航空发动机外部管路调频方法研究

郭家良，王 维，贾文强，张 正

（中国航发商用航空发动机有限责任公司，上海200241）

0 引言

航空发动机外部管路通过输送燃油、滑油和空气等介质[1]，实现对发动机的供油、润滑、引气、控制及液压作动，具有结构复杂、数量多、可靠性和维修性要求高等特点。

GE公司对过去研制的发动机在使用中出现的事故进行了归纳总结后，发现空中停车事故，其中50%的事故由外部管路、导线、传感器失效所引起的，27%的事故由维修不当造成，而真正由发动机本体故障所引起的空中停车只占6%左右；在我国现役飞机（含发动机）中导管失效的故障也占总故障的52%。诱发管路故障的因素有很多，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。

控制和降低发动机管路振动的途径主要包括激振力水平控制、响应水平控制，其中激振力水平由发动机整机振动环境决定，管路设计中能考虑的是控制响应水平。管路的振动控制途径包括调整外部管路固有频率和增加阻尼等，调整固有频率可将管路的固有频率调到发动机工作转速频率之外，避免出现管路共振；增加阻尼是降低管路振动响应水平，尤其是共振峰附近的响应水平。

由于管路固有频率对于管路振动控制有着至关重要的影响，因此发动机外部管路设计规范中规定，外部管路固有频率应避开发动机工作转速的±15%。在设计中，通常将管路的1阶固有频率调到高于发动机工作转速的15%以上。

研究管路的动态特性、调整管路频率、抑制管道振动，是工程技术人员面临的重要课题。发动机管路结构十分复杂，管路形状各异、弯管参数各异。这些特征造成航空发动机管路调频工作量大，无明显规律可寻，管路调频的工作效率较低。

为了提高调频效率，本文利用有限元方法对典型尺寸的航空发动机外部管路进行模态分析，得到管路中卡箍位置对管路1阶固有频率的影响规律，并引入管路长度等效系数的概念，总结得到典型结构管路的等效系数值，结合工程经验归纳得到的管路调频一般步骤，指导管路调频。

1 影响管路固有频率的主要因素

影响管路固有频率的主要因素是刚度和质量：

（1）管路组件的质量与管径、壁厚、管路长度成正比。

（2）管路组件的刚度因素K主要包括2个方面：（a）管路结构刚度，由管材的弹性模量和管路的几何构型共同决定（b）管路的约束刚度，包括管路卡箍约束刚度和端部约束刚度；管路的几何构型也就是管路的路径走向[2-4]，影响管路的结构刚度，从而影响管路的1阶固有频率；其中，弯管的角度、折弯数量等参数均影响管路的结构刚度。

管路敷设好后，调整管路路径受到的空间限制较多[10]，需要与周边的管路一起修改，修改工作量较大。通常在不改变管路路径的情况下进行调频，即不改变管路的结构刚度，而是改变管路的约束刚度。管路的端部约束刚度一般为固支，是不可调整的，只有卡箍约束刚度可调整；所以通常调整卡箍的数量和位置来改变管路的约束刚度。

2 管路调频方法研究

挑选典型尺寸的航空发动机外部管路开展研究，研究结论适用于以下范围的管路：管路外径D：12.7～25.4 mm；管路壁厚 t：0.889 mm；管路长度 L：508～1016 mm；管路材料：ANSI 321。

管路建模条件：管路的端部约束刚度设置为固支；卡箍约束刚度与卡箍和支架的结构有关[4-6]，在简化处理中，设置为铰支；管路建模中考虑介质质量（滑油），不考虑流固耦合影响。

利用ISIGHT软件开展管路1阶固有频率的优化计算，利用UG软件的参数化建模、ICEMCFD软件的自动网格划分和ANSYS软件的APDL命令流，实现了直管和简单弯管的1阶固有频率优化计算，计算流程如图1所示。该方法不适用于复杂管路，也不适用于改变卡箍数量的调频。

2.1 卡箍位置对固有频率的影响

由于管路几何构型会影响管路的1阶固有频率，为达到分析结果的普遍适用性，分别在直管、简单弯管、平面弯管和空间弯管4种典型管路中[11]，以卡箍的数量、位置作为参数，研究管路的1阶固有频率变化规律。

通过在管路布置1个或2个卡箍、在不同位置布置卡箍，分别计算管路的1阶固有频率，卡箍位置对管路1阶固有频率的影响见表1和如图2所示。统计计算结果可得到如下结论：

（1）在管路上增加卡箍，可加强管路约束刚度，提高管路的1阶固有频率；

（2）通过表1中加粗显示的结果，结合ISIGHT优化计算，得到结论：卡箍数量相同时，卡箍位置将管路等分，此时管路的1阶固有频率最高；

表1 卡箍位置对管路1阶固有频率的影响 Hz

把卡箍约束看做节点，管路的振型被约束节点划分为几小段；长度最大的那小段管路的1阶固有振型最明显，因此可得到如下结论：

（3）管长最长的一小段管路决定管路的1阶固有频率大小。

2.2 弯管参数对于管路1阶固有频率的影响

计算不同弯管半径和角度的典型尺寸管路的1阶固有频率，弯管参数对管路1阶固有频率的影响见表2和如图3所示，从这些计算结果，归纳管路弯管参数对管路1阶固有频率的影响，可得到如下结论：

（1）在发动机管路常用的弯管半径范围内，弯管半径大小对于管路1阶固有频率影响较小，可忽略不计；

（2）弯管角度对管路的1阶固有频率影响较大，同等长度的管路，与直管相比：90°弯管的1阶固有频率下降约25%；120°弯管的1阶固有频率下降约17%；150°弯管的1阶固有频率下降约6%。

表2 弯管参数对管路1阶固有频率的影响 Hz

弯管参数对管路1阶固有频率的影响如图3所示，从图中可见，由于弯管角度对于管路1阶固有频率影响较大，因此2.1小节中，在弯管上布置卡箍时，等分位置并不能保证管路的1阶固有频率是最大极值。由于管路的固有频率同时受到质量（管长）和结构刚度（弯管参数）的影响，为简化影响因素，引入管路长度等效系数α的概念：管长为L的弯管，其1阶固有频率与管长Lα的直管相同，那么该弯管的管长等效系数α＝Lα/L。

通过大量不同尺寸规格的计算结果，统计不同弯管角度的管长等效系数如图4所示，总结得到不同弯管角度的管长等效系数α：直管段等长的90°弯管，α＝1.17；120°弯管，α＝1.10；150°弯管，α＝1.03。

根据管长等效系数，在给弯管布置卡箍的时候，可将弯管段等效为直管段，使得卡箍位置能够“等分”整根管路，从而得到最大极值的1阶固有频率。例：在90°弯管上布置2个卡箍，使得其1阶固有频率最大。

从表1可知，在长度上等分布置卡箍，卡箍位置在L/3和2L/3处，管路1阶固有频率为264.8 Hz。在考虑90°弯管的管长等效系数后：假设中间段管路的长度为 x，卡箍“等分”管路，（L-x）/2=1.17x，根据公式计算可得到卡箍布置位置为0.35L和0.65L处，此时管路的1阶固有频率为290.7 Hz为最大值。

2.3 典型弯管结构的管长等效系数

上一小节中仅考虑了单折弯、折弯两端直线段等长的情况，实际工程应用中存在更多的尺寸参数[12-15]，例如：折弯两端直线段不等长和多折弯的情况。通过计算大量不同尺寸的管路，归纳得到更多典型弯管结构的管长等效系数值见表3，用于指导管路的调频工作。

航空发动机外部管路的2个约束点之间，一般不超过2个折弯，因此没有计算大于2个折弯的情况。

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根据计算结果，对弯管角度大于150°的管路、直管段比例大于3∶1的管路，为简化处理，在工程应用中，均可视为直管。

2.4 管路调频的步骤

综前所述，结合大量工程实践经验，归纳总结得到管路调频的一般步骤：

（1）查看管路被约束节点划分的各小段长度，查阅表3(典型弯管结构的管长等效系数)可知，对应管路结构的管长等效系数值，得到各小段管路的等效长度；

（2）通过比较各小段管路的等效长度，找到等效长度最长的管路段，这一小段决定了管路的1阶固有频率；

（3）将原有卡箍移动到等分管路的位置，查看固有频率是否满足要求，等分是指引入管路等效长度后的等分；

（4）如固有频率不能满足要求，则增加1个卡箍，并将卡箍移动到等分管路的位置，查看固有频率是否满足要求；

如固有频率不能满足要求，则重复步骤4。

在实际工程应用中，卡箍的位置受到诸多限制，未必能精确等分管路，但仍可按照上述步骤去指导管路调频工作。

3 实例应用

某型航空发动机管路模型如图5所示。在分析某型发动机管路时，发现某根油管的1阶频率过低，在增加卡箍数至3个后，其固有频率为224.6 Hz，仍未避开发动机高压转子转速范围。

根据2.4小节中的管路调频步骤，首先测量管路被卡箍约束划分的4小段长度，查阅表3得到各小段的管长等效系数，得到各小段管路的等效程度见表4。

表4 某型发动机管路各段长度测量值

从表4中可知，L2和L3段的等效长度较长，L1和L4的等效长度较小；为提高管路1阶固有频率，应使卡箍位置等分管路，即降低L2和L3段的等效长度，提高L1和L4的等效长度。根据上述原则调整卡箍位置如图6所示。

调整后的管路各小段的等效长度见表5，管路1阶固有频率提高为313.7 Hz，避开了发动机高压转子转速15%范围，满足设计要求。

表5 某型发动机管路调频后各段长度测量值

针对调频前后的管路构型，分别开展管路扫频试验，以获得管路的1阶固有频率，管路试验现场如图7所示，调频前后的管路1阶固有频率如图8所示。

从图7可知，管路调频前的1阶固有频率为230.4 Hz，调频后管路1阶固有频率为 314.2 Hz，试验结果与计算结果相差小于5%，验证了计算结果的正确性；调频后的管路已避开发动机高压转子转速15%范围，满足设计要求。

4 结论

通过仿真分析和试验对比研究、归纳得到管路调频的一般工作步骤，用于指导管路调频工作，显著的提高了管路调频工作效率，包括：

（1）引入管路长度等效系数和等效长度的概念，计算得到典型弯管结构的等效系数值；

（2）应用管路等效长度系数，并结合实际工程经验，归纳得到管路调频的一般步骤，用于指导管路的调频工作；

（3）通过大量有限元分析计算，总结分析得到卡箍位置、弯管参数等对于管路1阶固有频率的影响，支撑管路调频。

（4）通过对某型号发动机管路的计算和试验，进一步验证调频方法的有效性。

[1]王明真.GJB3816-1999.航空发动机管路系统通用技术要求 [S].北京：中国航空综合技术研究所，1999：1-7.WANGMingzhen.GGJB3816-1999.General technical requirements for aeroengine line system[S].Beijing:AVIC China Aero-Polytechnology Establishment,1999：1-7.（in Chinese）

[2]贾志刚,陈志英.基于参数化的航空发动机管路调频方法研究[J].航空发动机,2008,34（4）:34-37.JIA Zhigang,CHEN Zhiying.Investigation of frequency modulation for aeroengine pipeline based on parameterization[J].Aeroengine,2008,34（4）:34-37.（in Chinese）

[3]黄燕,陈志英.航空发动机管路敷设路径模式的分析研究 [J].航空发动机,2001,27（ 4）:11-16.HUANGYan,CHEN Zhiying.Analysis and research on the route mode of aeroengine pipeline laying[J].Aeroengine,2001,27（4）:11-16.（in Chinese）

[4]樊江,马牧,杨晓光.航空发动机外部管路自动敷设研究[J].机械设计,2003,20（7）:21-23.FAN Jiang,MA Mu,YANG Xiaoguang.Research on automatic laying out for external pipeline of aeroengine[J].Journal of Machine Design,2003,20（7）：21-23.（in Chinese）

[5]李俊昇，文放，刘涛.管路连接中的约束设计（上）[J].航空标准化与质量,2010（4）：10-14.LI Junsheng,WEN Fang,LIU Tao.Constraint design in tube coupling（part 1）[J].Aeronautic Standardization&Quality,2010（4）:10-14.（in Chinese）

[6]李俊昇，文放，刘涛.管路连接中的约束设计（下）[J].航空标准化与质量,2010（5）：6-9.LI Junsheng,WEN Fang,LIU Tao.Constraint design in tube coupling（part 2） [J].Aeronautic Standardization&Quality,2010（5） ：6-9.（in Chinese）

[7]郑敏，张爽，吴超.国内外导管连接卡箍发展动态研究[J].航空标准化与质量,2010（4）：15-18.ZHENG Min,ZHANG Shuang,WU Chao.Development trends of coupling clamps for pipes at home and abroad[J].Aeronautic Standardization&Quality,2010（4）：15-18.（in Chinese）

[8]李鑫，王少萍.基于卡箍优化布局的飞机液压管路减振分析[J].振动与冲击,2013，32（1）：14-20.LI Xin,WANG Shaoping.Vibration control analysis for hydraulic pinelines in an aircraft based on optimized clamp layout[J].Journal of Vibration and Shock,2013,32（1）：14-20.（in Chinese）

[9]尹泽勇，陈亚农.卡箍刚度的有限元计算与实验测定[J].航空动力学报,1999,14（2）：179-182.YIN Zeyong,CHEN Yanong.Finite element analysis and experimental measurement of stiffness of hoop[J].Journal of Aerospace Power,1999,14（2）:179-182.（in Chinese）

[10]高德瑶.GJB3054-1997.飞机液压管路系统设计、安装要求[S].北京：中国航空综合技术研究所，1997：1-43.GAO Deyao.GJB3054-1997.Hydraulic tubing systems of aircraft design,installation requirements[S].Beijing:AVIC China Aero-Polytechnology Establishment,1997：1-43.（in Chinese）

[11]肖华中.HB7774.5-2011.基于UG航空发动机建模要求第5部分：管路[S].北京：中国航空综合技术研究所，2011：1-6.XIAO Huazhong.GHB7774.5-2011.Requirements for aeroengine modeling in UG part 5:piping[S].Beijing:AVIC China Aero-Polytechnology Establishment：2011,1-6.（in Chinese）

[12]ARP994.Recommended practice for the design of tubing installations for aerospace fluid power systems[S].Society of Automotive Engineers,Inc.1976.

[13]AS5540.Hydraulic systems of military aircraft design and installation requirements[S].Society of Automotive Engineers,Inc.2011.

[14]AS33611.Tube bends radii[S].Society of Automotive Engineers,Inc.2007.

[15]AS1577.Tube bends,weld design standard[S].Society of Automotive Engineers,Inc.2007.