旋轉狀態葉片激振試驗技術研究

2018-09-17 06:09:04王彤暉王洪斌李元杰祝昭丹

航空發動機 2018年5期

王彤暉，王洪斌，李元杰，姜睿，祝昭丹

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015）

0 引言

轉子葉片是航空發動機的重要零部件之一，對發動機的整體性能特別是可靠性和經濟性有重大影響。目前先進航空發動機日益向大功率、高性能和高可靠性方向發展[1]，其轉速和壓比越來越高，而葉片相對厚度在不斷減小，轉子葉片在高速旋轉時不僅所承受的離心負荷大、葉尖速度高，而且在氣流場、壓力場、聲場、溫度場等多場耦合的復雜環境下工作，極易受多種激振因素引發振動問題[2-3]。

引起發動機葉片振動問題的周期性激振力主要是各種形式的機械力與氣體力[4]。其中機械激振力主要是轉動零件或傳動零件產生的交變力和力矩，例如轉子不平衡、齒輪傳動嚙合不均等；氣體力主要由靜子葉片、支柱或輻板等零件引起，氣流流經這些結構之后，造成流場不均勻，動葉每轉過1個靜葉通道便受到1次氣流沖擊。如果這些激振力的頻率等于葉片的自振頻率，葉片便會發生共振[5-6]。在解決氣流、結構等激振因素引起的振動問題方面，目前的試驗方法以葉片靜止固支激振為主要手段[7-8]，國內外在葉片旋轉態激振試驗方面的研究相對較少。Judge等[9]曾在2003年搭建了1種能夠對旋轉機械尤其是渦輪機械葉盤結構進行無接觸聲激振的試驗系統；2004年，Jones等[10]利用18葉片鋼葉盤對線性失諧振動響應的理論分析進行試驗驗證，其激振力由葉片尖端的無接觸電磁激振器提供；向宏輝等[11]利用1臺單級風扇試驗件，研究了IGV尾流強度對葉片振動應力的影響；李錄平等[12]利用空氣噴嘴對旋轉態汽輪機葉片進行激振試驗，并以此驗證了葉片自帶冠的碰撞阻尼效果；趙志彬等[13]采用壓電陶瓷片對葉片進行激振，研究了葉盤結構的受迫振動響應。另外，目前的先進航空發動機也越來越多采用整體葉盤等新型結構，例如侯明等[14]利用振動臺測試了壓氣機整體葉盤的耦合振動特性。但在這些新結構振動測試中，振動臺開展試驗更加復雜，且仍不能提供離心力載荷，對于解決振動問題所能起到的作用更加有限。

為此，本文開展旋轉態的轉子葉片激振試驗技術研究，分析各類因素如何影響試驗結果，以提升葉片振動相關的試驗分析技術能力，為新型發動機研制和排故提供技術儲備。

1 葉片受迫振動理論分析

對于1個單自由度的振動系統受周期性激振力引起的受迫振動，其振動微分方程為

式中：m 為質量；d 為阻尼系數；s為剛度系數；F（t）為激振力；t為時間；x為質量m離開平衡位置的位移。

若激振力為周期力，周期為T，則激振力可以表示為 F（t）=F（t+T），將周期力展開成傅里葉級數，可得

式中：a0、Ak、βk均為與 T 及 F（t）有關的常數。

將式（2）應用在發動機葉片振動系統中可見，周期激振力總可以表示成簡諧力的級數和。其中k=1的簡諧力為基頻項，其頻率為Ω，即發動機的轉動頻率。此處為分析方便，僅考慮第k階激振力引起的振動，得到運動方程

分析解可知，當葉片某階自振頻率ω=kΩ時，其振動響應最大，可能引起共振[15]。

上述分析都是對1個局部障礙造成的周期激振力而言，實際上在發動機中葉片前部的障礙物不只1個，例如若有18片進口導向葉片，可看作有18個均布的障礙物。這樣的激振力可寫為

這里包含k=18、36、54的高倍頻力，若此時kΩ等于葉片某階自振頻率，則可能引起共振。

因此，為分析葉片共振情況，工程上通常以轉速為橫坐標，頻率為縱坐標，繪制各階自振頻率線及與轉速成整倍數關系的激振頻率射線，得到葉片的共振圖（即坎貝爾圖），如圖1所示。

圖1 葉片坎貝爾圖

從圖中可見，激振頻率射線與各階自振頻率線相交時，葉片可能發生共振，交點處的轉速即為可能引起共振的共振轉速。

2 氣渦輪油激勵旋轉激振試驗平臺

為驗證旋轉激振試驗技術，進而在部件試驗階段驗證上述坎貝爾圖的分析結果，判定是否在相應轉速存在共振，搭建了氣渦輪油激勵旋轉激振試驗平臺。試驗在立式多功能轉子試驗器上進行，其試驗原理為在轉子旋轉過程中，利用一定數量的噴油嘴噴射油柱模擬外界激勵因素，使葉片發生共振，通過應變片對葉片振動情況進行監測。

試驗轉子以懸掛的形式安裝在真空防爆艙體箱內的驅動軸頭上，由氣渦輪帶動試驗件旋轉，在真空度約低于10-4MPa狀態下進行試驗，由油激振裝置對試驗件的葉片進行激振。激勵用油由油泵和收油裝置負責循環，噴油總管處安裝有壓力、流量控制閥和傳感器，噴嘴安裝在專用支架上。試驗裝置如圖2所示。

3 試驗研究

利用如圖2所示的試驗系統，進行某高壓渦輪組件的葉片激振試驗，葉片振動采用應變片測量，利用滑環引電器將信號引出，通過選擇不同的噴嘴型號、噴嘴數和流體控制參數來實現不同的試驗狀態。

圖2 試驗裝置

3.1 試驗方案

本試驗計劃研究的激振影響因素有噴嘴型號、噴嘴數和系統控制參數，分析過程以應變計顯示的微應變值（με）作為衡量葉片振動響應大小的標準。試驗得到的振動響應越大，證明激振技術越有效，越能為后期基于此試驗技術的其他試驗提供良好的數據基礎。

由于此類試驗國外設備制造商已有成功先例，而在國內尚屬首次開展，為降低試驗風險，采用試驗器自帶液體噴嘴進行試驗。噴嘴共有H、P、B等3個系列，各系列液體噴射形狀不同，H系列噴出油液為中空錐形；P系列為高流量型，噴出油液為半空心錐形；B系列為高壓力型，噴出油液為實心錐形，如圖3所示。

圖3 噴嘴

根據設備提供商先期試驗分析，H系列噴嘴液體已接近霧化，激振效果較差。因此本次試驗根據噴嘴庫存情況選擇2種P系列噴嘴P20和P5，1種B系列噴嘴B37進行對比試驗，3型噴嘴數據見表1。

試驗共需進行4次，各次試驗的噴嘴類型與噴嘴數組合見表2。

表1 噴嘴數據

表2 試驗組合

其中，第1、2、3次試驗用于對比不同噴嘴類型對試驗的影響；第2、4次試驗用于對比噴嘴數對試驗的影響。由于系統控制參數中壓力值和流量值是聯動的，控制參數的對比取壓力值進行。

圖4 應變計粘貼位置

圖5 測試葉片周向位置

葉片振動應力采用應變電測法測量。由于計劃針對葉片的1階振型進行激振，此振型下葉根應力最大，因此將應變片粘貼在葉片靠近葉根部位測量徑向應變（貼片位置如圖4所示），6片被測葉片在轉子上周向均勻布置，如圖5所示。通過試驗器配套引電器將應變片信號傳出至動態信號調理放大器中，再經數采模塊導入測試分析軟件處理。動應力測試分析系統結構如圖6所示。本次試驗共粘貼6個應變片，6號應變片在試驗前損壞，其余應變片在試驗中均獲得有效數據。