張校東，萬(wàn)媛媛，薛秀生，王曉良，劉忠奎

(1.中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽(yáng) 110015；2.重慶空天推進(jìn)技術(shù)研究院，重慶 401120)

1 引言

隨著飛機(jī)飛行速度以及機(jī)動(dòng)性能要求的不斷提高，現(xiàn)代飛機(jī)進(jìn)氣道和航空發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配問(wèn)題越來(lái)越突出，并已受到行業(yè)內(nèi)人士的普遍重視。進(jìn)發(fā)匹配試驗(yàn)是發(fā)動(dòng)機(jī)研制階段的一個(gè)重要內(nèi)容，而發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口流場(chǎng)測(cè)量也是進(jìn)發(fā)匹配相關(guān)試驗(yàn)的主要測(cè)試項(xiàng)目。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口流場(chǎng)測(cè)量均采用進(jìn)氣道測(cè)量耙來(lái)獲取進(jìn)氣道出口溫度和壓力場(chǎng)分布。國(guó)內(nèi)用于小型發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣畸變?cè)囼?yàn)測(cè)試的進(jìn)氣道測(cè)量耙發(fā)展比較成熟，而用于大型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的大尺寸進(jìn)氣道測(cè)量耙的研制及應(yīng)用還尚屬起步階段。為此，有必要進(jìn)行大尺寸進(jìn)氣道測(cè)量耙的研制。文獻(xiàn)[9]～[11]詳細(xì)介紹了一種發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣畸變測(cè)試耙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和測(cè)試改裝方法，并完成了相關(guān)振動(dòng)、動(dòng)應(yīng)力等基礎(chǔ)性能試驗(yàn)。

由于大型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道直徑較大，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口流場(chǎng)測(cè)量所需的進(jìn)氣畸變測(cè)試耙伸入到主流道的尺寸較長(zhǎng)，形成了一種單支點(diǎn)、長(zhǎng)懸臂的結(jié)構(gòu)。受發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口持續(xù)高速、高壓氣流的氣動(dòng)載荷和發(fā)動(dòng)機(jī)本身不間斷的強(qiáng)烈振動(dòng)影響，這將對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)試車安全造成很大的威脅。本文首次基于振動(dòng)抑制的思路，采用浮動(dòng)內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)連接各耙臂，設(shè)計(jì)了一種發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣畸變測(cè)試耙，并將其成功應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口流場(chǎng)測(cè)量，獲得了良好的工程使用效果。

2 進(jìn)氣畸變測(cè)試耙方案設(shè)計(jì)

2.1 整體方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的進(jìn)氣畸變測(cè)試耙包括6 支耙臂和1 個(gè)浮動(dòng)內(nèi)環(huán)。利用浮動(dòng)內(nèi)環(huán)將耙臂相互連接，使其從單懸臂結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)椤肮讨?簡(jiǎn)支”的形式，同時(shí)利用裝配間隙主動(dòng)調(diào)節(jié)其頻率。進(jìn)氣畸變測(cè)試耙結(jié)構(gòu)如圖1所示。每支耙臂利用安裝座上圓柱段與機(jī)匣安裝孔配合，采用4 個(gè)螺釘緊固的方法安裝在機(jī)匣上。耙臂上沿發(fā)動(dòng)機(jī)徑向按照等環(huán)面布置5 個(gè)總壓測(cè)點(diǎn)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口氣流方向比較穩(wěn)定，故總壓測(cè)點(diǎn)采用球窩型。進(jìn)氣畸變測(cè)試耙耙臂和浮動(dòng)內(nèi)環(huán)外形均設(shè)計(jì)成流線型或圓弧過(guò)渡，以減小氣動(dòng)載荷和降低受感部對(duì)后面流場(chǎng)的干擾。

圖1 進(jìn)氣畸變測(cè)試耙結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural sketch of rake arrangement for intake distortion test

2.2 浮動(dòng)內(nèi)環(huán)連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于每支耙臂較長(zhǎng)，為更好地抑制耙臂的振動(dòng)，提高進(jìn)氣畸變測(cè)試耙整體抗振能力，在耙臂與內(nèi)環(huán)之間設(shè)計(jì)一種浮動(dòng)連接結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

首先將浮動(dòng)內(nèi)環(huán)按照?qǐng)D2所示方向置于流道中央，同時(shí)將6支耙臂分別插入流道中，并確保耙臂端部圓柱分別插進(jìn)浮動(dòng)內(nèi)環(huán)盲孔中，然后依次預(yù)緊同一直徑方向上2 支耙臂的安裝螺釘，保證耙臂與內(nèi)環(huán)之間的配合間隙滿足一定的要求。進(jìn)氣畸變測(cè)試耙在發(fā)動(dòng)機(jī)上安裝時(shí)，耙臂端部圓柱平面與內(nèi)環(huán)的圓孔端面沿發(fā)動(dòng)機(jī)徑向預(yù)留一定間隙，耙臂端部圓柱面和內(nèi)環(huán)上對(duì)應(yīng)盲孔圓周面之間，同樣存在一定的配合間隙。內(nèi)環(huán)在空間上只限制了3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和沿發(fā)動(dòng)機(jī)軸向的線性自由度，在測(cè)試截面徑向及周向預(yù)留了一定的位移調(diào)整空間。

圖2 耙臂和內(nèi)環(huán)的浮動(dòng)連接結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural sketch of floating connection between rake arm and inner ring

由于每支耙臂與內(nèi)環(huán)之間的簡(jiǎn)支點(diǎn)和接觸力不盡相同，各耙臂之間的自振頻率也略有不同。當(dāng)某支耙臂振動(dòng)時(shí)，其余耙臂通過(guò)浮動(dòng)內(nèi)環(huán)對(duì)其振動(dòng)幅度進(jìn)行抑制。另外，因耙臂與內(nèi)環(huán)之間存在一定的調(diào)整間隙，當(dāng)進(jìn)氣畸變測(cè)試耙發(fā)生激振時(shí)，內(nèi)環(huán)可以通過(guò)自身位置的調(diào)節(jié)，從一個(gè)平衡位置自行微調(diào)到另一個(gè)位置，達(dá)到對(duì)整個(gè)進(jìn)氣畸變耙自振頻率微調(diào)的效果。

3 進(jìn)氣畸變耙強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)進(jìn)氣畸變測(cè)試耙在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣上的實(shí)際安裝形式，對(duì)進(jìn)氣畸變測(cè)試耙耙臂安裝座與機(jī)匣安裝孔之間的徑向和切向位移分量進(jìn)行約束，將耙臂端部與浮動(dòng)內(nèi)環(huán)之間的連接定義為剛性接觸碰撞，建立進(jìn)氣畸變測(cè)試耙強(qiáng)度分析模型(圖3)，并對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。

圖3 進(jìn)氣畸變測(cè)試耙強(qiáng)度分析模型Fig.3 Strength analysis model for intake distortion rake

3.1 靜強(qiáng)度計(jì)算

在發(fā)動(dòng)機(jī)主流道中，進(jìn)氣畸變測(cè)試耙迎風(fēng)面氣流受總壓作用，測(cè)試耙主體背風(fēng)面所受壓力無(wú)法定量計(jì)算，可將背風(fēng)面壓力近似為氣流靜壓。則作用在測(cè)試耙迎風(fēng)面上的氣動(dòng)載荷，可近似為被測(cè)氣流的動(dòng)壓與阻力系數(shù)的乘積，即：

式中：為氣流總壓；C為裕度系數(shù)，取1.2。

根據(jù)氣流速度和總壓可得氣流靜壓為：

式中：比熱比取1.4；為氣流馬赫數(shù)。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口最大氣流工況，由公式(1)和(2)可得進(jìn)氣畸變測(cè)試耙所受氣動(dòng)載荷。靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如圖4 所示。由圖可知，進(jìn)氣畸變測(cè)試耙靜強(qiáng)度危險(xiǎn)點(diǎn)處于耙臂前端與內(nèi)環(huán)配合的圓柱根部，最大應(yīng)力=66 MPa，遠(yuǎn)小于進(jìn)氣畸變測(cè)試耙主體材料(1Cr18Ni9Ti)的屈服極限，進(jìn)氣畸變測(cè)試耙靜強(qiáng)度裕度滿足受感部設(shè)計(jì)要求。

圖4 受感部最大應(yīng)力示意圖Fig.4 Schematic diagram of maximum stress

3.2 動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算

對(duì)進(jìn)氣畸變測(cè)試耙整體進(jìn)行頻率計(jì)算，前4 階固有頻率計(jì)算結(jié)果如表1所示，前4階模態(tài)振型如圖5所示。

表1 進(jìn)氣畸變測(cè)試耙固有頻率Table 1 Natural frequency of inlet distortion rake

圖5 進(jìn)氣畸變測(cè)試耙前4階模態(tài)振型Fig.5 Mode shape(the first 4 orders)

設(shè)計(jì)的進(jìn)氣畸變測(cè)試耙安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣測(cè)量段上，承受發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣機(jī)匣振動(dòng)載荷作用，進(jìn)氣機(jī)匣振動(dòng)頻率可近似等效為低壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率。由文獻(xiàn)[12]可知，發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)測(cè)試受感部的動(dòng)強(qiáng)度校核，應(yīng)以前3階固有頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)激振頻率差值是否大于25%作為主要判據(jù)，即：

式中：為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)頻率(激振頻率)，Δ為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)頻率與進(jìn)氣畸變測(cè)試耙固有頻率差值。結(jié)合當(dāng)前在研某型發(fā)動(dòng)機(jī)低壓轉(zhuǎn)子主要工況的工作轉(zhuǎn)速范圍，進(jìn)氣畸變測(cè)試耙前3 階固有頻率的裕度均大于25%。

經(jīng)過(guò)對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣畸變?cè)囼?yàn)不同轉(zhuǎn)速、插板位置等條件下進(jìn)口流場(chǎng)頻率特點(diǎn)和渦旋尺度變化范圍進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得出，進(jìn)口畸變流場(chǎng)頻率主要分布在200 Hz 以內(nèi)，峰值頻率集中在50～135 Hz 范圍，渦旋尺度主要在1.0～3.5 ms 之間。據(jù)此可知，進(jìn)氣畸變測(cè)試耙固有頻率均不在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口流場(chǎng)峰值頻率范圍內(nèi)，進(jìn)氣畸變測(cè)試耙與流場(chǎng)發(fā)生共振的可能性較小。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證及工程應(yīng)用

4.1 固有頻率微調(diào)試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的浮動(dòng)內(nèi)環(huán)連接結(jié)構(gòu)對(duì)進(jìn)氣畸變測(cè)試耙自振頻率微調(diào)的效果，調(diào)整6 支耙臂末端面與浮動(dòng)內(nèi)環(huán)安裝端面間隙，對(duì)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣測(cè)量機(jī)匣上的進(jìn)氣畸變測(cè)試耙進(jìn)行模態(tài)分析試驗(yàn)。模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)框圖Fig.6 Modal test system diagram

進(jìn)氣畸變測(cè)試耙安裝完成后，順航向正上方按順時(shí)針?lè)较驅(qū)?支耙臂分別編號(hào)1～6。以3號(hào)耙臂為基準(zhǔn)，在內(nèi)環(huán)拉向3號(hào)耙臂與內(nèi)環(huán)遠(yuǎn)離3號(hào)耙臂兩種狀態(tài)下測(cè)量各靶臂和內(nèi)環(huán)的頻率，結(jié)果見(jiàn)表2。由表可知，進(jìn)氣畸變測(cè)試耙6支耙臂前4階自振頻率存在一定的差異。另外，浮動(dòng)內(nèi)環(huán)分別處于兩個(gè)不同位置時(shí)，耙臂和內(nèi)環(huán)前4 階頻率均有不同程度的變化，達(dá)到了進(jìn)氣畸變測(cè)試耙頻率微調(diào)的效果。

表2 模態(tài)對(duì)比測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果 HzTable 2 Test results for mode shape measurement

4.2 振動(dòng)抑制試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的浮動(dòng)內(nèi)環(huán)連接結(jié)構(gòu)對(duì)進(jìn)氣畸變測(cè)試耙振動(dòng)抑制的效果，在某型發(fā)動(dòng)機(jī)部件插板試驗(yàn)中分別對(duì)進(jìn)氣畸變測(cè)試耙有、無(wú)浮動(dòng)環(huán)兩種狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)應(yīng)力對(duì)比測(cè)試。根據(jù)畸變測(cè)試耙模態(tài)振型和耙臂型面可知，畸變測(cè)試耙耙臂在沿發(fā)動(dòng)機(jī)周向左右方向受機(jī)匣振動(dòng)的影響較為顯著，為此將應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)布置在耙臂根部?jī)蓚?cè)面。動(dòng)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)位置如圖7所示。

圖7 動(dòng)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)位置示意圖Fig.7 Schematic diagram of the position of dynamic stress measuring points

考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)試車安全，無(wú)浮動(dòng)內(nèi)環(huán)狀態(tài)下僅保留1號(hào)和2號(hào)耙臂進(jìn)行試驗(yàn)，并監(jiān)測(cè)各個(gè)工作轉(zhuǎn)速下兩支耙臂根部的動(dòng)應(yīng)力。圖8示出了無(wú)浮動(dòng)內(nèi)環(huán)狀態(tài)下兩支耙臂動(dòng)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，圖中動(dòng)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)編號(hào)為耙臂號(hào)-耙臂動(dòng)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)。由圖可知，1號(hào)、2號(hào)耙臂4 個(gè)動(dòng)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)最大值分別為72 MPa、74 MPa、59 MPa 和92 MPa。另外，耙臂根部動(dòng)應(yīng)力在低壓換算轉(zhuǎn)速0.65 以內(nèi)隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升降而升降，但在低壓換算轉(zhuǎn)速0.65以上二者之間無(wú)任何規(guī)律可循。在某些特定工作轉(zhuǎn)速下，耙臂出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力峰值，說(shuō)明這些轉(zhuǎn)速下耙臂發(fā)生了較為強(qiáng)烈的振動(dòng)。

圖8 無(wú)環(huán)狀態(tài)耙臂動(dòng)應(yīng)力值Fig.8 Dynamic stress of Harrow Arm without loop

有浮動(dòng)內(nèi)環(huán)狀態(tài)下，進(jìn)氣畸變測(cè)試耙6 支耙臂同時(shí)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口進(jìn)行試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)各個(gè)工作轉(zhuǎn)速下耙臂根部的動(dòng)應(yīng)力。圖9 給出了1 號(hào)和2 號(hào)兩支耙臂的動(dòng)應(yīng)力測(cè)試值隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化曲線。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中動(dòng)應(yīng)力幾乎無(wú)明顯變化，且峰值較低，最大應(yīng)力值均不超過(guò)10 MPa。表3示出了本次試驗(yàn)12個(gè)動(dòng)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的測(cè)試峰值。

圖9 有環(huán)狀態(tài)耙臂動(dòng)應(yīng)力值Fig.9 Dynamic stress at the root of harrow arm with ring

表3 有環(huán)狀態(tài)動(dòng)應(yīng)力測(cè)試峰值Table 3.Peak value of dynamic stress for harrow arm with ring

根據(jù)上述對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果可知，與耙臂單懸臂安裝狀態(tài)相比，增加浮動(dòng)內(nèi)環(huán)后，耙臂根部的動(dòng)應(yīng)力隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)顯著減弱，未發(fā)生明顯振動(dòng)現(xiàn)象，動(dòng)應(yīng)力峰值下降90%以上，振動(dòng)抑制效果顯著。

4.3 進(jìn)氣畸變耙工程應(yīng)用

所設(shè)計(jì)的進(jìn)氣畸變耙加工完成后，先后應(yīng)用于多臺(tái)份發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)發(fā)匹配試驗(yàn)和進(jìn)氣逼喘試驗(yàn)，在多種工況下累計(jì)使用135 h，經(jīng)歷45 次發(fā)動(dòng)機(jī)喘振。試驗(yàn)過(guò)程中，間隔6～8 h 對(duì)進(jìn)氣畸變測(cè)試耙關(guān)鍵位置進(jìn)行熒光探傷檢查，耙臂表面均未發(fā)現(xiàn)裂紋和缺陷。

5 結(jié)論

(1) 設(shè)計(jì)的浮動(dòng)內(nèi)環(huán)連接結(jié)構(gòu)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣畸變測(cè)試耙振動(dòng)的抑制效果顯著，能夠較好地改善傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口測(cè)試探針的振動(dòng)性能。

(2) 所設(shè)計(jì)的進(jìn)氣畸變測(cè)試耙滿足在研型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)發(fā)匹配試驗(yàn)需求，并可推廣應(yīng)用至其他大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)試驗(yàn)。