飞机发动机安装系统隔振设计及振动特性分析

王 典， 黄尚友， 阚玉平， 房 静

(西安飞机工业(集团)有限责任公司西飞设计院,西安 710089)

航空发动机是飞机的主要振源之一,发动机振动通过安装系统传递到飞机机体上,引起飞机舱内噪声及机体振动,导致部分机载设备损坏,影响飞行安全。美国民航规章FAR-25和中国民航规章CCAR-25也明确规定为了降低发动机振动引起的响应,发动机安装装置应采取隔振措施或吸能装置[1]。

近年来,研究者越来越关注发动机安装系统隔振设计。Rancourt等[2]通过试验对比研究了发动机隔振安装与硬安装的振动传递效率,表明隔振安装的必要性。Taylor等[3]研究了活塞式螺旋桨发动机的会聚式安装系统的振动解耦方法。Depriest[4]引入传递率和性能比的概念,并介绍了一系列隔振安装有效措施。Swanson等[5]推导了活塞螺旋桨发动机安装系统的隔振效率计算公式,并以其为目标函数对隔振器刚度进行了优化设计。施荣明[6]提出利用黏弹性阻尼隔振结构块进行航空发动机的三向隔振的分析和设计方法研究,在飞机前设备舱能降低振动载荷15%,则可提高动强度寿命2.5倍。林国政[7]阐述了典型翼吊商用飞机涡桨发动机安装减振器能有效提高隔振性能。陈永辉等[8]首次提出采用振动能量解耦理论开展某型涡轮螺旋桨发动机安装系统的隔振设计方案。陈熠等[9]分析了高涵道比涡扇发动机通过机翼向机身结构传递的载荷特性,用于指导发动机隔振安装设计。宋波涛等[10]分析了翼吊发动机吊架结构的减振特性,并研究了吊架结构减振效果与结构动刚度的关系。许飞等[1]研究了隔振器参数和安装位置对安装系统隔振性能的影响规律。王会利等[11]研究了某型涡桨发动机隔振系统的动态特性,计算了系统的固有频率及隔振效率。

上述文献均未从振动解耦角度研究涡扇发动机的隔振系统设计。现以某型涡扇发动机安装系统隔振设计为研究目标,开展六自由度隔振设计,研究多个隔振器三轴静刚度对发动机安装系统固有频率及解耦率的影响,为隔振器的结构设计提供参数输入。并对该系统进行频域分析,计算六自由度振动传递率,研究隔振设计方法的有效性。

1 发动机安装系统理论模型

1.1 安装系统动力学方程的建立

某涡扇发动机安装系统六自由度模型如图1所示,为双安装面4点安装形式。在进行安装系统隔振设计时,由于发动机的刚度远大于隔振装置的刚度,因此将发动机视作刚体,由4个橡胶隔振器支承在发动机安装架上,每个隔振器可简化为三向正交的弹簧阻尼元件,在微小振幅作用下,阻尼对结构固有频率的影响较小,可忽略不计。坐标系原点为发动机重心,X轴沿发动机轴线,向前为正；Y轴垂直于X轴,向上为正；Z轴与X、Y轴构成右手坐标系,向右为正。

图1 发动机安装系统六自由度模型Fig.1 6-DOF model of the engine installation system

建立安装系统六自由度无阻尼自由振动方程:

式(1)中，M、K分别为系统的质量及刚度矩阵。

将矩阵M、K代入系统的特征方程中:

|K-ω2M|=0 (2)

可求得系统的固有频率ω1<ω2<…<ω6,并将所求的频率代入式(1),可求得各阶振型矩阵φ。

1.2 能量法解耦

能量法解耦是根据六阶振型得到系统在各个自由度的能量分布,将六阶模态能量分别集中到能量占优的自由度上,达到振动解耦的目的。当系统以第i阶固有频率振动时的总能量为

则第k行第l列的能量为

式中：φi为φ的第i个列向量,即第i阶振型矩阵；φik、φil分别是φi的第k及第l个元素；Mkl是质量矩阵的第k行第l列元素；ωi为系统第i阶固有频率；i,k,l=1,2,…,6。

由此可以得系统第i阶固有频率振动时,第k个广义坐标分配的能量占系统总能量的百分比(即解耦率)为

解耦率的变化范围为0～100%,解耦率为100%时,则该阶模态振动完成解耦。

2 发动机安装系统隔振设计

2.1 隔振器参数设计

某涡扇发动机质量为2 664 kg,发动机三轴转动惯量、在发动机质心坐标系下的安装坐标如表1、表2所示。

表1 发动机转动惯量Table 1 Inertia properties of the engine

表2 隔振器安装坐标Table 2 Inertia coordinates of each isolator

忽略外力、扭转刚度,在低频激励下阻尼器的影响用动刚度描述,弹性主轴的动刚度取为主轴静刚度的1.3倍。后安装点不传递发动机推力,因此后安装面隔振器无航向刚度。根据弹性中心的定义:作用于被支承物体上的一个任意方向的外力,让被支承物只会发生平移运动,而不会产生转动的点,就成为安装系统的弹性中心,即安装系统6个自由度上的弹性中心落在发动机质心处,以消去刚度矩阵的耦合项,就可以得到振动解耦,则可得到以下方程:

图对系统解耦率的影响Fig.2 Influence of on the decoupling ratios

图对固有频率的影响Fig.3 Influence of on natural frequencies

图对系统解耦率的影响Fig.4 Influence of on the decoupling ratios

图对固有频率的影响Fig.5 Influence of on natural frequencies

图对系统解耦率的影响Fig.6 Influence of on the decoupling ratios

图对固有频率的影响Fig.7 Influence of on natural frequencies

表3 各隔振器的静刚度Table 3 Static stiffness of each isolator

表4 安装系统固有频率和解耦率Table 4 Frequencies and decoupling ratios of the mounting system

由表4可知:安装系统固有频率均在50 Hz以下,满足隔振要求。Y轴和绕X轴两个方向的固有频率间隔1.9 Hz,满足相邻两阶固有频率至小间隔0.5～1 Hz的要求。各向解耦率均能达到85%以上,沿Y轴实现了独立振动,隔振效果良好。

2.2 振动传递率仿真

对安装系统通过模态叠加法计算0～160 Hz范围内六自由度的振动传递率,X轴、Y轴、Z轴、绕X轴、绕Y轴、绕Z轴振动传递率曲线如图8、图9所示。

图8 X、Y、Z轴传递率曲线Fig.8 Vibration transmissibility curve in X、Y、Z directions

图9 绕X轴、绕Y轴、绕Z轴传递率曲线Fig.9 vibration transmissibility curve in RX、RY、RZ directions

从图8、图9可知,传递率曲线中峰值频率对应各向的固有频率,绕Z轴传递率曲线中有两个峰值接近的共振峰,这是由于该方向在峰值频率处的振动耦合程度较高,其余自由度方向均存在很弱的振动耦合,基本满足工程实际需求。另外,在发动机一阶固有频率处(150 Hz)安装系统各向振动传递率均接近0,隔振效果良好,表明了安装系统隔振设计方法的有效性。

3 结论

为提高航空发动机隔振性能,以某涡扇发动机双安装系统为研究对象,采用弹性中心理论及能量解耦原理,开展了六自由度隔振设计,优选出各点隔振器的刚度参数,计算了安装系统固有频率及振动传递率,并研究了安装系统六自由度方向振动传递率,得到如下结论。

(2)计算优选隔振器刚度条件下安装系统解耦率、固有频率及振动传递率。安装系统各方向解耦率均达到85%以上,前6阶固有频率均在50 Hz以下,处于隔振区域,提高了系统隔振性能,满足了发动机隔振设计的要求,安装系统在发动机一阶固有频率(150 Hz)处各向振动传递率均接近0,验证了隔振设计方法的有效性。提出的涡扇发动机安装系统的隔振设计方法,为飞机涡扇发动机隔振设计提供了有益的参考,对机体降噪设计也有重要的意义。