某型航空发动机高温总压探针模态分析及强度校核

2015-01-15左泽敏武瑞娟

现代机械 2015年2期

左泽敏，武瑞娟，郭斌

(中国飞行试验研究院，陕西西安 710089)

0 引言

航空发动机是一种在高负荷、高温恶劣环境下工作的复杂动力机械，尤其是处于高压核心机内部的结构及相关设备一直承受高温、高压，高速运转，转子振动、气流气动力冲击等作用。据相关文献统计，航空发动机结构故障占发动机总故障的50%，许多结构故障往往造成严重的后果，引起重大的安全事故。航空发动机结构故障主要集中在处于高温，高强度的工作过程中，设备及零部件的断裂失效，疲劳破坏等［1-4］。

航空发动机测温、测压探针是新型被试发动机研制性能试验数据真实性，可靠性和试验安全的最关键设备之一。而用于测量相关参数布置在内涵流道高温区域探针，受限于安装条件及空间，其结构外形往往被固定在某个形状，可能存在无法保证其在发动机各个工况下的要求，需对其进行模态分析及强度校核以保证工作时的可靠性，以防影响被试发动机的安全。

本文根据某型被试发动机测量要求，需在发动机某高温截面加装总压探针，根据测量方法及相关资料中提供的总压探针的接口尺寸及安装空间，设计了总压探针模型，并根据结构的特点，在ANSYS里简化了模型，以便于计算;其次，依据探针选用材料的高温力学性能属性，根据被试发动机的工作状态参数，计算了被试发动机的各个温度下的模态;最后，通过对大量的试验数据统计分析，得出了各温度区间发动机对总压探针激励的功率谱密度，计算出各温度区间下的总压探针的等效应力，进行总压探针的强度校核。

1 高温测压探针设计

1.1 外形设计

根据某型发动机上总压探针的接口结构图，依据等环面流量原则，计算测压点的位置，并根据测点的位置，确定该总压探针的长度，并考虑给出安装座结构图及探针的后续安装维护情况，设计出各测压探针，其三维模型如图1。

图1 测压探针外形

1.2 材料选择

根据相关资料，该总压探针工作温度范围大概在0～1 000℃区间内，因此，选取的探针材料至少需满足该温度要求，根据《中国航空材料手册》查询［5］，选用了可耐至1 050℃的高温合金材料(GH3044)。该材料适宜制造在900℃以下长期工作的航空发动机的主燃烧室和加力燃烧室零部件。

2 总压探针振动分析

该总压探针在被试发动机不同状态时，工作温度环境不同，因此其振动模态随着温度的变化而变化，因此须计算该总压探针在不同温度时的振动频率，使其远离发动机转子工作转速频率［6-9］。

2.1 总压探针的工作环境温度

根据飞行及地面试验数据，确认测压探针的整个工作环境温度约为300℃ ～1 000℃，并由测压探针工作温度与转速关系可知，发动机起动或停车过程中，高低压转子频率迅速增大或减小，不在某个频率段下停留，故可不考虑该过程的测压探针的振动情况。

2.2 总压探针模态分析

考虑ANSYS建模的特点和实际探针结构复杂性及安装情况，在不影响探针振动特性的情况下，对探针模型进行简化，略去了根部上端螺纹接口，保留探针内部结构测压通道孔。按探针的初步设计尺寸对该探针简化模型进行建模，使用软件的网格自适应功能进行划分网格。

根据2.1小节给出的温度范围，查询材料手册可知，GH3044的在该温度区间的弹性模量及其泊松比，在ANSYS仿真计算出各个温度下的总压探针的前二阶模态频率，见表1。

表1 GH3044材料参数及测压探针的模态频率

该被试发动机为高低压自由转子结构，转子工作过程中产生的振动激励频率范围约为0～83.3 Hz的低压转子振动激励和0～250 Hz的高压转子振动激励。由表1可知，其二阶的横向和纵向频率在672 Hz以上，其不与高低压转子频率出现重合，而一阶频率在整个温度范围内为115 Hz～136 Hz，其远高于低压转子频率最大值，而其在高压转子频率范围内，故需进行计算确认其一阶模态是否与发动机相关状态重合。

随着发动机转速的升高，探针的工作温度升高，其一阶模态频率降低，而发动机转子频率也在增大。故由表1可知，其主要考虑的状态主要为发动机慢车状态情况。被试发动机的试验状态，由高压转子换算转速来控制，如式(1)所示。

式中:N2R高压转子换算转速(r/min)，N2高压转子转速(r/min)，n2为发动机高压100%物理转速常量(r/min)，T2发动机进口温度(K)。

根据实际条件可知，发动机的进口条件温度范围约为:-50℃ ～+50℃，可由式(1)计算发动机慢车时(N2R=66%)，对应频率为:145.2 Hz～174.7 Hz，N2R转速最大限制值为不大于105%，对应的频率范围为:231.0 Hz～279.0 Hz。由此可知，发动机在慢车状态取最大工作状态的高压转子频率范围为145.2 Hz～279.0 Hz，在慢车时的145.2 Hz最小频率与测压探针在慢车时最小温度时的频率相差9 Hz，而实际探针的工作模态频率已在发动机对其激励频率的±5%之外。

3 强度校核

在试验过程中，由于发动机工作状态的不同，且发动机对探针的激励量值增大，而探针的由于材料的温变属性，强度减小，故所承受的最大应力值在各温度下不同。故需对该探针的工作环境温度进行划分和各温度下的受到的激励进行计算。

3.1 测压探针工作温度范围及发动机状态

为了便于对探针的应力计算，根据相关数据，可将探针的工作温度范围划分为7个区间，400℃以下为一个区间，400-1 000℃之间分为6个区间，各温度范围下对探针进行应力分析时选取该材料在该区间最大温度时的材料属性进行计算。

3.2 基础激励功率谱密度

对于该探针而言，其通过两个螺钉安装于被试发动机上，因此可认为该探针主要受到发动机本体的激励。故需获取被试发动机探针安装处的振动量值。考虑被试发动机在探针的安装处安装传感器测取该安装点的振动情况，因此选择该发动机振动限制值，作为该发动机在各个状态下的振动值，该发动机的振动限制值采用跟踪高低压转子转速频率下的振动位移和速度峰值，确定其不大于某个量值，故需对各个温度区间下的高低压转子转速进行统计，以确定各温度区间的激励功率谱。

根据划分的7个温度区间，随机选取了被试发动机飞行试验的多次飞行试验数据，发动机总工作时间约40h20min。分别统计飞行试验中在各温度区间，高低压转速值在各转速点所占点数，如图2所示，以便于进行激励的功率谱计算。

图2 各温度区间转速统计

根据图2所示，应用MATLAB仿真计算各温度区间下的随机功率谱密度谱线值。考虑到随机载荷的不确定性，某型发动机工作中会出现振动超过限制值的情况，将得到的功率谱密度谱线进行放大2倍，以确保计算值的可靠性。

3.3 随机载荷等效应力仿真

根据图1所建立的ANSYS探针实体模型及网络划分，并考虑实际探针的安装形式，对采用了安装座上的螺栓安装孔处全约束，根据材料手册查询对应温度区间的力学性能参数，及3.2小节得到的各温度区间的功率谱密度进行载荷加载，分别得出相应的等效应力图和最大等效应力，见表2。本文中仅列出了900℃-1 000℃温度区间的分别在水平和垂直两个方向进行载荷加载的等效应力云图。图3(a)为水平方向的等效应力云图，可以看出，其最大应力集中于探针的中间的测压孔附近，最大值为56.4 MPa，图3(b)为垂直方向等效应力云图，最大应力同样集中于探针中间位置，其最大值30.8 MPa。实际情况中，各温度区间的水平方向等效应力均较垂直方向大，表2为计算得到的各温度范围的最大等效应力，通过材料手册查询各温度下材料屈服强度值，计算各温度的强度储备系数见表3，由于材料手册中未给出500℃、600℃的屈服应力值，故未能计算这两个温度下的强度储备系数。由表2可以看出，测压探针的最大等效应力随着温度的升高而增大，而表3中，材料的屈服强度值随着温度值升高而减小，因此，计算得到的强度储备系数随着温度升高而减小，故探针在高温区工作强度储备系数较低，在900-1 000℃的区间，以1 000℃的材料屈服强度值为准，强度储备系数达到最小值1.6，而500℃、600℃的强度储备系数虽未给出，但通过表3可以看出，其处于8.4～23之间。