進(jìn)氣畸變條件下壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的振動特性研究

李榮華 ，雷沫枝 ，2，李 昊

（1.中國航發(fā)湖南動力機(jī)械研究所，2.航空發(fā)動機(jī)振動技術(shù)航發(fā)科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室：湖南株洲412002）

0 引言

葉輪機(jī)械的氣動設(shè)計通常在均勻邊界條件下進(jìn)行，即認(rèn)為上游的氣流參數(shù)是均勻的。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，葉輪機(jī)械必須在非均勻進(jìn)氣條件（即畸變進(jìn)口流場）下工作。航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)和渦輪均是如此，因?yàn)檫M(jìn)氣道和燃燒室出口的流場都是不均勻的。

葉輪機(jī)械的葉片在氣流激勵下極易發(fā)生振動問題，在航空發(fā)動機(jī)研制或適航取證試驗(yàn)中，葉片振動應(yīng)力測試是必不可少的手段[1-5]。一些發(fā)動機(jī)型號研制規(guī)范明確提出振動和應(yīng)力測量應(yīng)在發(fā)動機(jī)最大進(jìn)氣畸變條件下進(jìn)行；航空發(fā)動機(jī)適航取證振動試驗(yàn)也要求評估進(jìn)氣道進(jìn)氣流場畸變對發(fā)動機(jī)部件振動特性的影響[6-7]。

國內(nèi)外開展了大量的進(jìn)氣畸變對發(fā)動機(jī)性能和強(qiáng)度影響的數(shù)值模擬技術(shù)研究[8-14]，但對其進(jìn)行試驗(yàn)研究的較少。在地面試驗(yàn)中，模擬航空發(fā)動機(jī)進(jìn)氣畸變通常將設(shè)計孔板式、楔板式等結(jié)構(gòu)形式的畸變發(fā)生器置于試驗(yàn)發(fā)動機(jī)前方[15-16]。

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

1 壓氣機(jī)進(jìn)氣畸變模擬

開發(fā)了典型進(jìn)氣畸變的模擬裝置-孔板式畸變發(fā)生器（如圖1所示），安裝在進(jìn)氣機(jī)匣前端模擬發(fā)動機(jī)進(jìn)氣畸變條件，對壓氣機(jī)進(jìn)口進(jìn)氣畸變譜進(jìn)行研究。

畸變發(fā)生器的目標(biāo)圖譜和試驗(yàn)實(shí)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(yàn)圖譜與目標(biāo)圖譜相似。

圖1 畸變發(fā)生器

圖2 畸變目標(biāo)圖譜

圖3 畸變板試驗(yàn)圖譜

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

表1 進(jìn)氣畸變指數(shù)目標(biāo)值與測量值

2 振動應(yīng)力測點(diǎn)

航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片振動應(yīng)力測量的目的主要是為了確定轉(zhuǎn)子葉片在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的振動應(yīng)力、振動頻率以及共振轉(zhuǎn)速等，以明確轉(zhuǎn)子葉片在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的共振風(fēng)險。對于葉片的不同共振模態(tài)，峰值應(yīng)力點(diǎn)的位置不盡相同，往往需要選擇多個測試位置，以全面監(jiān)測葉片在各階模態(tài)下的振動應(yīng)力水平。峰值應(yīng)力位置應(yīng)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(yīng)力的應(yīng)變計粘貼位置通常選在與峰值應(yīng)力點(diǎn)有一定距離且應(yīng)力梯度比較平緩的區(qū)域。但是，這些測試位置能否反映葉片的振動狀態(tài)，即是否具有足夠的振動敏感性需開展分析。

測點(diǎn)位置確定的流程為：葉片振動特性分析—葉片應(yīng)力分布分析—葉片備選測點(diǎn)—備選測點(diǎn)敏感性分析—選定測點(diǎn)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(zhuǎn)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(jié)果

2.2 葉片備選測點(diǎn)

根據(jù)葉片各階振動頻率對應(yīng)的應(yīng)力分布，初步選擇應(yīng)力相對較大而應(yīng)力梯度相對較為平緩的部位布置測點(diǎn)，每個測點(diǎn)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(diǎn)所示。

圖4 備選測點(diǎn)在葉片上的位置

2.3 測點(diǎn)敏感度分析

對P點(diǎn)進(jìn)行敏感度分析。

敏感度定義如下

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

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

圖4中測點(diǎn)P平行于進(jìn)氣邊方向，對模態(tài)振型的敏感度分析結(jié)果見表3。該測點(diǎn)對葉片第 1、3、6階模態(tài)較敏感，因此選定測點(diǎn) P 為第 1、3、6 階模態(tài)的振動應(yīng)力測點(diǎn)。

表3 測點(diǎn)敏感度分析結(jié)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(zhuǎn)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(shè)計，共振圖用于判斷葉盤在工作時是否發(fā)生共振，以確定葉盤發(fā)生共振的頻率、階次，從而確定激振源和共振轉(zhuǎn)速等。

P測點(diǎn)的共振響應(yīng)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(tài)變化的曲線；射線是發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速頻率的整數(shù)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(diǎn)稱為共振點(diǎn)。在共振點(diǎn)激振頻率與葉片固有頻率重合，葉片將發(fā)生共振。

圖5 P測點(diǎn)的共振響應(yīng)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(jī)第1級葉輪的激振源和激振倍頻數(shù)見表4。

表4 激振源和激振倍頻數(shù)

因P點(diǎn)對葉片第1、3、6階模態(tài)敏感，在k=1～4，18的激振源激勵下，P點(diǎn)可能測到的共振點(diǎn)如圖5中的f1、f3、f6與射線的交點(diǎn)，交點(diǎn)對應(yīng)的轉(zhuǎn)速即葉片第1、3、6階模態(tài)的共振轉(zhuǎn)速。

4 壓氣機(jī)葉片振動應(yīng)力測試

在葉片上P點(diǎn)沿平行進(jìn)氣邊的方向粘貼應(yīng)變計。應(yīng)變測試系統(tǒng)由應(yīng)變計、應(yīng)變引線、滑環(huán)信號傳輸系統(tǒng)、應(yīng)變測量儀、計算機(jī)組成，從車臺轉(zhuǎn)速測量儀接入轉(zhuǎn)速信號至應(yīng)變測量儀，轉(zhuǎn)速信號與應(yīng)變信號同步采集，用于獲得應(yīng)變-轉(zhuǎn)速變化曲線。

4.1 自然進(jìn)氣條件下葉片振動響應(yīng)

對振動應(yīng)力測試結(jié)果進(jìn)行分析可以得到共振轉(zhuǎn)速、共振頻率、共振應(yīng)力幅值和激振階次。動應(yīng)力幅值隨轉(zhuǎn)速變化的曲線上應(yīng)力峰值所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速即共振轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速下出現(xiàn)振動應(yīng)力峰值。

圖6 4倍頻激振振動應(yīng)力-轉(zhuǎn)速曲線

在自然進(jìn)氣條件下P點(diǎn)振動應(yīng)力測試數(shù)據(jù)見表5，實(shí)測振動應(yīng)力campbell共振如圖7所示。P點(diǎn)在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)測到3個明顯的共振峰，共振轉(zhuǎn)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(jìn)氣條件的動應(yīng)力測試結(jié)果

測試結(jié)果與上節(jié)所述葉片共振圖分析的共振轉(zhuǎn)速和振動頻率基本一致，只是未出現(xiàn)k=3的低階激振源，激振源為壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)因素。壓氣機(jī)進(jìn)氣機(jī)匣支板數(shù)為4，零級導(dǎo)葉葉片數(shù)為18，形成k=4、18的激振源。

圖7 自然進(jìn)氣條件下實(shí)測振動應(yīng)力campbell共振

4.2 進(jìn)氣畸變條件下葉片振動響應(yīng)

在進(jìn)氣畸變條件下振動應(yīng)力測試數(shù)據(jù)見表6。共振轉(zhuǎn)速分布在20%轉(zhuǎn)速到90%轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，振動頻率為葉片的第1、3、5、6階。實(shí)測振動應(yīng)力campbell共振如圖8所示。從圖中可見，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與測點(diǎn)敏感度分析結(jié)果基本吻合，測到的主要是第1、3、6階模態(tài)振動。

由測試結(jié)果可見，葉片激振源非常豐富，存在轉(zhuǎn)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(yīng)。

表6 進(jìn)氣畸變條件的共振頻率和共振應(yīng)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(jìn)氣條件實(shí)測激振源（k=4、18）相比，在進(jìn)氣畸變條件下出現(xiàn)了很多額外的轉(zhuǎn)速整倍頻振動激勵，相應(yīng)地引起葉片更豐富的共振響應(yīng)。從表6中可見，與自然進(jìn)氣條件相比，在相同共振轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生的應(yīng)力幅值更大，為自然進(jìn)氣條件振動應(yīng)力幅值的1.3～2.7倍。葉片共振頻率越低，進(jìn)氣畸變對振動幅值的影響越大。

圖8 進(jìn)氣畸變條件下實(shí)測振動應(yīng)力campbell共振

5 結(jié)論

本文針對壓氣機(jī)葉片進(jìn)行振動特性分析，在自然進(jìn)氣和進(jìn)氣畸變條件下開展了振動應(yīng)力測試，得到如下結(jié)論：

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

（2）進(jìn)氣畸變條件相比自然進(jìn)氣條件產(chǎn)生額外的轉(zhuǎn)速整倍頻的激勵頻率，從而激起更豐富的結(jié)構(gòu)振動；

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

（4）在發(fā)動機(jī)研制過程中，進(jìn)氣畸變對轉(zhuǎn)子葉片的振動特性產(chǎn)生重要影響。為提高葉片工作的可靠性，需要加強(qiáng)進(jìn)氣畸變條件下的葉片振動特性試驗(yàn)研究。