航空发动机的安装和振动控制

如题

民用飞机设计与研究

CivilAircraftDesignandResearch

航空发动机的安装和振动控制

林国政

(上海飞机设计研究院结构设计研究部,上海200232)

摘要:固定翼飞机的振动和舱内噪声水平的控制是一项挑战性的工作,是一个不可舍弃的系统性能参数。介绍振动的基础和固定翼飞机发动机的安装及能够有效地控制发动机振动和噪声的技术。关键词:航空;发动机安装;振动;噪声

1　问题的介绍和描述

本文介绍了现代飞机发动机振动和噪声背景,并对处理发动机振动问题的有效方法进行了说明。与发动机连接全部的结构都要满足两个功能:限制位移以及隔振和降噪。限制位移指由发动机推力、过载、的振动,。

,接头必须有足够的刚度以减少相关的位移。为了减少振动或者噪声,接头必须是动态柔软的。发动机的安装设计要求很好的协调这两者之间的矛盾。同时,对于长寿命和经济性的要求,更进一步的推动了这种技术的发展。

图2　机身连接发动机的振动主要传递路径和其他路径

3　噪声

由发动机振动引起的频率段附近产生的噪声远远高于其他噪声源产生的噪声,例如外部气流、空气条件、附件等。这些噪声源产生了宽频的噪声,而发动机的不平衡引起的噪声有特定的基频和倍频。图3显示了机身舱内典型的噪声谱。波峰处的噪声是由发动机的振动通过结构传递到机身引起的,说明最有必要安装隔振器

。

2　发动机振动源

由于发动机的安装形式及不平衡的的旋转引起的振动作用于结构上,从而产生了结构振动,如图1所示。由于发动机本身不平衡的转动引起机身结构的振动,从而诱发了舱内噪声

。

图1　固定翼飞机发动机不平衡转动引起的噪声

在发动机和飞机的连接处,振动有几种传递途径传递到机身舱内。主要传递路径在发动机与吊挂的接头处(如图2所示的点C1)和发动机与吊挂相互接触部位。本文主要关注该传递路径和振动源的输入

。

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图3　机身连接发动机的飞机的舱内典型的噪声谱

如题

林国政:航空发动机的安装和振动控制

在可听频率范围内(20Hz～20kHz),舱内噪声的能量分布是不均匀的。声压级是通过对整个可听频率范围内能量的积分得到的。如果每个频率的能量贡献是一样的,得到的总体SPL用dB表示(如图3所示)。如果每个频率对能量贡献的权重是不一样的,得到的总体SPL用dBX表示(X指权重曲线)。dBA用于低噪声的可听测试。dBC适用于环境噪声,例如飞机舱内噪声。

图6为采用软安装后的力-频率曲线图。表明,通过对工作频率的隔离,整体上力的大小明显降低

。

4　传递率和性能比

当我们在讨论振动系统时,传递率是一个通用的术语,但用在描述刚性的大质量体和基体相连时更为有效,而飞机上不存在这种边界约束。

性能比指软安装与硬安装性能的一个比值(用减噪的幅值表示,dB)。在描述隔振问题时,性能比比传递率更适用于飞机设计。

图4是一条性能比曲线。降噪幅值随KmKs

的变化曲线(Km接头刚度,K)4所示,主动隔振可以达到20dB

。

图6　典型翼吊商用飞机发动机软装在

后安装节处力-频率曲线图

图5、图6显著表明,在发动机安装时安有隔振器,力的隔离明显减小,噪声和振动的隔离器可以分为两类:被动式和主动式。被动隔振包括弹性材料(橡胶或者金属丝团)、粘性阻尼隔振器、调谐减振器(TVA)等。主动系统中,需要有机电系统的控制,主要分成3类:主动隔离控制系统(AVC)、主动噪声控制系统(ANC)以及主动结构控制系统(ASC)。另外,这些不同的技术可以分别组合成非常有效的混合系统。

振动和噪声的隔离器也可以按以下应用分成3类:

(1)振动隔离法,指直接安装在主传力(振动)路径上,并传递载荷、振动。

(2)结构隔离法,指安装在主传力路径的结构

图4　性能比曲线

发动机安装性能的另一个指标:减少力的传递。

图5为力-频率曲线图(发动机硬安装)。在频率(60Hz～70Hz)范围内,在垂向和侧向,力的大小出现极大值

。

图5　典型翼吊商用飞机发动机硬安装在

后安装节处力-频率曲线图

上,吸收主传力路径的振动,但本身并不传递载荷、

振动。

(3)主动噪声控制法,这种方法并不是通过控制振动来减少噪声,而是通过声波叠加来消除噪声。5.1　振动隔离5.1.1　硬连接结构

硬连接接头并没有无限大的刚度,因此在将振动传递给结构时,在减少振动方面也有一定的积极影响。图7为硬连接实例。

硬连接的优点是在静载的传递分析上简单明了。但设计适用于振动隔离而需的阻尼,是非常困难的,因为作为完全的金属体,几乎没有阻尼。5.1.2　弹性材料

刚度和阻尼是弹性材料接头最重要的两个属性

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如题

民用飞机设计与研究　2009年第4期

(在图8中用C和K表示

)

使用。

由线团制成的接头(如图10所示)与RTM比较相似,也是被动式振动隔离器。它由卷曲的压平钢丝制成。优点是能提供比较好的隔振,能适应较宽范围的温度,不受发动机液体的影响,使用寿命可以达到8000飞行小时。缺点是易受到变形影响,产生偏离

。

图7　

硬连接实例

图103图8(1)能提供良好的弹性和阻尼性能,比金属弹簧好的多;

(2)相比其他技术,弹性材料成本较低;(3)可以传递多方向的力;(4)振动传递率容易计算;

(5)在高频噪声衰减方面比较有效。弹性材料和金属材料可以混合使用,称为RTM接头,如图9所示

。

,当,引起粘性阻尼隔振器内部压力的变化,从而使接头更容易产生移动。这样就减少了传递到发动机安装结构上的力,达到减少舱内噪声的目的。

粘性阻尼隔振器使用寿命与RTM类似,已有在飞机上使用近8000h的记录。5.1.4　主动隔振控制系统(AIC)主动隔振控制系统(如图11所示)中在连接接头中增加了机电作动器(图11中“F”代表)

。

图11　AIC示意图

AIC从加速传感器和麦克风中获取信息,然后

图9　RTM接头实例

现在由人工橡胶材料制成的RTM接头可以具有更长的使用寿命,更小的尺寸和更优良的综合性能。温度使用范围在-65υ至250υ之间,短时间内可以达到310υ,使用寿命可以接近20000飞行小时。但是,在极高或极低的温度下,橡胶材料不能

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控制作动器产生与不平衡力相反的力,从而减少振动和噪声。

AIC是全反馈系统,可以与隔振器或硬连接接头连接。当它与RTM连接时,如果AIC失效,整个系统也可以认为是一个被动式的隔振器。

AIC的缺点是费用代价及重量代价比被动式的大,主要优点是可以在飞行测试后加装,具有比较高的调整性。

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林国政:航空发动机的安装和振动控制

5.1.5　主动粘性隔振器

主动粘性隔振器是被动粘性阻尼隔振器与机电作动器的结合体,在粘性阻尼隔振器的粘性液体舱室内布置作动器,从而控制接头的动态刚度。5.2　结构隔离5.2.1　调谐减振器(TVAs)调谐减振器是被动式的减震器,如图12所示。安装在振动结构上。可以认为是一个典型的弹性系统。利用不同的形状和材料可以适用于高达600HZ的振动。

调谐减振器使用于某些离散频率。干扰频率能够引起调谐减振器共振。共振的调谐减振器产生与结构相反的力达到减少振动的目的。当调谐减振器正确布置在发动机安装结构上,可以有效的减少调谐频率下的振动。被动式的调谐减振器可以减少4dBA-6dBA的舱内噪声

。

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