關于航空發(fā)動機外部管路的振動響應分析論文
發(fā)動機管路系統(tǒng)是發(fā)動機系統(tǒng)的核心部件，發(fā)動機工作環(huán)境通常十分惡劣，管路系統(tǒng)所產(chǎn)生的振動故障往往會引起發(fā)動機的運行失常，產(chǎn)生各種事故。通過對發(fā)動機管路進行工況監(jiān)測和故障診斷，從中找出故障原因和類型，可以防患于未然。以下是學習啦小編今天為大家精心準備的：關于航空發(fā)動機外部管路的振動響應分析相關論文。內(nèi)容僅供參考，歡迎閱讀!
關于航空發(fā)動機外部管路的振動響應分析全文如下：
【摘要】：針對航空發(fā)動機外部管路的動力學設計需求,采用基于試車實測數(shù)據(jù)的振動響應求解方法,對典型管路的振動響應特性進行了計算分析。研究結果表明:在風扇機匣位置的管路主要承受轉(zhuǎn)子不平衡和風扇氣動激勵,表現(xiàn)為典型的簡諧激勵特征,可采用諧響應分析方法求解其振動響應。低階振型對管路的動態(tài)特性起決定作用,振動能量輸入導管結構后,響應輸出方向可能發(fā)生變化。在燃燒室及尾噴口位置的管路主要承受來自于燃燒室火焰脈動和氣動噪聲激勵,表現(xiàn)為典型的隨機激勵特征,可采用動力學譜密度方法求解其振動響應,得到功率譜密度響應曲線及具有一定置信度的位移分布和應力分布。
【關鍵詞】： 振動響應 外部管路 振動環(huán)境 功率譜密度 諧響應分析 動力學譜分析 航空發(fā)動機
引言
長期以來，由振動引起的航空發(fā)動機外部管路失效一直是影響發(fā)動機可靠性的重要問題之一。如某渦噴發(fā)動機定型試飛時發(fā)生油管破裂，造成2級事故;配裝某渦扇發(fā)動機的飛機返回時發(fā)現(xiàn)加油管破裂，此外還發(fā)生多起管路與卡箍以及管路與管接頭的振動故障囚。因此，研究發(fā)動機外部管路的振動響應特征具有重要意義。
羅明澤等利用有限元方法對某一管路進行模態(tài)分析計算，找到了其發(fā)生泄漏的原因，并采取措施解決了共振問題;賈志剛田等用有限元方法分析了影響管路固有頻率的主要結構參數(shù);侯文松等利用有限元方法研究分析了材料、直徑、油液等因素對管路固有頻率的影響。國內(nèi)對于航空發(fā)動機外部管路的研究大多局限于管路的固有振動特性，而忽略了管路所處的環(huán)境對其振動響應的影響。
由于管路的振動響應與激勵環(huán)境密切相關，本文首先通過對發(fā)動機試車數(shù)據(jù)分析，得到管路外部振動環(huán)境的特征;在此基礎上，分別采用諧響應分析和譜分析方法對風扇機匣外部管路和燃燒室外部管路進行振動響應的計算分析，獲得管路在發(fā)動機實際工作狀態(tài)下的響應特征，為外部管路的結構設計提供技術參考。
1航空發(fā)動機外部管路振動環(huán)境
管路多安裝于發(fā)動機機匣外部，承受發(fā)動機轉(zhuǎn)子不平衡激勵、附件傳動齒輪嚙合激勵、氣動激勵以及燃燒噪聲等載荷的綜合作用，當激勵頻率與管路系統(tǒng)固有頻率接近時，將引起管路共振導致較大的振動應力。由于發(fā)動機機匣不同截面振動能量的頻域分布特征并不相同，必須基于發(fā)動機試車中的實測數(shù)據(jù)獲取各管路的振動環(huán)境特征。
1.1測試方法
通過接觸式加速度傳感器對發(fā)動機機匣典型截面位置的振動信號進行測試，采樣頻率為10240 H z,采用快速傅里葉變換和功率譜密度分析獲得信號的頻率特性，從而確定發(fā)動機外部管路安裝位置的振動環(huán)境特征。
1.2試驗結果
試驗測得風扇機匣位置在某工況下功率譜密度曲線，X是低壓轉(zhuǎn)子的倍頻，X是高壓轉(zhuǎn)子的倍頻。結合其它轉(zhuǎn)速工況的振動測試結果，可知安裝于風扇機匣位置的管路主要承受風扇葉片的氣動激勵16X，高、低壓轉(zhuǎn)子的不平衡激勵1X、和1X。
燃燒室位置在某工況下功率譜密度曲線。結合其它轉(zhuǎn)速工況的振動測試結果可知，燃燒室、渦輪后機匣的振動能量主要來自于燃燒室火焰脈動和氣動噪聲激勵，因此在5002800 H z較寬的頻段內(nèi)一直具有較大的振動能量分布，表現(xiàn)為隨機激勵的頻域特征;其次是高、低壓轉(zhuǎn)子不平衡激勵及其倍頻成分。這與文獻得到的結論一致。
1.3結果分析
通過對發(fā)動機外部振動環(huán)境的測試，可以得出以下結論:
(1)在風扇機匣位置的管路主要承受轉(zhuǎn)子不平衡及其倍頻激勵和風扇氣動激勵等，表現(xiàn)為典型的簡諧激勵特征;
(2)在燃燒室及尾噴口位置的管路主要承受來自于燃燒室火焰脈動和氣動噪聲激勵，表現(xiàn)為典型的隨機激勵特征。
2 風扇機匣外部管路的振動響應分析
根據(jù)激勵環(huán)境測試結果，安裝在風扇機匣等位置附近的管路系統(tǒng)主要承受周期性載荷作用，可采用諧響應分析方法對其振動響應進行求解。
諧響應分析是求解結構在簡諧載荷作用下的穩(wěn)態(tài)響應求解技術，通過諧響應分析可以得到管路系統(tǒng)在多種頻率下的響應特征，如位移分布、應力分布等，并可以得到響應參數(shù)隨頻率變化曲線田。在結構的諧響應分析中，可以通過分析結果預測結構振動情況，并進一步通過改善激勵和結構來達到降低振動響應的目的。
2.1有限元模型及邊界條件
某發(fā)動機空間管路有限元模型。其材料為 1Cr18Ni9Ti，彈性模量為 1.84#105MPa，泊松比為 0.3，密度為 7900 kg/m3，外徑 8 mm，壁厚 1 mm，管路兩端固支。沿 Y 方向在管路的卡箍處(在 1 和 2 位置上)施加幅值為 10 N 的載荷，結構阻尼比為 0.03，求解步長為 2 Hz。
2.2 計算結果分析對管路的有限元模型進行諧響應分析，可得到在0~400 Hz 頻率范圍內(nèi)管路的位移和應力。圖中 MX 是指最大位移或應力處。管路在該轉(zhuǎn)速下最大位移值為0.385 mm，最大應力值為 22.27 MPa，均在圖中 MX處。根據(jù) GJB 3816-1999，滿足外徑為 8 mm 的導管允許最大工作應力為 38 MPa，說明該導管在額定工作狀態(tài)下是安全的。依據(jù)該方法，可以得到管路在發(fā)動機不同轉(zhuǎn)速下的最大振幅值和最大應力值及其出現(xiàn)位置，對照手冊相關規(guī)定，檢查是否符合技術要求。求得在 0~400 Hz 頻率范圍內(nèi)管路某關鍵點的頻率 - 位移響應曲線。在相同幅值激勵作用下，低階模態(tài)的振動響應遠大于高階模態(tài)的。因此，低階振型對管路的動態(tài)特性起決定作用;雖然載荷僅施加于 方向，但管路的振動響應在 3個方向均有一定體現(xiàn)，這是由于發(fā)動機中的導管形狀非常復雜，一般是空間 3 維走向，各階模態(tài)振型也表現(xiàn)為空間的振動特征。因此，激振能量輸入導管結構后，輸出方向可能發(fā)生變化。
3 燃燒室機匣外部管路的振動響應分析
根據(jù)激勵環(huán)境測試結果，安裝在燃燒室附近的管路系統(tǒng)主要承受隨機性載荷作用。本文將根據(jù)某發(fā)動機燃燒室工況，參照文獻中所述方法，對其振動數(shù)據(jù)進行整理和歸納，得到其振動功率譜密度，如圖7所示。將其定義為某管路的基礎激勵，然后采用動力學譜分析的方法對管路進行隨機振動響應的求解。
譜分析是1種將模態(tài)分析的結果與1個已知的譜聯(lián)系起來計算結構響應的分析技術，主要用于確定結構對隨機載荷或隨時間變化載荷的動力響應。功率譜密度實際上就是將原來對時間域的振動描述轉(zhuǎn)化為對頻率域的振動描述，反映了隨機過程統(tǒng)計參量均方值在頻率域上的分布，即在各頻率域上，振動能量的概率分布。將功率譜密度描述作為輸入，對某一 L 型彎管進行譜分析，材料為 1Cr18Ni9Ti，彈性模量為1.84#105MPa，泊松比為 0.3，密度為 7900 kg/m3，外徑 12 mm，壁厚 1 mm，管路兩端固支。分析結束進入后處理，針對某點徑向位移響應值，繪制位移功率譜密度響應曲線，結構在隨機載荷作用下，主要對第 1 階振型振動敏感，表現(xiàn)為彎曲振動的響應特征。
4 結論
在風扇機匣位置的管路主要承受轉(zhuǎn)子不平衡及其倍頻激勵"風扇氣動激勵等，表現(xiàn)為典型的簡諧激勵特征，可采用諧響應分析方法求解其振動響應。低階振型對管路的動態(tài)特性起決定作用，振動能量輸入導管結構后，響應輸出方向可能產(chǎn)生變化。在燃燒室及尾噴口位置的管路主要承受來自于燃燒室火焰脈動和氣動噪聲激勵，表現(xiàn)為典型的隨機激勵特征?？刹捎脛恿W譜密度方法求解其振動響應，得到功率譜密度響應曲線及具有一定置信度的位移分布和應力分布。
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