進氣畸變條件下壓氣機轉子葉片的振動特性研究

李榮華 ，雷沫枝 ，2，李 昊

（1.中國航發湖南動力機械研究所，2.航空發動機振動技術航發科技重點實驗室：湖南株洲412002）

0 引言

葉輪機械的氣動設計通常在均勻邊界條件下進行，即認為上游的氣流參數是均勻的。然而，在實際應用中，葉輪機械必須在非均勻進氣條件（即畸變進口流場）下工作。航空發動機壓氣機和渦輪均是如此，因為進氣道和燃燒室出口的流場都是不均勻的。

葉輪機械的葉片在氣流激勵下極易發生振動問題，在航空發動機研制或適航取證試驗中，葉片振動應力測試是必不可少的手段[1-5]。一些發動機型號研制規范明確提出振動和應力測量應在發動機最大進氣畸變條件下進行；航空發動機適航取證振動試驗也要求評估進氣道進氣流場畸變對發動機部件振動特性的影響[6-7]。

國內外開展了大量的進氣畸變對發動機性能和強度影響的數值模擬技術研究[8-14]，但對其進行試驗研究的較少。在地面試驗中，模擬航空發動機進氣畸變通常將設計孔板式、楔板式等結構形式的畸變發生器置于試驗發動機前方[15-16]。

本文分別在自然進氣和進氣畸變條件（采用孔板式畸變發生器）下對某航空發動機壓氣機第1級工作葉片振動應力進行測試，分析進氣畸變對發動機葉片振動特性的影響。

1 壓氣機進氣畸變模擬

開發了典型進氣畸變的模擬裝置-孔板式畸變發生器（如圖1所示），安裝在進氣機匣前端模擬發動機進氣畸變條件，對壓氣機進口進氣畸變譜進行研究。

畸變發生器的目標圖譜和試驗實測圖譜如圖2、3所示。從圖中可見，在相同的截面流量下，畸變板試驗圖譜與目標圖譜相似。

圖1 畸變發生器

圖2 畸變目標圖譜

圖3 畸變板試驗圖譜

周向總壓畸變指數Cmax與徑向總壓畸變指數Rmax測量值與目標值的差別較小，在±0.002以內，見表1。

表1 進氣畸變指數目標值與測量值

2 振動應力測點

航空發動機壓氣機轉子葉片振動應力測量的目的主要是為了確定轉子葉片在工作轉速范圍內的振動應力、振動頻率以及共振轉速等，以明確轉子葉片在工作轉速范圍內的共振風險。對于葉片的不同共振模態，峰值應力點的位置不盡相同，往往需要選擇多個測試位置，以全面監測葉片在各階模態下的振動應力水平。峰值應力位置應力梯度一般較大，容易帶來大的測試誤差，這些位置幾何形狀變化一般也較為劇烈，因此測量動應力的應變計粘貼位置通常選在與峰值應力點有一定距離且應力梯度比較平緩的區域。但是，這些測試位置能否反映葉片的振動狀態，即是否具有足夠的振動敏感性需開展分析。

測點位置確定的流程為：葉片振動特性分析—葉片應力分布分析—葉片備選測點—備選測點敏感性分析—選定測點位置和方向。

2.1 葉片振動特性分析

通過有限元計算分析，獲得葉片的振動特性，包括振動頻率和振型。在100%工作轉速工況下，葉片前9階固有頻率見表2。

表2 葉片振動頻率分析結果

2.2 葉片備選測點

根據葉片各階振動頻率對應的應力分布，初步選擇應力相對較大而應力梯度相對較為平緩的部位布置測點，每個測點可以兼顧幾階振動頻率。針對低階振動頻率初步選擇如圖4中P點所示。

圖4 備選測點在葉片上的位置

2.3 測點敏感度分析

對P點進行敏感度分析。

敏感度定義如下

式中：（σi）cs為i測點在貼片方向的應力；σEQV為當量應力；σ1為最大主應力；σ3為最小主應力。

敏感度表征的是葉片以某階模態振動時，測點處測得的振動應力值占最大應力值的百分比。百分比越高說明測點對該階模態振動越敏感，一般要求敏感度不低于30%。

圖4中測點P平行于進氣邊方向，對模態振型的敏感度分析結果見表3。該測點對葉片第 1、3、6階模態較敏感，因此選定測點 P 為第 1、3、6 階模態的振動應力測點。

表3 測點敏感度分析結果

3 葉片共振圖分析

共振圖又稱坎培爾（Campbell）圖，是判斷葉片、盤和轉子工作時是否存在共振的1種常用工程圖解法。對于葉盤的振動設計，共振圖用于判斷葉盤在工作時是否發生共振，以確定葉盤發生共振的頻率、階次，從而確定激振源和共振轉速等。

P測點的共振響應分析如圖5所示。圖中橫向延伸的線fn（n=1，2，，，9）為葉片第n階固有頻率線，即描述葉片的頻率隨工作狀態變化的曲線；射線是發動機轉速頻率的整數倍，稱為激振頻率線。在共振圖上，葉片的頻率線與激振頻率線的交點稱為共振點。在共振點激振頻率與葉片固有頻率重合，葉片將發生共振。

圖5 P測點的共振響應分析

激振源一般考慮低階激振源以及葉片上游激振源，壓氣機第1級葉輪的激振源和激振倍頻數見表4。

表4 激振源和激振倍頻數

因P點對葉片第1、3、6階模態敏感，在k=1～4，18的激振源激勵下，P點可能測到的共振點如圖5中的f1、f3、f6與射線的交點，交點對應的轉速即葉片第1、3、6階模態的共振轉速。

4 壓氣機葉片振動應力測試

在葉片上P點沿平行進氣邊的方向粘貼應變計。應變測試系統由應變計、應變引線、滑環信號傳輸系統、應變測量儀、計算機組成，從車臺轉速測量儀接入轉速信號至應變測量儀，轉速信號與應變信號同步采集，用于獲得應變-轉速變化曲線。

4.1 自然進氣條件下葉片振動響應

對振動應力測試結果進行分析可以得到共振轉速、共振頻率、共振應力幅值和激振階次。動應力幅值隨轉速變化的曲線上應力峰值所對應的轉速即共振轉速。4倍頻激振階次曲線如圖6所示。從圖中可見，葉片在40%轉速下出現振動應力峰值。

圖6 4倍頻激振振動應力-轉速曲線

在自然進氣條件下P點振動應力測試數據見表5，實測振動應力campbell共振如圖7所示。P點在整個轉速范圍內測到3個明顯的共振峰，共振轉速為31.2%、40%、75%，振動頻率為葉片的第 3、1、6階固有頻率。這3個共振峰分別由k=4、18的激振源激起。

表5 自然進氣條件的動應力測試結果

測試結果與上節所述葉片共振圖分析的共振轉速和振動頻率基本一致，只是未出現k=3的低階激振源，激振源為壓氣機結構因素。壓氣機進氣機匣支板數為4，零級導葉葉片數為18，形成k=4、18的激振源。

圖7 自然進氣條件下實測振動應力campbell共振

4.2 進氣畸變條件下葉片振動響應

在進氣畸變條件下振動應力測試數據見表6。共振轉速分布在20%轉速到90%轉速區間內，振動頻率為葉片的第1、3、5、6階。實測振動應力campbell共振如圖8所示。從圖中可見，試驗數據與測點敏感度分析結果基本吻合，測到的主要是第1、3、6階模態振動。

由測試結果可見，葉片激振源非常豐富，存在轉速倍頻 k=3、4、6、7、8、9、13、14、15、16、17、18 激起的葉片共振響應。

表6 進氣畸變條件的共振頻率和共振應變幅值

與葉片共振圖分析所考慮的激振源（k=1～4、18）和在自然進氣條件實測激振源（k=4、18）相比，在進氣畸變條件下出現了很多額外的轉速整倍頻振動激勵，相應地引起葉片更豐富的共振響應。從表6中可見，與自然進氣條件相比，在相同共振轉速下產生的應力幅值更大，為自然進氣條件振動應力幅值的1.3～2.7倍。葉片共振頻率越低，進氣畸變對振動幅值的影響越大。

圖8 進氣畸變條件下實測振動應力campbell共振

5 結論

本文針對壓氣機葉片進行振動特性分析，在自然進氣和進氣畸變條件下開展了振動應力測試，得到如下結論：

（1）葉片振動分析結果與在自然進氣條件下葉片振動應力測試得到的共振轉速和振動階次一致性好；

（2）進氣畸變條件相比自然進氣條件產生額外的轉速整倍頻的激勵頻率，從而激起更豐富的結構振動；

（3）在相同共振轉速下，進氣畸變條件下的葉片振動響應比自然進氣條件下的大，葉片共振頻率越低，進氣畸變對振動幅值的影響越大；

（4）在發動機研制過程中，進氣畸變對轉子葉片的振動特性產生重要影響。為提高葉片工作的可靠性，需要加強進氣畸變條件下的葉片振動特性試驗研究。