渦輪帶冠葉片共振頻率分析

陳香，朱靖，梁恩波，李光輝，滕光蓉

(中國燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703)

渦輪帶冠葉片共振頻率分析

陳香，朱靖，梁恩波，李光輝，滕光蓉

(中國燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703)

利用渦輪帶冠葉片干摩擦阻尼減振試驗系統(tǒng)，分析了阻尼塊與葉冠間正壓力、阻尼塊材料和接觸面積及激振力對葉片共振頻率的影響。試驗結(jié)果顯示，在特殊正壓力加載時，葉片共振頻率產(chǎn)生漂移現(xiàn)象，在其它正壓力加載條件下，葉片共振頻率隨正壓力增大基本不變；阻尼塊面積和材料在不同激振力范圍，對葉片共振頻率產(chǎn)生不同影響。另外，通過試驗還獲取了葉片共振頻率隨外部參數(shù)的變化規(guī)律及葉片共振頻率的大致漂移量，其結(jié)果對帶冠阻尼減振系統(tǒng)的設(shè)計和工程應(yīng)用都具有參考意義。

航空發(fā)動機；渦輪帶冠葉片；干摩擦阻尼減振；共振頻率；最優(yōu)正壓力；試驗

best positive pressure；test

1 引言

航空發(fā)動機渦輪葉片是把高溫燃?xì)獾哪芰哭D(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子機械功的重要零件，承受著高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的巨大離心力、氣體力、振動負(fù)荷、高溫燃?xì)庖鸬母g及燃?xì)鉁囟茸兓纬傻臒嶝?fù)荷，工作環(huán)境十分惡劣[1]。葉片在工作過程中受到氣流沖刷產(chǎn)生振動，當(dāng)激振力的某階諧波頻率與葉片的某階共振頻率接近或重合時，葉片會產(chǎn)生共振，在阻尼較小的情況下常常導(dǎo)致疲勞失效和故障斷裂。據(jù)統(tǒng)計，由葉片失效引起的60%～80%的故障與葉片振動有關(guān)。現(xiàn)代航空發(fā)動機低壓渦輪和中壓渦輪多采用阻尼葉片，利用葉片與阻尼塊之間的相互摩擦吸收振動能量，從而達(dá)到有效減振效果。

葉片阻尼主要包括緣板阻尼、葉冠阻尼及金屬箍帶和拉筋阻尼等。國內(nèi)外針對緣板阻尼的研究較多[2～5]，其次是針對接觸運動更為復(fù)雜的葉冠阻尼的研究[6～9]。文獻(xiàn)[10]設(shè)計了一套能準(zhǔn)確施加凸肩接觸面正壓力的非旋轉(zhuǎn)狀態(tài)帶凸肩葉片減振特性試驗系

統(tǒng)，對凸肩接觸面正壓力、凸肩接觸角度及凸肩位置等重要參數(shù)對系統(tǒng)的減振效果進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[11]通過試驗分析，得出了非旋轉(zhuǎn)狀態(tài)帶冠葉片減振系統(tǒng)的重要參數(shù)對帶冠葉片動力特性和減振效果的影響規(guī)律；文獻(xiàn)[12]利用設(shè)計的渦輪帶冠葉片干摩擦阻尼減振試驗系統(tǒng)，研究了在采用不同接觸面積、不同材料阻尼塊在不同接觸緊度的壓力加載情況下，渦輪葉片的減振效果。

渦輪帶冠葉片的減振機理決定葉冠所受摩擦力具有明顯的非線性特性。前人的設(shè)計經(jīng)驗表明，葉冠結(jié)構(gòu)的存在使得不同工況下帶冠葉片的頻率發(fā)生漂移，準(zhǔn)確計算和控制葉片的共振頻率，對于避免葉片共振疲勞而產(chǎn)生的斷裂問題尤為重要。要模擬出帶冠葉片呈現(xiàn)明顯非線性特性的真實邊界條件有一定難度，不同的計算方法及有限元網(wǎng)格離散也會引起一定誤差，這些因素使得理論分析所得頻率與實際存在較大偏差[13]。因此通過系列試驗摸索出帶冠葉片共振頻率隨系統(tǒng)重要參數(shù)的變化規(guī)律非常有必要，而現(xiàn)有文獻(xiàn)中對此的研究較少。

本文利用文獻(xiàn)[12]中的渦輪帶冠葉片干摩擦阻尼減振試驗系統(tǒng)，采用不同材料和不同接觸面積的阻尼塊進(jìn)行減振，在10種正壓力加載和5種激振力作用下測量出測點的振幅和葉片頻率，來分析、總結(jié)系統(tǒng)重要參數(shù)對渦輪葉片共振頻率的影響規(guī)律。

2 試驗系統(tǒng)

本試驗系統(tǒng)搭建在一振動平臺(圖1)上。激振力信號由信號發(fā)生器傳出，通過功率放大器送至電磁激振器，最后施加到葉片激振點，力傳感器與激振器傳力桿相連以測量激振力幅值。為模擬葉片與阻尼塊之間的接觸緊度，采用兩個壓力加載器對帶冠葉片兩端的阻尼塊同時施加正壓力，正壓力由拉壓力傳感器測量，與拉壓力傳感器連接的電壓表可表征正壓力大小。采用電渦流測振儀測量葉片振幅和頻率，各測量參數(shù)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行分析處理。

3 試驗方法

試驗采用材料為1Cr11Ni2W2MoV的平板帶冠葉片。為確定試驗過程中葉片振型，分別在葉片端部和中部選擇一個測點，測點及激振點位置見圖2。試驗中采用了三種不同類型阻尼塊，見表1。

試驗時葉片通過夾具固定在振動平臺上。葉片兩端安裝側(cè)支板，用于對轉(zhuǎn)接段進(jìn)行支撐和導(dǎo)向。轉(zhuǎn)接段一端的空腔中置入阻尼塊(阻尼塊與空腔之間留有一定間隙，以免影響阻尼塊與葉冠間在振動過程中的摩擦效果)，另一端連接拉壓力傳感器后，穿過側(cè)支板上端的圓孔，使阻尼塊與葉冠充分接觸。葉冠壓力加載及振動測試示意圖如圖3所示。試驗過程中，對葉片施加不同激振力和不同正壓力加載，采用掃頻法記錄葉片共振時測點的振幅和頻率，利用半功率帶寬法計算系統(tǒng)阻尼比。

4 試驗結(jié)果

經(jīng)驗表明，干摩擦阻尼結(jié)構(gòu)的存在使得系統(tǒng)具有明顯的非線性特性，系統(tǒng)參數(shù)變化會使得共振頻率漂移，這是阻尼結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中需注意的問題。為考察系統(tǒng)采用不同材料和不同接觸尺寸的阻尼塊時，共振頻率隨激振力和正壓力的變化規(guī)律，通過試驗過程中的不斷調(diào)整，最終選定30、50、100、200、300、400、500、600、700、800 N共10種正壓力加載，在每種正壓力加載下，對系統(tǒng)分別施加20、40、60、80、100 N激振力。以下從正壓力、阻尼塊的材料和接觸面積、激振力對共振頻率的影響，及共振頻率、最優(yōu)正壓力與系統(tǒng)阻尼比隨激振力變化趨勢的對應(yīng)關(guān)系四方面，對試驗結(jié)果進(jìn)行分析和總結(jié)。

4.1 正壓力對葉片共振頻率的影響

激振力一定(激振力大小和激振點位置不變)時，在不同正壓力加載下測量測點1和測點2的振幅。對比發(fā)現(xiàn)，測點2的振幅始終大于測點1的振幅，即葉片中部的振幅大于葉尖的振幅。據(jù)此判定振動過程中葉片振型為二階彎曲振型，因此本文主要考察葉片的二彎共振頻率。

對阻尼塊施加不同的正壓力模擬阻尼塊與葉冠之間不同的接觸緊度，該減振系統(tǒng)分別采用三種不同阻尼塊時，葉片共振頻率隨正壓力的變化呈現(xiàn)出較為一致的規(guī)律(圖4)。

激振力為20 N時，葉片共振頻率隨正壓力的變化曲線均類似于正弦曲線，總體呈增大趨勢；激振力為40、60、80、100 N時，在正壓力增大過程中，葉片共振頻率均出現(xiàn)一次或兩次漂移。在各激振力一定時，葉片共振頻率出現(xiàn)漂移對應(yīng)的正壓力加載大小見表2；在其它正壓力加載下，葉片共振頻率無較大變化。由表2可得出，采用三種阻尼塊時的葉片共振頻率漂移量在3.4%～5.1%之間。

由此可總結(jié)為：在激振力一定的情況下，葉片共振頻率隨正壓力增大的總體變化趨勢是增大，這是由于正壓力增大使得系統(tǒng)等效剛度增大所致。不同激振力情況下，葉片共振頻率隨正壓力增大呈不同的變化規(guī)律。激振力較小(20 N)時，葉片共振頻率或增大或減小，這是由于激振力較小時阻尼塊與葉冠間約束狀態(tài)不穩(wěn)定所致。激振力較大(40～100 N)時，葉片共振頻率呈現(xiàn)出較為一致的變化規(guī)律：隨著正壓力的增大，葉片共振頻率出現(xiàn)一次或兩次突增現(xiàn)象，系統(tǒng)受到的激振力越大，葉片共振頻率出現(xiàn)漂移現(xiàn)象所對應(yīng)的正壓力越大，其它正壓力加載下葉片共振頻率基本不變。突增(漂移)現(xiàn)象是由于隨著正壓力的增大，阻尼塊與葉冠接觸面上大部分接觸點會經(jīng)歷滑移、滑移-粘滯、粘滯三種接觸情況，在接觸情況發(fā)生轉(zhuǎn)換時，阻尼塊與葉冠間的約束狀態(tài)發(fā)生很大變化，使得減振系統(tǒng)呈現(xiàn)強非線性特性；除去葉片共振頻率出現(xiàn)漂移時對應(yīng)的正壓力，在其它正壓力加載下，阻尼塊與葉冠間的約束狀態(tài)較為穩(wěn)定，耦合剛度基本不變，減振系統(tǒng)則呈現(xiàn)出與線性系

統(tǒng)類似的特性，因此表現(xiàn)為共振頻率較為穩(wěn)定。

4.2 阻尼塊材料和接觸面積對葉片共振頻率的影響4.2.1阻尼塊材料的影響

阻尼塊材料不同，則阻尼塊與葉冠接觸面間的摩擦系數(shù)不同。對比系統(tǒng)采用不同材料的阻尼塊1和阻尼塊3的試驗結(jié)果，考察接觸面積相同、材料不同的兩種阻尼塊對葉片共振頻率的影響。

葉片受到較大激振力(大于40 N)、正壓力加載小于100 N時，采用阻尼塊1時的葉片共振頻率有漂移，漂移量約3.9%，而采用阻尼塊3時的葉片共振頻率較為穩(wěn)定；正壓力加載大于100 N時，葉片共振頻率變化趨勢較為一致(圖5(a))。葉片受到較小激振力(小于40 N)時，采用兩種阻尼塊時葉片共振頻率隨正壓力增大變化的趨勢基本一致，不同之處在于葉片共振頻率出現(xiàn)漂移時對應(yīng)的正壓力不同，采用阻尼塊1、阻尼塊3時，對應(yīng)的正壓力分別為400 N和500 N(圖5(b))。

試驗結(jié)果表明：激振力和正壓力加載至不同范圍時，阻尼塊材料對葉片共振頻率的影響不同。激振力大于40 N、正壓力小于100 N時，阻尼塊材料會影響葉片共振頻率是否產(chǎn)生漂移；激振力小于40 N時，阻尼塊材料對葉片共振頻率產(chǎn)生漂移時對應(yīng)的正壓力大小有影響。

4.2.2 阻尼塊接觸面積的影響

選取阻尼塊1和阻尼塊2，在不同正壓力和激振力加載下，考察阻尼塊接觸面積對葉片頻率的影響。

葉片受到較大激振力(大于40 N)時，分別采用兩種阻尼塊時葉片共振頻率均存在兩次漂移，漂移量大小相當(dāng)，不同之處在于采用阻尼塊2時系統(tǒng)發(fā)生漂移對應(yīng)的正壓力較大(圖5(a))；葉片受到較小激振力(小于40 N)時，采用阻尼塊1系統(tǒng)共振頻率隨正壓力增大出現(xiàn)一次漂移，而采用阻尼塊2出現(xiàn)兩次漂移(圖5(b))。

試驗結(jié)果表明：阻尼塊接觸面積隨激振力變化對葉片共振頻率產(chǎn)生不同影響，激振力大于40 N時，阻尼塊接觸面積對葉片共振頻率產(chǎn)生漂移對應(yīng)的正壓力大小有影響；激振力小于40 N時，阻尼塊接觸面積對葉片共振頻率漂移次數(shù)有影響。

4.3 激振力對葉片共振頻率的影響

正壓力一定，分別采用三種阻尼塊，考察激振力對葉片共振頻率的影響。圖6示出了系統(tǒng)采用阻尼塊2時在正壓力一定情況下葉片共振頻率隨激振力的變化。可見，在系統(tǒng)正壓力加載為100 N、所受激振力為60～80 N時，葉片共振頻率隨激振力增大呈增大趨勢；除此之外，在其它正壓力加載下，隨著系統(tǒng)所受激振力的增大，葉片共振頻率均呈減小趨勢。

圖7所示為系統(tǒng)采用阻尼塊2時在正壓力一定情況下系統(tǒng)阻尼比隨激振力的變化趨勢?？梢?，在正壓力為100 N、受到的激振力為60～80 N時，系統(tǒng)阻尼比隨激振力增大而減小，因此可認(rèn)為阻尼塊與葉冠接觸面間在此受力狀態(tài)下產(chǎn)生了同相共振，致使阻尼塊減振效果減弱，從而導(dǎo)致葉片共振頻率增大。針對其它受力狀態(tài)下葉片共振頻率隨激振力增

大而減小的變化規(guī)律，原因在于：激振力增大使得葉片振動位移增大，因而阻尼塊與葉片間摩擦力方向位移增加，使得系統(tǒng)耗散能量增大，即系統(tǒng)阻尼比變大(圖7)，從而阻尼塊與葉片間的耦合剛度減小，最終表現(xiàn)為系統(tǒng)共振頻率不斷減小。

由以上分析可得出：除特殊受力狀態(tài)下阻尼塊與葉冠接觸面產(chǎn)生同相振動外，一般情況下葉片共振頻率隨激振力增大呈減小趨勢。

4.4 共振頻率、最優(yōu)正壓力與系統(tǒng)阻尼比隨激振力

變化趨勢的對應(yīng)關(guān)系

對比圖6和圖7可知，在大部分受力狀態(tài)下，隨著激振力的增大，系統(tǒng)阻尼比呈增大趨勢，對應(yīng)葉片共振頻率呈減小趨勢；在特定受力狀態(tài)下(正壓力為100 N、受到的激振力為60～80 N時)，隨著激振力的增大，系統(tǒng)阻尼比呈減小趨勢，對應(yīng)葉片共振頻率呈增大趨勢。

針對系統(tǒng)阻尼比和葉片共振頻率隨激振力變化完全相反的變化趨勢，在實際工程應(yīng)用中，可通過葉片共振頻率的變化趨勢大致推斷出系統(tǒng)阻尼比的變化趨勢。

激振力一定時，通過考察不同正壓力加載時測點1(葉尖)和測點2(葉片中部)的振幅，發(fā)現(xiàn)測點2的振幅始終比測點1的大，因此以測點2的振幅為參考，將該點振幅最小時阻尼塊與葉冠所受正壓力稱為最優(yōu)正壓力。試驗結(jié)果顯示，系統(tǒng)采用三種阻尼塊時均存在不同的最優(yōu)正壓力或最優(yōu)正壓力區(qū)域，其中采用阻尼塊2時系統(tǒng)的最優(yōu)正壓力為100 N(圖8)。對比圖6和圖7可見：當(dāng)系統(tǒng)加載最優(yōu)正壓力為100 N、在受到一定范圍內(nèi)激振力(小于60 N、大于95 N)情況下，其系統(tǒng)阻尼比遠(yuǎn)大于其它正壓力、激振力加載狀態(tài)下的系統(tǒng)阻尼比。

最優(yōu)正壓力與系統(tǒng)阻尼比之間存在一定對應(yīng)關(guān)系，即系統(tǒng)處于最優(yōu)正壓力加載狀態(tài)時的系統(tǒng)阻尼比呈現(xiàn)最大值。

5 結(jié)論

由于渦輪帶冠葉片干摩擦阻尼減振系統(tǒng)的強非線性特性，使得葉片共振頻率隨系統(tǒng)外部參數(shù)變化會產(chǎn)生漂移。本文通過多次試驗摸清葉片共振頻率隨外部參數(shù)的變化規(guī)律，及系統(tǒng)共振頻率的大致漂移量，其結(jié)果對帶冠阻尼減振系統(tǒng)實際運用及理論計算都具有較為重要的參考意義。研究結(jié)論為：

(1)葉片中部振幅始終大于葉尖振幅，由此判斷葉片振型為二彎振型；葉片共振頻率隨正壓力增大總體呈增大趨勢，當(dāng)系統(tǒng)受到較大激振力(大于20 N)、正壓力增大到一定程度時，葉片共振頻率出現(xiàn)漂移，漂移量約為3.4%～5.1%，而其它正壓力狀態(tài)下，葉片共振頻率基本保持不變。

(2)對應(yīng)不同范圍的激振力和正壓力加載，阻尼塊的材料和接觸面面積，分別對葉片共振頻率的漂移次數(shù)及共振頻率產(chǎn)生漂移時對應(yīng)的正壓力大小產(chǎn)生影響；共振頻率在試驗范圍內(nèi)隨正壓力增大最多產(chǎn)生了兩次漂移。由于共振頻率漂移現(xiàn)象由阻尼塊與葉冠間的接觸狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換所致(接觸狀態(tài)包括滑移、滑移-粘滯、粘滯)，由此可推斷，在更大的正壓力加載范圍內(nèi)，隨正壓力增大葉片共振頻率最多只會出現(xiàn)兩次漂移。

(3)除少數(shù)特殊受力狀態(tài)下阻尼塊與葉冠接觸面產(chǎn)生同相振動外，一般情況下葉片共振頻率隨激振力增大呈減小趨勢。

(4)系統(tǒng)阻尼比和葉片共振頻率兩者隨激振力變化具有完全相反的變化趨勢；處于最優(yōu)正壓力加載狀態(tài)時的系統(tǒng)阻尼比呈現(xiàn)最大值。

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Analysis for Resonant Frequency of Shrouded Turbine Blade

CHEN Xiang，ZHU Jing，LIANG En-bo，LI Guang-hui，TENG Guang-rong
(China Gas Turbine Establishment，Jiangyou 621703，China)

With a dry friction damping test system of shrouded turbine blades,the effects of positive pres?sure between damping block and blade shroud,material and contact area of damping block and the excita?tion force on resonant frequency of the blade were analyzed.The results show that resonant frequency of the blade loaded special positive pressure has excursion phenomenon,while it will keep changeless when load?ed other increasing positive pressure.In addition,material and contact areas of damping block impose dif?ferent effects on the resonant frequency of the blade loaded different ranges of excitation force.Varying rules of blade resonant frequency by some parameters and approximate excursion value of resonant frequen?cy were obtained,and the results of experiment are referential for design and application of friction damping system of shrouded turbine blades.

aero-engine；shrouded turbine blade；dry friction damping；resonant frequency；

V232.4

：A

：1672-2620(2014)01-0018-05

2013-05-06；

：2013-07-22

陳香(1980-)，女，四川德陽人，高級工程師，碩士，主要從事航空發(fā)動機振動測試技術(shù)研究工作。