渦輪葉片高溫振動特性試驗技術研究

高翔，燕群，杭超，由于

（中國飛機強度研究所，西安 710065）

渦輪葉片是航空發動機的重要關鍵件，主要功能是將燃氣的動能與熱能轉換成機械能。渦輪葉片工作環境極其惡劣，高低周載荷循環作用（低周載荷分別為輪盤轉動帶來的離心力、燃氣帶來的高溫，高周載荷主要是氣流與旋轉葉片形成的交變的激振力）[1]。據統計，由振動引起的故障在航空發動機故障中占比超過60%，振動引起的葉片類部件故障在振動引起故障中的占比超過70%。我國現役的發動機大都出現過由于振動產生葉片斷裂的故障[2]。由此可見，振動引起的葉片故障問題非常嚴重亟待解決，研究葉片的振動特性具有重要意義。

在發動機實際工作條件下，渦輪葉片由于受到熱載荷、離心力、氣流激勵等多方面載荷的共同作用，產生的振動問題比常溫下復雜得多，開展高溫載荷條件下熱端葉片振動方面的研究工作在工程領域非常必要。近年來，國內外發展了許多結構振動與熱載荷耦合作用下模態分析方面的方法和技術。Librescu L 等人對薄壁結構在熱載荷條件下的模態和穩定性進行了理論分析[3]。艾書民等人重點研究了一維溫度場作用下渦輪葉片振動特性的分析方法[4]。肖俊峰團隊建立了葉片多載荷條件下的三維有限元分析模型，同時進行了溫度場和應力場的分析[5]。這些成果對渦輪葉片熱環境下模態分析均有一定的參考價值，但對于高溫條件下振動特性分析和測試工程應用來講仍不太成熟[6-7]。

針對渦輪葉片熱-結構耦合振動這一研究內容，文中以高壓渦輪工作葉片為研究對象，采用數值仿真方法建立虛擬熱試驗環境，通過石英燈組作為熱源，對葉片進行輻射加熱的穩態傳熱模式進行葉片振動特性試驗安裝系統溫度場分析，獲得了滿足試驗溫度要求下的溫度場分布。使用與虛擬熱試驗分析相同的結構網格劃分，將獲得的溫度場分布作為載荷條件施加給結構，進而分析獲取葉片結構的穩態熱振動特性響應。最后進行了葉片高溫振動特性試驗，獲取葉片的振動特性參數。對比虛擬試驗與物理試驗結果發現，兩者存在一定的誤差，但在允差范圍內。

1 虛擬熱試驗

葉片熱振試驗系統的安裝場景如圖1所示，圖中高溫合金夾具與葉片為榫連接，模擬葉片的實際安裝狀態。夾具用于夾持高溫合金，底面固定在振動臺面上，用于傳遞振動激勵，夾具下部開有空腔通入冷卻水。采用石英燈組加熱器對葉片進行輻射加熱，石英燈組沿葉身高度方向布置。虛擬熱試驗就是采用數值仿真方法建立熱試驗環境，石英燈為熱源，建立石英燈與葉片（包括試驗夾具）面-面輻射，石英燈、反射板與試驗件面-面輻射以及反射板面-面輻射關系。

熱振試驗首先需要確定熱環境，采用虛擬熱試驗方法進行熱試驗的石英燈加熱器的分區確定。采用數值仿真方法建立熱試驗環境，石英燈為熱源，建立各種輻射關系。

在 Abaqus 2016 X64平臺建立四面體有限元模型，整體模型如圖2所示。為了保留試驗件結構幾何特征，試驗件的有限元模型劃分較密。同樣地，與試驗件連接的高溫合金試驗件的有限元模型也劃分較密。不同模型之間采用了綁定連接。葉片采用四面體網格單元自由劃分建立，網格單元尺寸設置為1 mm，局部網格加密。高溫合金夾具采用四面體網格自由劃分，考慮高溫合金夾具與試驗件榫接觸，榫槽接觸部分網格單元尺寸加密[8-9]。

1.1 熱載荷

給定兩組石英燈，采用面-面輻射進行計算。通過調整熱載荷（石英燈的燈管溫度）使得試驗件表面溫度滿足試驗要求，為了提高試驗件根部的加熱效率，通過噴黑減小表面發射率。面-面輻射示意如圖3所示。

1.2 邊界條件

根據試驗要求在高溫合金夾具底部施加氣流冷卻邊界條件，在振動臺轉接夾具水流區域施加水流冷卻邊界條件，其他邊界絕熱。試驗件表面采用空間輻射邊界條件，黑度系數為0.8，環境溫度為300 K。

氣流冷卻邊界條件如圖4所示，水流冷卻邊界條件如圖5所示，試驗件表面和夾具外表面都施加了輻射邊界條件，如圖6所示。輻射背景溫度為293 K，分別設置夾具表面發射率、葉片表面外段表面發射率和內段表面發射率。

1.3 仿真分析結果

試驗系統仿真溫度如圖7所示，最高溫度為1271 K（998 ℃），發生在翼稍。最低溫度為670 K（367 ℃），發生在葉片最底端，符合葉片熱載荷要求。不同視向的葉片溫度云圖如圖8所示。

2 熱環境下振動特性分析

2.1 邊界條件

為進行試驗件安裝狀態、帶溫度場條件下的振動特性分析，將夾具底面采取全約束，如圖9所示。高溫合金夾具與葉片榫接觸綁定，夾具與高溫合金夾具面接觸綁定。葉片及試驗系統網格均采用四面體網格單元自由劃分建立，對于榫接觸、葉片氣膜孔通氣孔等結構局部加密。將文中1.3節計算所得葉片試驗系統虛擬熱試驗溫度場計算結果作為預定義場加載到動力學分析模型中；對葉片試驗系統進行振動特性分析，獲取其一階頻率與振型。

2.2 熱振條件下振動特性分析結果

試驗件第一階固有頻率分析結果如圖 10、圖 11所示。試驗安裝狀態下試驗件第一階固有頻率為2878.9 Hz。由試驗系統振型圖可知，在該頻率下試驗夾具處于非共振狀態，試驗安裝狀態下試驗件一階頻率振型與真實安裝狀態下試驗件一階振型一致。

2.3 高溫環境葉片振動特性測試

試驗現場俯視示意圖如圖12所示。葉片通過試驗安裝系統緊固在振動臺面上，在葉片熱振試驗中，通過石英燈組對葉片進行輻射加熱，分別對試驗安裝系統和加熱器進行水冷。利用掃描3D激光測振儀測試葉片的固有頻率，同時對振動臺體和測振儀采取隔熱措施[10]。

首先將葉片加熱至試驗溫度，保持葉身溫度均勻，待葉身溫度均勻和穩定后進行葉片的模態測試。根據仿真分析所得葉片可能的振動特性頻率范圍和振型分布情況，結合試驗件表面對激光測點的響應情況，在葉片緣板上方葉身部位布置40個測量點，如圖 13所示。通過掃描3D激光測振儀與高頻振動臺聯合試驗，獲得葉片高溫環境下的一階固有頻率為2651.2 Hz，一階彎曲振型如圖14所示。

3 結論

對比仿真計算所得振型與試驗所得振型，可以看出，試驗所測振型與仿真所得振型相吻合，但試驗所測一階頻率值（2651.2 Hz）小于仿真所得一階頻率值（2878.9 Hz）。究其原因，可能是邊界條件有差別：在仿真分析中對葉片榫接觸采用綁定約束，而實際試驗中榫接觸無法做到完全無滑移；另外仿真分析中夾具與高溫合金夾具面接觸采用綁定約束，實際試驗中利用螺栓連接來固定夾具與高溫合金夾具；邊界條件的差別導致連接剛度不同，因而試驗測得頻率較低。

文中采用虛擬試驗技術與真實物理試驗相結合的方式進行葉片的高溫振動特性試驗，探索了一種行之有效的葉片熱振虛擬試驗方法，基于這種方法給出了葉片高溫環境下的一階固有頻率和振型。通過對比虛擬實驗與物理試驗過程與結果，具體展示了數據處理和分析的過程，實現了葉片高溫模態數據的確定。該方法可以為葉片振動特性測試提供科學依據，并對葉片的疲勞試驗研究提供了良好的參考，具有一定的工程應用價值。