郭政波 劉振剛 楊雄

摘要：在飛行試驗(yàn)中考核航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能特性時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口的大氣總溫和總壓是必不可少的關(guān)鍵參數(shù)，需要在進(jìn)氣道出口加裝總溫總壓測(cè)頭。為了確保測(cè)頭的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能夠滿足要求，同時(shí)不造成大的總壓損失和進(jìn)氣畸變，需要對(duì)測(cè)頭裝機(jī)的強(qiáng)度及氣動(dòng)性能進(jìn)行分析，主要包括測(cè)頭的強(qiáng)度校核和模態(tài)分析以及測(cè)頭對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道性能及穩(wěn)定性的影響評(píng)估兩個(gè)方面。通過(guò)以上分析確保了測(cè)頭裝機(jī)的安全性和功能性能指標(biāo)，推進(jìn)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)試飛工作的順利開(kāi)展，同時(shí)也為后續(xù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)中測(cè)頭的設(shè)計(jì)和使用等提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：性能特性;總溫總壓測(cè)頭;總壓損失;進(jìn)氣畸變;模態(tài)分析

中圖分類號(hào)：V231.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

現(xiàn)代航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)是集熱機(jī)與推進(jìn)器于一體的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)，涉及氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、材料、控制等多學(xué)科，具有高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速等苛刻的工作條件，為了驗(yàn)證新研發(fā)動(dòng)機(jī)的功能和性能，在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)定型試飛期間，通常需要在航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口與進(jìn)氣道出口之間的位置加裝專用測(cè)頭測(cè)量航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口截面的壓力參數(shù)和溫度參數(shù)[1]。由于加裝測(cè)頭會(huì)帶來(lái)一定的進(jìn)氣道總壓損失和進(jìn)氣畸變，降低進(jìn)氣道的穩(wěn)定性，因此在確定方案前，有必要分析和評(píng)估測(cè)頭裝機(jī)后對(duì)進(jìn)氣道性能及穩(wěn)定性的影響[2]，以保證測(cè)頭裝機(jī)后的可靠性。

考慮到若測(cè)頭固有頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)或氣流激勵(lì)頻率相吻合，則會(huì)產(chǎn)生諧共振現(xiàn)象，容易造成測(cè)頭損傷甚至斷裂，危及飛行安全。因此，必須對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析、強(qiáng)度校核等工作，以保證測(cè)頭裝機(jī)后的安全性[3]。

1 測(cè)頭安全性分析

測(cè)頭三維數(shù)模圖如圖1所示。測(cè)頭由測(cè)頭主體、管接嘴、熱電阻、總壓管、端面堵蓋等零部件組成，零部件（除鉑電阻外）材料全部采用1Cr18Ni9Ti板材或棒材制成。測(cè)頭安全性分析主要包含強(qiáng)度校核和模態(tài)分析[4，5]。

1.1 測(cè)頭強(qiáng)度校核

測(cè)頭加裝在飛機(jī)進(jìn)氣道上后，為了保證其在使用過(guò)程中不會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，對(duì)測(cè)頭進(jìn)行了強(qiáng)度校核。

（1）測(cè)頭使用環(huán)境

環(huán)境壓力：0～150kPa，環(huán)境溫度：-65～85℃，馬赫數(shù)：0～1.0。

（2）測(cè)頭強(qiáng)度校核

測(cè)頭結(jié)構(gòu)如圖1所示，零部件（除鉑電阻外）材料全部采用1Cr18Ni9Ti板材或棒材制成。

下面對(duì)主體材料進(jìn)行抗彎強(qiáng)度校核。

正常工作的條件是：式中：M_max為最大彎矩，單位為N·m;W_Z為抗彎截面模量，單位為m³。

測(cè)頭深入測(cè)量部分有效長(zhǎng)度為32mm，迎風(fēng)有效面積如圖2所示，則計(jì)算迎風(fēng)面積為：

A=3.2-10^-4m²

根據(jù)使用情況，主體的根部截面為危險(xiǎn)截面，尺寸如圖3所示。

在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作中最嚴(yán)苛的環(huán)境條件下進(jìn)行測(cè)頭強(qiáng)度校核，即發(fā)動(dòng)機(jī)工作包線右下角試驗(yàn)點(diǎn)：Ma=0.85，H=4750m，此時(shí)在氣流速度最大的情況下密度也最大。

計(jì)算得到最大氣流速度：

v_max=340×0.85=289m/s

由于測(cè)頭使用環(huán)境海拔高度H為4750m，查表計(jì)算可得環(huán)境實(shí)際壓力為55.6kPa，環(huán)境溫度為-15.9℃，空氣密度為：

可求得主體迎風(fēng)面受總載荷為：

F=p_max×A=10.1N

因計(jì)算彎矩時(shí)，作用在桿件上的均布載荷可以等效為作用在其中間處的一個(gè)集中力，這個(gè)集中力的大小與總載荷大小相等，則：

重心y為9.425×10^-3m，可得：

選擇材料為1Cr18Ni9Ti不銹鋼材質(zhì)，常溫時(shí)材料s_b=539MPa，安全系數(shù)取n=3，則許用強(qiáng)度[σ]=179.7MPa。

σ=2.29MPa≤[σ]=179.7MPa，因此測(cè)頭強(qiáng)度能夠滿足使用要求。

1.2 測(cè)頭模態(tài)分析

測(cè)量裝置的材料選用1Cr18Ni9Ti，其彈性模量E=206GPa，泊松比m=0.3，密度r=7850kg/m3[3]。

ANSYS軟件提供了4種便捷、高質(zhì)量的對(duì)模型網(wǎng)格劃分方法。對(duì)測(cè)量裝置主要工作部分（主體骨架）網(wǎng)格采用Patch Independent方式，網(wǎng)格大小為0.5mm;輔助部分（安裝座）采用默認(rèn)劃分方式，網(wǎng)格大小為lmm。劃分后共有219496個(gè)節(jié)點(diǎn)，136626個(gè)單元，其有限元網(wǎng)格劃分的計(jì)算網(wǎng)格模型如圖4所示[6，7]。

由于測(cè)量裝置的主要工作部位以及承力部位為主體骨架，因此主要分析主體骨架部分的動(dòng)態(tài)特性。采用ANSYS軟件計(jì)算得測(cè)量裝置主體骨架前六階的固有頻率和振型如圖5～圖10所示。

從圖5～圖10可以得到相關(guān)參數(shù)，見(jiàn)表1。

可以算出發(fā)動(dòng)機(jī)在慢車狀態(tài)與最大狀態(tài)之間工作時(shí)，對(duì)應(yīng)的頻率范圍為354.45～685.4Hz，對(duì)比表1可得，f_max遠(yuǎn)小于測(cè)量裝置的最小固有頻率，因而此測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)合理、安全，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。

2 安裝測(cè)頭對(duì)進(jìn)氣道性能及穩(wěn)定性分析

2.1 物理模型

圖11為測(cè)頭的安裝位置三維數(shù)模圖：測(cè)頭安裝截面距離進(jìn)氣道出口截面76mm，測(cè)頭伸人流道深度為32mm。

2.2 分析理論

采用流體計(jì)算軟件進(jìn)行帶前全機(jī)身的進(jìn)氣道流場(chǎng)分析，模擬狀態(tài)為發(fā)動(dòng)機(jī)地面最大狀態(tài)，計(jì)算設(shè)置、邊界條件及計(jì)算狀態(tài)設(shè)置如下[8～10]：

（1）計(jì)算設(shè)置

湍流模型采用SST模型，壁面函數(shù)采用自適應(yīng)壁面函數(shù)，空間及黏性項(xiàng)離散采用高階迎風(fēng)格式。

（2）邊界條件設(shè)定

遠(yuǎn)邊界：遠(yuǎn)場(chǎng)大氣邊界條件94.8kPa;隔道出口：靜壓邊界;進(jìn)氣道出口：發(fā)動(dòng)機(jī)邊界條件，發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)換算轉(zhuǎn)速1.0;機(jī)身、隔道、探針，進(jìn)氣道壁面：無(wú)滑移壁面邊界條件。

（3）計(jì)算狀態(tài)

雙發(fā)地面最大工作狀態(tài)。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

2.3.1 帶測(cè)耙后的流動(dòng)分析

圖12為不帶測(cè)耙和帶測(cè)耙后總壓云圖，對(duì)比兩種模式下的總壓分布云圖，等壓線的形狀和位置梯度大小基本一致，圖譜相似度很高，僅在4支總壓測(cè)耙的位置能夠明顯看到測(cè)耙造成的損失。圖13給出了測(cè)耙區(qū)域的流線圖和進(jìn)氣道出口局部總壓分布，從圖中可以看出，氣流在經(jīng)過(guò)測(cè)頭后由于繞流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了明顯的壓力損失，并且隨著流動(dòng)向下游發(fā)展逐漸擴(kuò)散到進(jìn)氣道出口，但是由于測(cè)頭高度較小，測(cè)頭的影響集中在進(jìn)氣道出口壁面，對(duì)整個(gè)進(jìn)氣道出口整體高低壓區(qū)分布影響較小。

2.3.2 性能和穩(wěn)定性分析

表2給出了兩種計(jì)算模型下進(jìn)氣道出口性能參數(shù)的變化，從表中可以看出測(cè)耙對(duì)進(jìn)氣道性能幾乎沒(méi)有影響。

表3給出了兩種計(jì)算模型下進(jìn)氣道出口周向畸變參數(shù)的變化，從表中可以看出帶測(cè)耙后周向畸變指數(shù)有所變小，由圖12可以看出，安裝的4支探針大多數(shù)位于高壓區(qū)內(nèi)，探針的尾跡造成原高壓區(qū)平均總壓下降，從而造成帶測(cè)頭時(shí)周向畸變指數(shù)的計(jì)算結(jié)果較不帶測(cè)頭時(shí)更小。

因此可以得出結(jié)論，安裝本方案的測(cè)頭對(duì)進(jìn)氣道造成的性能損失和進(jìn)氣畸變可以忽略。3結(jié)論

首先對(duì)總溫總壓測(cè)頭進(jìn)行強(qiáng)度校核和模態(tài)分析，然后基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）仿真計(jì)算評(píng)估了測(cè)頭裝機(jī)對(duì)進(jìn)氣道性能及穩(wěn)定性的影響，確保了測(cè)頭裝機(jī)的安全性和可行性，有力地保證了發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)試飛的順利開(kāi)展，形成了一套測(cè)頭裝機(jī)前完整的分析評(píng)估理論，為后續(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)試飛中測(cè)頭的設(shè)計(jì)和裝機(jī)可行性分析提供參考依據(jù)。

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