時(shí)計(jì)算的槳盤面的空氣流量超過600 kg/s，槳盤后方氣流速度最大72 m/s，可滿足槳扇空氣流量的仿真輸入條件。給定發(fā)動(dòng)機(jī)外殼出口質(zhì)量流量出口邊界，質(zhì)量流量不低于22 kg/s，總溫不低于1100 K，以模擬發(fā)動(dòng)機(jī)出口輸入條件。

選取發(fā)動(dòng)機(jī)俯仰角為0°、-90°和90°時(shí)3個(gè)特殊姿態(tài)進(jìn)行仿真分析，模型如圖3所示。

圖3 幾何模型示意圖

1）0°俯仰角時(shí)的流場(chǎng)。

圖4所示為發(fā)動(dòng)機(jī)0°俯仰角時(shí)通過槳盤及發(fā)動(dòng)機(jī)出口的空間流線，可以看到，槳盤進(jìn)口氣流均勻，氣流流經(jīng)滾筒及滾筒支撐結(jié)構(gòu)時(shí)，滾筒前方肋板將槳流擋向側(cè)方，氣流從擋板側(cè)方繞過流向正后方，氣流未與支撐架發(fā)生干涉，說(shuō)明支撐架間距合適。

圖4 0°俯仰角時(shí)空間流線圖

如圖5所示，為0°俯仰角時(shí)滾筒中心高度平面速度流線圖及速度等值線圖?？梢钥吹?，槳流在繞過滾筒前方肋板時(shí)，氣流方向向側(cè)方偏移45°左右，在肋板邊緣形成一個(gè)局部加速區(qū)域，該處氣流速度達(dá)到75 m/s左右。在前后兩塊肋板之間為一低速區(qū)域，該區(qū)域最大速度在10 m/s左右，在滾筒側(cè)方約1倍直徑處形成了一低速渦流區(qū)域，在渦核中心會(huì)形成局部低壓區(qū)域，可以將前方來(lái)流方向矯正，從而避開了側(cè)方支撐架。

圖5 0°俯仰角時(shí)滾筒中心高度平面速度等值線圖

如圖6所示，為0°俯仰角時(shí)滾筒中心高度平面和計(jì)算模型對(duì)稱面上的壓力等值線云圖，從圖中可以看到，滾筒前方肋板迎風(fēng)面與滾筒前沿外表面所形成的直角區(qū)域內(nèi)為一較大的正壓區(qū)域，壓力在3000 Pa以上，但側(cè)方支撐架表面受到的壓力波動(dòng)較小。

圖6 0°俯仰角時(shí)滾筒中心高度平面壓力等值線云圖

如圖7所示，為支撐架靠近滾筒側(cè)的表面壓力分布等值線云圖?？梢钥吹?，支撐架表面局部承受最大壓力不大于12 Pa。

圖7 支撐架靠近滾筒側(cè)的表面壓力分布等值線云圖

2）-90°俯仰角時(shí)的流場(chǎng)。

如圖8所示，為發(fā)動(dòng)機(jī)-90°俯仰角時(shí)通過槳盤及發(fā)動(dòng)機(jī)出口的空間流線，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口朝向地面，槳盤進(jìn)氣從各個(gè)方向而來(lái)，支撐架主要將發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)向的進(jìn)氣氣流阻隔。而由渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理可知，渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣主要依靠正前方來(lái)流，而此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口距地面距離超過5 m，不會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)的進(jìn)氣。同時(shí)槳流經(jīng)過滾筒、肋板及蓋板后，又匯入到了發(fā)動(dòng)機(jī)噴流，流動(dòng)未影響到側(cè)方支撐架。

圖8 -90°俯仰角時(shí)空間流線

如圖9為-90°俯仰角時(shí)支撐架對(duì)稱面上的速度場(chǎng)情況，可以看到，受槳流進(jìn)氣影響，支撐架附近局部最大擾動(dòng)速度在4 m/s，相比于0°俯仰角時(shí)的擾動(dòng)速度有所增大。槳流繞過滾筒肋板時(shí)與支撐架存在較大的距離，對(duì)支撐架的影響有限。

圖9 -90°俯仰角時(shí)支撐架對(duì)稱面速度等值線云圖

如圖10所示，為-90°俯仰角時(shí)支撐架對(duì)稱面及計(jì)算模型對(duì)稱面上的壓力分布等值線云圖。與0°俯仰角時(shí)的情況相比，在于槳盤面壓力梯度減弱，進(jìn)口流量有所減小，氣流速度有所降低，滾筒附近壓力場(chǎng)相似，壓力值有所減小。支撐架表面的壓力處于較低水平。從圖11可以看到，此時(shí)支撐架表面最大負(fù)壓小于30 Pa。

圖10 -90°俯仰角時(shí)支撐架對(duì)稱面壓力等值線云圖

圖11 -90°俯仰角時(shí)支撐架表面壓力等值線云圖

3）90°俯仰角時(shí)的流場(chǎng)。

如圖12所示，為90°俯仰角時(shí)通過槳盤及發(fā)動(dòng)機(jī)出口的空間流線圖，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口朝上，槳盤進(jìn)氣條件良好，槳流及發(fā)動(dòng)機(jī)噴流向下沖擊地面后往四周擴(kuò)散，會(huì)對(duì)支撐架底部區(qū)域造成一定的沖擊。

圖12 90°俯仰角時(shí)通過槳盤及發(fā)動(dòng)機(jī)出口的空間流線

如圖13所示，為俯仰角時(shí)支撐架對(duì)稱面速度場(chǎng)，從流線圖可以看到，槳流及發(fā)動(dòng)機(jī)噴流沖擊地面后往外擴(kuò)散時(shí)受到支撐架阻擋，在支撐架底部附近區(qū)域形成一個(gè)角區(qū)渦流，該處速度較大，在20 m/s左右。

圖13 90°俯仰角時(shí)支撐架對(duì)稱面速度等值線云圖

如圖14所示，為90°俯仰角時(shí)支撐架對(duì)稱面及計(jì)算模型對(duì)稱面上的壓力分布等值線云圖。由于高速氣流沖擊地面，在滾筒下方的地面空間存在較大的正壓區(qū)域，滾筒正下方地面局部壓力在2500 Pa左右，支撐架下方正壓較大，如圖15所示，支撐架底部最大壓力達(dá)到500 Pa。

圖14 90°俯仰角時(shí)支撐架對(duì)稱面壓力等值線云圖

圖15 90°俯仰角時(shí)支撐架表面壓力等值線云圖

通過流場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果，可以分析出以下兩點(diǎn)：

1）在3種典型俯仰角下，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在-90°俯仰角時(shí)，存在少部分低速氣流對(duì)支撐架產(chǎn)生擾動(dòng)，并由支撐架反射回發(fā)動(dòng)機(jī)，但此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口方向?yàn)榇怪钡孛?，反射氣流并不干擾發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣；

2）當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)90°俯仰角時(shí)支撐架靠近滾筒一側(cè)下方承受較大的氣流沖擊載荷，表面局部壓力最大，可達(dá)500 Pa以上，周圍局部速度最高，速度達(dá)到20 m/s，風(fēng)速相當(dāng)于8級(jí)風(fēng)力[16-17]，氣流不會(huì)對(duì)支撐架造成沖擊。因此，最終確定支撐架間距14 m，發(fā)動(dòng)機(jī)槳盤中心高12 m。

2 支撐架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核

2.1 支撐架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

支撐架整體設(shè)計(jì)為焊接桁架結(jié)構(gòu)構(gòu)件，在發(fā)動(dòng)機(jī)推力方向設(shè)計(jì)成等腰梯形的塔式形狀，單個(gè)外廓尺寸約為5 m×6 m×11.5 m（長(zhǎng)×寬×高），單個(gè)支撐架質(zhì)量約20 t。支撐架主梁、斜梁由截面尺寸為250 mm×250 mm×6 mm的空心方鋼管焊接制作，主梁、斜梁交匯處設(shè)置筋板提高整體剛度。試車臺(tái)架通過支撐架與地面接觸，支撐架與澆筑在基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)預(yù)埋件通過法蘭連接，以此承受臺(tái)架的拉力、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩及重力載荷，支撐架法蘭與基礎(chǔ)預(yù)埋件的接口如圖16所示。支撐架頂部為操作平臺(tái)提供人員操作空間，用于安裝俯仰驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、俯仰支架的支撐結(jié)構(gòu)，支撐架結(jié)構(gòu)示意圖如圖17所示。

圖16 支撐架法蘭與基礎(chǔ)預(yù)埋件的接口

圖17 支撐架結(jié)構(gòu)示意圖（按照逆航向區(qū)分左右）

2.2 支撐架強(qiáng)度分析與校核

兩側(cè)的支撐架除承受試車臺(tái)架（橫滾機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)等）約550 kN的重力載荷外，還應(yīng)具備承受發(fā)動(dòng)機(jī)正（俯仰角0°和-90°）、反（俯仰角90°）推力載荷以及轉(zhuǎn)矩載荷（全俯仰角）的能力。此外，由于發(fā)動(dòng)機(jī)中心線與槳盤中心不在同一條直線上，因此支撐架還需要考慮槳盤附加力矩（全俯仰角）的影響。擬設(shè)定支撐架最大可承受100 kN的正向推力、55 kN的反向推力、100 kN·m的轉(zhuǎn)矩載荷，以及35 kN·m的槳盤附加力矩。

采用ANSYS Workbench 19.0靜力分析模塊進(jìn)行校核計(jì)算，主要考察應(yīng)力以及變形情況，需保證計(jì)算應(yīng)力在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，并按照2倍安全系數(shù)來(lái)考慮試驗(yàn)沖擊影響。定義坐標(biāo)軸方向如圖18所示。由于試車臺(tái)架載荷遠(yuǎn)大于發(fā)動(dòng)機(jī)最大反向推力，主要考核如下兩種工況：即重力與推力方向重合（俯仰角-90°）、重力與推力方向正交時(shí)（俯仰角0°），通過施加遠(yuǎn)端力的方式在橫滾機(jī)構(gòu)滾筒前端面施加該力。力的作用面作用到支撐架上方的支撐結(jié)構(gòu)上，在支撐架的底部連接板上給定固定約束，材料為Q345E，許用應(yīng)力為183 MPa，安全系數(shù)為2時(shí)，考核應(yīng)力約為90 MPa。

圖18 坐標(biāo)系設(shè)置

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)姿態(tài)為0°時(shí)，設(shè)定支撐架承受正拉力100 kN（+X）、轉(zhuǎn)矩100 kN·m（Mx）、附加彎矩35 kN·m（My）、臺(tái)架重力550 kN（+Z）及自重，邊界條件如圖19所示。

圖19 邊界條件

計(jì)算后得到變形云圖和應(yīng)力云圖如圖20所示，最大應(yīng)力為95.5 MPa，為節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)板處的應(yīng)力集中值，整體支撐架的綜合應(yīng)力為20 MPa左右，小于考核應(yīng)力90 MPa，在安全許用范圍內(nèi)，應(yīng)力計(jì)算合格；最大變形發(fā)生在軸承座側(cè)面，約為1.7 mm，此支撐架最大尺寸規(guī)模為11 300 mm，變形比為0.015%，小于屈服強(qiáng)度變形量0.2%，符合要求。

圖20 變形云圖和應(yīng)力云圖

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)姿態(tài)為-90°（下俯90°）時(shí)，設(shè)定支撐架承受正拉力100 kN（+Z）、轉(zhuǎn)矩100 kN·m（Mz）、附加彎矩35 kN·m（My）、臺(tái)架重力550 kN（+Z）及自重，邊界條件如圖21所示。

圖21 邊界條件

計(jì)算后得到變形云圖和應(yīng)力云圖如圖22所示，最大應(yīng)力為94 MPa，為頂部安裝板處的局部應(yīng)力集中值，整體支撐架的綜合應(yīng)力為20 MPa左右，小于考核應(yīng)力90 MPa，在安全許用范圍內(nèi)，應(yīng)力計(jì)算合格；最大變形發(fā)生在軸承座側(cè)面，約為1.4 mm，此支撐架最大尺寸規(guī)模為11 300 mm，變形比為0.012%，小于屈服強(qiáng)度變形量0.2%，符合要求。

圖22 變形云圖和應(yīng)力云圖

綜上計(jì)算分析，整個(gè)支撐架具備抵抗正向推力100 kN、反向推力50 kN、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩100 kN·m及35 kN·m槳盤附加彎矩的能力，且在上述工況載荷下，能夠保證試車安全，且留有足夠的安全余量。

3 結(jié)論

本文對(duì)渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)姿態(tài)試車臺(tái)先后進(jìn)行了試車工況下的支撐架流場(chǎng)分析、支撐架設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核，以及支撐架模態(tài)分析，得出以下結(jié)論：

1）在發(fā)動(dòng)機(jī)俯仰角為0°、-90°和90°時(shí)3個(gè)典型姿態(tài)下，支撐架表面局部壓力可達(dá)500 Pa以上，局部速度達(dá)到20 m/s，支撐架可承受試車過程中的氣流沖擊載荷且支撐架不會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣造成影響；

2）在流場(chǎng)分析的基礎(chǔ)上，確定兩支撐架的間距為14 m，發(fā)動(dòng)機(jī)中心高為12 m，并進(jìn)行支撐架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)俯仰角為0°和-90°工況進(jìn)行強(qiáng)度分析，證明了整個(gè)支撐架具備承受正向推力100 kN、反向推力50 kN、轉(zhuǎn)矩100 kN·m及槳盤附加彎矩35 kN·m載荷的能力。