某型发动机在线清洗喷射架强度计算与振动分析

李本威，伍恒，张勇，林学森

（海军航空工程学院飞行器工程系，山东烟台264001）

某型发动机在线清洗喷射架强度计算与振动分析

李本威，伍恒，张勇，林学森

（海军航空工程学院飞行器工程系，山东烟台264001）

为研究喷射架强度以及振动特性，确保从飞机进气道唇口安装清洗喷射装置进行发动机清洗时的可靠性，避免喷射装置和飞机共振，文章利用有限元数值仿真对喷射架进行了结构静力强度和模态计算分析，得到喷射架10阶振型及固有频率，喷射架结构强度满足要求。进行了发动机进气道唇口测振分析，得到发动机在冷运转状态下，相应进气道唇口测振频谱值。设计进行了模拟环境振动验证试验，得出结论：喷射架固有频率与冷运转状态下发动机进气道唇口振动频率没有耦合，发动机冷运转状态下的飞机进气道唇口振动不会损坏喷射装置，也不会对在线清洗造成影响。

喷射架；强度计算；振动特性；试验验证；在线清洗

发动机整机原位清洗与防护是防止发动机腐蚀、恢复发动机动力性能的一种有效手段。舰载机发动机的风扇和压气机叶片等部件容易受到盐雾腐蚀，发动机气流通道也容易因为积垢等因素造成部件流通能力和效率下降，从而影响整机推力减少和耗油率升高[1-2]。某型舰载机由于特殊的进气道结构选择在飞机进气道唇口处加装喷射架进行发动机清洗是一个工程上简单易实现的方案[3]。为避免喷射装置和飞机共振，给喷射装置带来损坏，进而给发动机清洗造成影响，因而需进行喷射架强度计算与振动分析。

目前，世界各航空大国都对燃气轮机、航空发动机的清洗技术进行了广泛的研究，大部分集中在对清洗过程的流场建模与仿真研究以及清洗对发动机性能的影响等方面[4-12]，此外，隋立军[13]针对某型飞机进气道经常出现的蒙皮裂纹等现象，通过建立进气道有限元模型来进行应力分析及振动疲劳分析，并提出了改进方案。侯安平等[14]对发动机进口前进气道管道内安装导流体可能导致的压气机低压转子流动诱发振动现象进行了评估。杜来林等[15]针对Z9FDQX型发动机进行了清洗车的设计与使用。从查得的文献来看，针对清洗喷射架的设计、强度计算以及振动特性的研究很少，只有刘涛等针对某发动机清洗喷射架在地面振动试验台上进行模拟实际装配状态的振动考核[16]。

为研究喷射架强度以及振动特性，本文主要利用有限元结构静力和模态分析计算，对喷射架结构型式进行数值仿真得到喷射架固有频率；然后，设计进行发动机进气道唇口测振试验，得到发动机在冷运转状态下，相应进气道唇口振动水平；最后，进行了模拟环境振动试验的验证得出振动分析结论。

1 喷射架结构静力模态计算

1.1 清洗架结构与计算依据

在某飞机进气道进口的唇边安装清洗所需喷嘴及其支架，由于进气道入口至发动机入口距离约4.5 m，发动机入口和进气道的矩形段并不同心，发动机在运转时进气道入口难免有各种气旋存在，因此需将安装喷嘴的支架伸入进气道一定距离，以避开各种不稳定气流的影响，需使用一个大流量的清洗喷嘴。喷嘴供水管路和支撑杆构成三角支架，该支架可直接卡接在飞机进气道入口处，如图1、2所示。

为实际使用和操作方便，支架探入进气道的总长控制在1 m左右。此外，喷射架还应满足清洗所需流量（1.0kg/s）和压力（0.7 MPa）的技术要求，结构牢固，不能发生部件脱离，打坏发动机的可能。由于喷射架固定于进气道唇口处，工作流体压力0.7 MPa，并且发动机处于冷运转状态，避免喷射架与飞机共振是计算分析和工程化必须考虑的首要问题。因此，计算以预工程化模型为基本依据，材料为1Cr17Ni2A。清洗在发动机冷运转状态下进行，某型发动机冷运转的工作状态为：涡轮起动机带转时间为50 s，发动机高压转子5 s后开始转动，发动机产生的频率约为39.9～44.3Hz。

1.2 喷射架强度计算与振动分析的理论模型

喷射架受迫振动模型的动力学方程为：

式（1）中：[M]是质量矩阵；[C]是阻尼矩阵；[K]是刚度矩阵；{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。

喷射架无阻尼自由运动方程为：

喷射架模型的自由振动为简谐振动，即位移为正弦函数，即

代入式（2）得

特征值ωi对应的特征向量为自振频率对应的振型。

1.3 计算结果分析

利用有限元对喷射架进行结构静力强度和模态计算分析，输入材料参数：密度为7.93×10-9t/mm3，弹性模量为206 GPa，泊松比为0.3，质量为22.36kg。发动机在清洗工作状态时，气流流速很低，喷射架迎风面积又很小，故在强度计算时忽略了气动载荷[17-18]。

喷射架在工作过程中，除了承受自身重量外，只有输液管道内承受1 MPa内载荷。最大应变为2.312×10-5，位置处在输液导管与连接块连接处，如图3所示；最大变形量为5.981×10-2mm，位置处于喷嘴连接处，如图4所示。结构强度完全满足要求。

本计算对喷射架进行了10阶分析，见表1，但工程上关注前4阶就可以满足要求，前4阶振型如图5所示。

表1 喷射架10阶固有频率Tab.1 10-order natural frequency of spray frame

通过每阶的振型分析，可以得到喷射架振动方向，最大变形量及其位置。1阶振动方向是垂直方向，最大变形位置在前连接块后部；2阶振动方向是水平方向，最大变形位置在喷射架前中部；3阶振动方向也是垂直方向，但是喷射架中部和头部运动方向相反，最大变形位置在安装喷嘴接头。从上述振型结果可看出，喷射架采用空间大三角和中部小三角支撑结构完全能够满足工作时的稳定性。

2 飞机进气道唇口测振分析

本次试验采用环氧树脂胶，在某型舰载机右进气道唇口下方固定一压电式振动传感器，通过这个测量点对进气道在冷运转状态的振动进行测量。由于发动机的轴线与进气道截面中心线偏差不大，并且方向一致，该测量点的数值基本能够反映对进气道其他方向的影响[19]。

2.1 左发冷运转测振

根据振动测量曲线可知：左发动机冷运转，对右进气道唇口振动影响不大，并且实际清洗过程中也不会出现这种情况。振动测量曲线如图6所示，振动频率为485Hz，振幅1.506 m/s2。

2.2 右发冷运转测振

右发动机冷运转时，振动测量曲线如图7所示。通过频谱分析可得到6个高能量的频率，其余频率下的能量非常弱，可不予考虑，具体数值如表2所示。

表2 右进气道测振频谱值（右发动机冷运转）Tab.2 Measured vibration spectrum values of right inlet（right engine in cold operation state）

2.3 测量结果分析

对比喷射架的结构静力模态计算结果和进气道唇口测振试验结果可看出，喷射架的一阶频率为48.33Hz，而发动机冷运转时进气道唇口振动频率大于等于92.5Hz。喷射架固有频率与清洗时发动机进气道唇口振动频率没有耦合，所以发动机冷运转状态下的振动不会对清洗造成影响。

3 模拟环境振动试验验证

在测得飞机进气道唇口的振动频谱后，以此为依据设计进行模拟环境振动试验来进一步验证其对清洗喷射架的影响。模拟环境振动试验是模拟发动机在冷转状态下，飞机进气道唇口处的振动对喷射架的影响，采用正弦定频试验，检验方法为无损探伤。根据进气道唇口测振试验所测得的振动频率谱值制定模拟进气道唇口环境振动试验规范如表3所示。模拟环境振动试验测试系统框图如图8所示。

表3 模拟进气道唇口振动试验规范（垂直方向）Tab.3 Standard specification of simulated inlet lip vibration test

喷射架试验时，固定方式应与飞机上相同。为提高试验结果的精度，尽量减少失真，连接架应质量轻、刚度大、第一阶固有频率高于试验要求的最高频率。试验输入精度频率范围为：基准值±2Hz，振幅范围为基准值±0.5 m/s2。每个状态试验总时间为48 h，每个频段8 h。试验步骤如下：

1）将连接架固定于振动试验台上。为降低连接架对测试结果的影响，应使用高强度的螺栓固定，使之有足够的预紧力，防止连接架松动。

2）将喷射架安装到连接架上。固定方式应与飞机上使用相同。

3）连接好振动试验相关设备，并开机预热。

4）调整激振器频率至试验频段，开始计时。8 h调整一次频段，频段由低至高单程连续试验。

5）总试验时间结束，对喷射架进行无损探伤。无损探伤结果没有任何缺陷，方可进行下一状态试验。

6）将试验结果记录至表4中。

根据模拟环境振动试验数据结果及对喷射架进行密封性和着色检查等，没有发现焊缝有开裂现象，也没有任何漏点，说明发动机冷运转下的振动不会对喷射架造成损坏，也不会对发动机清洗造成影响。

表4 模拟环境振动试验数据记录Tab.4 Data record of simulated environmental vibration tests

4 结论

本文利用有限元数值仿真对喷射架进行了结构静力强度和模态计算分析，根据计算得到的喷射架各转接处的最大应变可确定喷射架结构强度满足要求。针对模态分析得到的喷射架的一阶频率为48.33Hz，设计进行了发动机进气道唇口测振试验，得到发动机在冷运转状态下，进气道唇口振动频率大于等于92.5Hz，分析可得：喷射架固有频率与冷运转清洗时发动机进气道唇口振动频率没有耦合。为进一步验证结论，设计进行了模拟环境振动试验，根据试验数据以及对喷射架进行密封性和着色检查的结果可得：喷射架没有发现焊缝有开裂现象，也没有任何漏点，进一步说明发动机冷运转状态下的振动不会对喷射架造成损坏，也不会对发动机清洗造成影响。

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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

“泰山学者”建设工程专项经费资助项目

李本威（1962-），男，教授，博士，博导。