航空发动机外部管路调频的有限元计算方法

冯 凯，郝 勇，廉正彬

（沈阳发动机设计研究所,沈阳 110015）

航空发动机外部管路调频的有限元计算方法

冯 凯，郝 勇，廉正彬

（沈阳发动机设计研究所,沈阳 110015）

利用有限元方法对航空发动机外部管路模态进行了计算，得到了管路的固有频率及模态振型；通过计算,分析了安装不同数量、位置的卡箍对管路固有频率的影响，以此为依据进行了管路调频，避免了管路共振的发生。

管路模态；调频；卡箍；航空发动机

1 引言

航空发动机外部管路主要用于输送燃油、滑油和空气等介质，是发动机附件系统的重要组成部分，在发动机使用过程中常常发生断裂、漏油、渗油故障。据有关资料介绍，在中国目前的成熟发动机（如 WP6、WP7）中，外部导管断裂故障占全部空中飞行结构故障总数的52%[1]，高居结构故障之首。受外部管路局部设计不合理、工艺不规范以及工作温度、管路振动频率和应力的影响而发生的各种故障，在中外航空史上也不乏其例。因此,开展管路振动研究对提高管路的安全可靠性，保证发动机正常运行具有非常重要的意义。

本文利用有限元方法对航空发动机外部管路模态作了计算，分析了安装不同数量、位置的卡箍对管路固有频率的影响。

2 管路振动控制途径

引起管路断裂的原因有加工、装配、温度和振动等，其中振动常常成为管路断裂的主要原因和诱导因素。

发动机管路振动，按激励的性质，可以分为强迫振动和自激振动。强迫振动是指管路在外界或内部的周期性（或随机性）机械载荷、流体载荷作用下产生的振动，自激振动是指管路内部介质运动与管路振动耦合形成振荡激励所产生的振动。振动的最主要来源是转子不平衡或不对中等原因引起的振动通过机匣、卡箍作用于管路。

控制和降低发动机管路振动的途径主要有以下几种[2]。

（1）激振力水平控制

无论是共振还是其它类型的强迫振动，管路的响应水平均与管路承受的激振力大小直接相关。

（2）响应水平控制

管路振动响应控制途径包括调整频率和增加阻尼2种。

a.调整频率

调整频率的主要目的是把管路的固有频率调到发动机工作转速频率之外，避免在发动机工作过程中出现管路共振。因为在共振条件下，即使是较小的激振力也可能产生很大的振动应力。

调整频率的基本原则是把管路的1阶固有频率调到发动机工作转速频率的1.25倍以上[2]。根据管路频率调整的需要，适当配置固定卡箍的数量和位置或增大管路直径等。

b.增加阻尼

增加管路系统中的结构阻尼是减小管路振动响应的1个有效途径，可通过在卡箍与管路接触面之间安装氟塑料衬套或金属橡胶衬套等减振材料来实现。

（3）控制管路的装配应力

装配应力的存在将影响管路承受振动疲劳的能力。

（4）加工装配损伤控制

加工装配造成的损伤直接影响管路的疲劳极限，故应尽量避免和控制。

3 管路调频仿真计算

目前，中国还没有实现在航空发动机设计阶段对管路振动进行分析计算，仅在少数管路排故中采用有限元仿真对管路振动进行分析。

在管路设计阶段，应用NX.Nastran软件分别对在卡箍的数量和位置不同时的管路振动进行了仿真计算，并对该管路进行了调频处理，旨在避免发生管路共振。

根据管路调频方法，可以通过配置固定卡箍的数量和位置或增大管路直径来调整管路的固有频率。但对于有固定用途的管路，一般不允许改动其直径,因此，分别计算了在单根管路上的卡箍数量和位置不同时该管路的固有频率及其振型，得到该管路的最佳卡箍数量和位置分布。从模态振型上可以看出，管路发生最大变形的位置也就是容易发生管路断裂的位置,这为以后的管路调频指明了方向。

3.1 管路模态计算

3.1.1 结构简介

对某型发动机某段管路进行计算，管路两端采取固定连接的约束方式。管路结构如图1所示。

3.1.2 材料数据

在分析模型中，材料力学性能数据取常温下的数据[3]，见表1。

3.1.3 有限元模型

管路有限元模型如图2所示。

表1 材料力学性能数据

3.2 计算结果及结果分析

3.2.1 无卡箍时计算结果及分析

该管路没有安装卡箍时的前4阶固有频率值见表2。图3～6给出了该管路前4阶固有频率对应的模态振型，从模态振型可以看出每阶固有频率所对应的最大变形位置。

表2 无卡箍时管路的固有频率

发动机高压转子极限转速取为15000r/min，则发动机最大工作转速频率为250Hz。根据调整管路频率的基本原则（把管路的第1阶固有频率调到发动机工作转速频率的1.25倍以上），管路的第1阶固有频率应在312.5Hz以上。由表2可知，该管路在不加卡箍状态前，3阶固有频率未满足管路设计要求，因此需要对管路进行调频处理，由于不允许改变管路直径，采用了增加卡箍和调整卡箍位置的方法。

3.2.2 装1个卡箍的计算结果分析

计算时，选取该管路的直线段作为卡箍的可能安装位置，分别计算卡箍在不同位置（1～6）时对管路固有频率的影响。

卡箍的位置分布如图7所示。

在不同位置安装卡箍时，该管路前3阶固有频率见表3。

从表2与表3可以看出，在管路上增加1个卡箍后，管路的固有频率发生改变，固有频率值变大。其中，在1、6位置增加卡箍时，管路固有频率增大值最小，效果最差；在3、4位置增加卡箍，管路固有频率增大值最大，效果最好，但其固有频率的数值与要求的频率（312.5Hz）比较接近，考虑到存在计算误差，在该管路上只增加1个卡箍不能满足避免共振的要求。

表3 装1个卡箍时管路前3阶固有频率 Hz

3.2.3 装2个卡箍的计算结果分析

计算时，仍选取该管路的直线段作为卡箍的可能安装位置，分别计算将2个卡箍安装在如图6中所示的不同位置（1～6）时对管路固有频率的影响。此时，该管路前3阶的固有频率见表4。

在表4中，1－2代表在图6中的1、2位置各安装1个固定卡箍，其余类似。根据表中数据，考虑到一定的计算误差，可以看出该管路在位置 1－4、2－4、2－5、3－4、3－5、3－6 位置安装 2个卡箍能满足避免共振的要求。在其他位置安装2个卡箍，管路的第1阶固有频率均在发动机工作转速频率范围内，不能满足设计要求。故应在可满足选取安装卡箍要求的位置敷设该段管路，以收到较好的避免共振效果。

表4 装2个卡箍时管路前3阶固有频率 Hz

4 结束语

本文以对单根管路进行调频时避免其共振为目标，从调整卡箍的数量和位置入手，分别计算了在不同位置，安装1、2个卡箍对该管路固有频率的影响，得出了该段管路在敷设时卡箍的最佳安装位置和数量。

目前,大多数管路彼此相连（直接或通过卡箍），形成复杂的管路系统，因此在实际敷设中需要考虑管系的振动。管系的模态计算应考虑管路上的卡箍、支架及管路与管路之间的相互影响，然后在此基础上进行整个管路系统的避免共振设计。管路调频对航空发动机管路设计具有重大的指导作用，能够及早发现设计缺陷，提高管路设计工作效率，降低发动机使用过程中的管路故障率。复杂的管路系统调频是今后管路调频仿真计算工作的重点和难点。

[1]许锷俊.航空发动机导管结构完整性要求的初步研究[C].中国航空学会第七届发动机结构强度振动学术会议论文集，1994：287-297.

[2]张洪飚主编.航空发动机设计手册（第19册）[M].北京：航空工业出版社，2000.

Finite Element Analysis Method of Frequency Modulation for Aeroengine External lines

FENG Kai,HAO Yong,LIAN Zheng-bin
（Shenyang Aeroengine Research Institute,Shenyang 110015，China）

The external lines mode of an aeroengine was calculated by the Finite Element Analysis（FEA）method.The natural frequency and modal shape of the lines were also obtained.The effects of different number and different position hoops on the line natural frequency were analyzed by the calculation.According to the analysis,the line resonance could be avoided by the line frequency modulation.

inee mode;frequency modulation;hoop;aeroenginel

冯凯（1981），男，硕士，从事航空发动机总体结构设计。

2009-09-04