航空發動機風扇葉片振動應力分析

董妍　范秀杰　劉濤

摘 要：航空發動機是工業設計制造的集大成之作。 航空發動機需要在高溫、高壓的惡劣工況條件下工作，且航空發動機中的各零部件將承受巨大的作用力，以渦扇航空發動機中的轉子葉片為例，由于風扇葉片的尺寸較大且處于航空發動機的最前沿，對于復雜工作環境的影響反應也越敏感，風扇葉片的損傷頻次、故障率也是最高的，在航空發動機風扇葉片的設計過程中出于減振方面的考慮，在航空發動機風扇葉片的設計中多采用的是凸肩的設計，而這一設計將使得航空發動機風扇葉片在運動的過程中因凸肩之間的擠壓和摩擦而使得風扇葉片的自振頻率和應力分布產生較大的變化，為保障航空發動機風扇葉片的正常運作需要積極做好航空發動機風扇葉片的振動測試，測取航空發動機風扇葉片在實際工作中所承受的振動應力，為后續航空發動機風扇葉片的設計和制造提供有力的數據支撐。

關鍵詞：航空發動機；風扇葉片；振動；測試

中圖分類號：V232 文獻標志碼：A

0 前言

航空發動機風扇葉片在實際的運行過程中承受著復雜的工作應力，對航空發動機風扇葉片運行過程中的振動應力進行相應的測試對于后續航空發動機風扇葉片的設計驗證和優化改進有著重要的意義。本文在分析航空發動機風扇葉片振動測試必要性的基礎上以某型號航空發動機風扇葉片為例設計航空發動機風扇葉片振動應力地面試驗方案，通過開展臺架試驗和裝機地面試驗用以對某型號的航空發動機風扇葉片的振動數據進行測量，從而開展航空發動機風扇葉片的振動應力分析，以此來保障航空發動機風扇葉片具有足夠的結構強度。

1 航空發動機風扇葉片振動測試的重要意義

航空發動機風扇葉片振動應力測試是保障航空發動機風扇葉片具有足夠結構強度的重要舉措之一，通過對航空發動機風扇葉片實際運行中的振動應力進行測試測量能夠有效地幫助航空發動機風扇葉片進行設計優化和試驗驗證。以渦扇航空發動機風扇葉片為例，航空發動機風扇葉片的尺寸較大且處于發動機進氣的最前端，受到外部復雜環境的影響最大為保障航空發動機風扇葉片的使用壽命，需要積極做好航空發動機風扇葉片的振動測試以確保航空發動機風扇葉片具有足夠的結構強度。航空發動機風扇葉片在設計中為了減振，在設計時多采用的是凸肩結構設計，帶凸肩的航空發動機風扇葉片的振動應力將會受到葉片葉型、葉片材料、凸肩之間的擠壓和摩擦等多種因素的影響，上述各種因素相互交叉共同作用于航空發動機風扇葉片，使得航空發動機風扇葉片的自振頻率和應力分布極難預測和計算，航空發動機風扇葉片振動除了受上述因素的影響外，還受航空發動機風扇葉片工作時周邊大氣環境溫度、航空發動機的安裝狀態等因素的影響，各種因素的影響使得航空發動機風扇葉片振動特性的計算與預測難度極大，為了了解和掌握航空發動機風扇葉片的振動特性，需要積極開展航空發動機整機測試，用以對航空發動機風扇葉片實際工作中的振動應力進行測試測量。相對于國外我國在航空發動機旋轉件的載荷測量領域起步較晚，國外通過多年的研究與發展已經形成了較為系統完善的航空發動機風扇轉子葉片振動應力測量方法與技術。我國對航空發動機風扇轉子葉片的振動應力測量相對于國外起步較晚，應當積極加強對于航空發動機風扇轉子葉片振動應力試驗的研究與應用。本文以某型號航空發動機為例對航空發動機風扇轉子葉片振動測試方案進行設計，用以對航空發動機風扇轉子葉片在實際工作條件下的振動應力數據進行測試測量。

2 某型號航空發動機風扇轉子葉片振動測試方案

在對航空發動機風扇轉子葉片振動測試方案的設計上需要以航空發動機風扇轉子葉片的靜強度、振動模態仿真分析和疲勞試驗數據為依據，在航空發動機風扇轉子葉片上選定應力較為集中的區域作為應力測試點，使用應變計來對進行葉片振動頻率、幅度的測量。在地面試驗中主要分為臺架和裝機地面兩大試驗階段。對于航空發動機風扇轉子葉片的地面試驗主要包括穩定狀態試驗和過渡狀態試驗兩大方面的內容，為更好地反應航空發動機風扇轉子葉片在各種航空發動機各種工作狀態下的振動頻率和振動幅度，應當從航空發動機的各個工作狀態入手（最小、中間及最大狀態）對航空發動機風扇轉子葉片的振動特性進行測試：

（1）在航空發動機穩定狀態下的地面試驗，航空發動機按照規范進行正常啟動用以測試航空發動機在各種狀態下穩定工作時航空發動機風扇轉子葉片的振動特性。航空發動機的穩定狀態應當囊括地面慢車、空中慢車、最大連續和最大狀態等多個典型的穩定工作狀態，油門桿往返各兩次用以對航空發動機風扇轉子葉片在這一工作狀態下的振動數據進行測量記錄。

（2）過渡狀態地面試驗，這一狀態下的測試中航空發動機在正常啟動后由地面慢車穩定工作狀態緩緩加大油門至最大狀態，穩定工作后再勻速降低至地面慢車狀態，多次重復上述動作并對航空發動機風扇轉子葉片在這一過程中的振動數據進行測量和記錄。

3 航空發動機風扇轉子葉片振動測試中所受到的影響因素分析

依照上述航空發動機風扇轉子葉片試驗方案對航空發動機完成了發動機臺架和地面裝機試驗。通過對分布于航空發動機風扇轉子葉片上的10個應變測試點的信號進行采集和記錄，通過對所測得的相關數據進行時域和頻域分析，以及對比航空發動機風扇轉子葉片在臺架和裝機試驗數據中的振動應力極值、應力點的應力分布以及葉片上測試點的振動譜圖，用以查找影響航空發動機安裝狀態對風扇轉子葉片振動應力的影響。通過對航空發動機風扇轉子葉片在臺架和裝機地面試驗中各測試點振動應力的統計分析繪制出航空發動機風扇轉子葉片上的最大應力分布，通過對比分析發現相對于臺架在裝機試驗中航空發動機風扇轉子葉片的振動應力增長較大。航空發動機風扇轉子葉片在臺架試驗和裝機地面中的最大應力分布如圖1所示。

結語

為做好對于航空發動機風扇轉子葉片的振動測試，通過對航空發動機風扇轉子葉片在臺架試驗和裝機地面試驗中的振動應力測試數據進行分析后確定所設計的試驗方案能夠滿足需求， 航空發動機風扇轉子葉片在臺架試驗和裝機地面試驗中的應力分布具有相同的變化趨勢和峰值轉速。此外，發動機安裝狀態的變化對于葉片的振動應力變化有著較大的影響。

參考文獻

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