中国航发哈尔滨东安发动机有限公司黑龙江哈尔滨150066
摘要：航空发动机整机振动历来是发动机研发设计中不可忽视的重要部分，而机匣作为发动机的骨架，它的振动直接反映了发动机整机振动的水平。本文分析了航空发动机机匣动力学问题及故障分类，阐述了航空发动机机匣激振力疲劳研究现状，最后提出了适合我国航空发动机技术水平的机匣发展设想。
关键词：机匣动力学；薄壁圆壳结构；声激励响应
一、绪论
发动机是飞机的“心脏”，是推动飞机快速发展的原动力，是飞机性能、可靠性和成本的决定性因素。航空发动机技术的发展对国防和国民经济有着及其重要的作用，人类在航空领域中的每一次重大的革命性进展，无不与航空动力技术的突破和进步密切相关。
机匣是航空发动机的重要零件之一，它是整个发动机的基座，其外形结构复杂，不同的发动机、发动机不同部位，其机匣形状各不相同，机匣零件的功能决定了机匣的形状，但它们的基本特征是圆筒形或圆锥形的壳体和支板组成的构件。由于机匣零件设计难度大、周期长，在整个发动机的设计中，机匣的设计占相当大的比重。提高机匣的设计效率对压缩发动机整机的设计周期有重要意义。
发动机机匣在工作状态下，主要承受气体负荷和质量惯性力，其次还承受热负荷，声负荷以及一些装配应力，其中承受气体负荷和质量惯性力以轴向力、横向力或侧向力、弯矩、扭矩等形式作用在机匣上。热负荷由温度、温差引起，应力由热负荷对材料强度带来的变化所引。发动机机匣在高温下工作，要求有足够的抗蠕变能力(在整个寿命期内)；有过负荷包容能力(在转子叶片断裂时)。因此机匣的结构设计除了要满足支撑功能外，还要求设计方案保证强度、刚度和稳定性要求。
二、航空发动机机匣的振动问题及故障分类
航空发动机整机振动历来是发动机研发设计中不可忽视的重要部分，该研究已经成为一项专门的课题，而机匣是发动机的骨架，它连接着发动机的各个部件:内部连接涡轮燃烧室，外面连接排气管道、油路、冷却管道等部件，机匣的振动直接反映发动机整机的振动水平。现代航空发动机机匣的薄壁设计使得结构模态密集并表现出一定的几何非线性，从而导致振动问题异常突出。较大的振动往往导致机匣裂纹、变形甚至疲劳破坏。目前对于机匣振动的研究主要有结构激振、噪声激振和气流激振三个方面。
根据所使用的材料不同，航空发动机机匣可以分为以下几种:①高强度结构钢机匣。具有强度及韧性好、防护效果好的优点，在早期的发动机中应用极广，但其密度和质量较大。②铝合金/钛合金机匣。密度和质量比高强度结构钢低，但强度和防护效果差一些。③高强度纤维缠绕增强机匣。在铝/钛制机匣内层外缠绕高强度纤维带，具有质量轻、包容能力强的特点。④全复合材料机匣。采用二维编织布缠绕成形或三维编织成形，具有更轻的质量，但需进一步提高强度、刚度、稳定性和使用寿命。⑤纤维增强陶瓷基复合材料机匣。此机匣充分利用陶瓷材料硬度高、比密度小和允许使用温度高的优点，但需克服材料缺陷敏感、脆性断裂、复杂形状成形困难的缺点。⑥其他材料机匣。如纤维增强铝/钛基金属复合材料机匣。
机匣的主要激振源有:
(1)发动机转子或螺旋桨的不平衡质量是引起承力系统及其构件振动的重要激振因素;
(2)有的发动机由于停车后转子系统的周向温度分布不均，使转子处于热弯曲变形状态如果此时再启动，容易引起发动机的整机振动;
(3)发动机转、静子碰摩或转子支点构件不同轴度过大等会引起机匣承力系统的行波振动;
(4)高速气流经过叶栅、承力支板时产生的尾流、旋转失速或喘振等引起的气流压力脉动，或者主燃烧室供油系统的压力脉动等因素可能激起火焰筒或燃烧室机匣的振动;
(5)加力燃烧室的振荡燃烧，容易造成加力筒体及有关构件的振动而产生裂纹或破坏;
(6)高速气流流动或燃烧产生激振能量较大的噪声激振，容易引起火焰筒及加力筒体构件的声疲劳破坏。
在航空发动机每次起停和运行过程中，机匣不仅承受由温差引起的热载荷，内部还要产生多向疲劳应力。正是由于机匣所受的载荷复杂，航空发动机在实际使用中，机匣的故障时有发生。由于低循环疲劳、高循环疲劳、热应力和蠕变等原因造成静子机匣裂纹、变形等故障，在国内，根据某台航空发动机后机匣故障的统计表明，外套壳体上两种安装座焊缝处裂纹故障率都接近3%，甚至曾发现过长达100mm左右的裂纹。实践表明:这种循环疲劳载荷是发动机机匣过早失效的主要原因。所以研究机匣的疲劳寿命有着很重要的意义。
三、激振疲劳研究
激起机匣振动的激振源类型一般有气体激振、结构激振、噪声激振等，其中气体激振源有旋转叶片尾迹的压力脉动，旋转失速的高、低压压力气团所引起的周向压力变化，流场畸变等。气体激振源中旋转叶片尾迹的压力脉动激振机理是当转子叶片旋转时，转子叶片尾迹的压力分布不均，相对机匣来说形成压力脉机，当机匣固有频率与叶片通过频率相等时，机匣将发生行波共振。
自从20世纪50年代发生由于高强度喷气噪声造成飞机结构破坏以来，结构声疲劳破坏问题受到了工业部门和研究部门的高度重视。首先是薄壁结构声疲劳的理论和实验研究工作，这时的研究基本集中在飞机结构件上，因为飞行中附面层噪声和发动机喷流噪声的激励使飞机机身薄壁结构件产生高频疲劳破坏。在20世纪80年代，随着复合材料的广泛应用又提出了新的课题。复合材料的主要特征是它具有较高的结构效率，在工作载荷下可以产生相对较大的位移。这时的声激励响应问题是非线性的，关于这方面的理论还在不断发展。由于航空发动机的特殊构造，机匣结构件(主要是柱壳和锥壳，如机匣、燃烧室筒体、尾喷管、外涵等)在发动机结构中占有重要地位。对于机匣结构来说，声激励能导致机匣的振动，从而导致结构疲劳、失效。严格地说，航空发动机所有机匣结构都受到声激励载荷的冲击，都有发生高频疲劳的可能。在实践中，由于薄壁机匣的模态密度大，要使共振频率完全避开激振频率不可能。另外，有关的结构设计准则对机匣和燃烧室设计都提出了防止高频疲劳破坏的要求。因此，对此类结构的声疲劳分析研究的重要性是显而易见的。
四、航空发动机机匣发展设想
机匣结构的声激励响应是一个比较复杂的问题，国内外在这方面的研究还相对较少。薄壁结构的声激励响应分析方法目前普遍采用的主要有两种:模态分析法和统计能量分析法。由于机匣内外部环境复杂，声激励源广，声激励载荷的随机性等原因，导致机匣结构声激励响应问题异常复杂，关于声激励响应问题亟待学术界和工程界深入探索。
先进复合材料技术已经在国防航空航天中得到了大量应用，我国目前正开展研制新一代发动机复合材料外涵道机匣。从最近的科研成果来看，国内外对复合材料层合板在机匣上应用的研究集中在在圆柱壳体及加筋圆柱壳的屈曲方面，在树脂基复合材料发动机机匣结构和振动方面所做的工作还比较少，因此研究树脂基复合材料机匣的屈曲特性对实际工程设计有很大意义。
机匣系统模态优化分析问题。发动机机匣的主要激励源是叶片旋转，转子不平衡量和发动机内部声场引起的随机激振，设计过程中应使机匣系统的共振频率与发动机工作范围内的强激振不重合，但由于薄壁机匣的模态密度大，要使共振频率完全避开激振频率不可能，机匣系统共振频率与激振频率的重合问题迫切需要解决。
鉴于机匣系统的薄壁结构特点，因此机匣系统的振动问题是典型的流固耦合问题，一方面风扇机匣由于直径较大，风扇转子叶片叶尖达到很高的线速度，导致对机匣的尾流激振力增大，流固耦合问题突出，待于解决；另一方面，空气由低压压气机进入高压压气机、空气在燃烧室内燃烧以及燃烧后的高温气体流经低、高压涡轮等工作过程中，空气与薄壁机匣耦合关系复杂，另由于机匣系统结构的复杂性及流场的不确定性等因素，给问题的解决增加了难度，因此机匣系统的流固耦合动力学问题需深入研究。