某發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片應(yīng)力分布試驗(yàn)研究

劉濤　范秀杰　經(jīng)留洋

摘 要：針對(duì)某航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)第5級(jí)轉(zhuǎn)子葉片，利用敲擊法得出前三階固有頻率；通過(guò)葉片應(yīng)力分布試驗(yàn)，找出最大應(yīng)力點(diǎn)位置，為葉片采取排故措施或安全監(jiān)測(cè)提供重要數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：葉片；固有頻率；應(yīng)力分布

1 概述

發(fā)動(dòng)機(jī)故障中大部分屬于葉片振動(dòng)故障，由于葉片振動(dòng)引起斷裂故障的影響因素很多，目前還很難用理論的方法準(zhǔn)確地計(jì)算或進(jìn)行預(yù)測(cè)[1]。所以，對(duì)葉片振動(dòng)特性的確定，必須建立在可靠的試驗(yàn)基礎(chǔ)上。

某高壓壓氣機(jī)第5級(jí)轉(zhuǎn)子葉片選用TA19制造。該合金在國(guó)外商用發(fā)動(dòng)機(jī)已得到成熟而廣泛的應(yīng)用，但在國(guó)內(nèi)首次作為轉(zhuǎn)動(dòng)件用材料使用，對(duì)于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用和TA19轉(zhuǎn)子葉片的制造工藝缺乏經(jīng)驗(yàn)積累。由于前期未開(kāi)展充分的工藝研究工作，葉片在腐蝕檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)鍛造過(guò)程中產(chǎn)生的剪切帶組織，為研究這些剪切帶是否對(duì)葉片性能產(chǎn)生影響，急需開(kāi)展相關(guān)振動(dòng)特性測(cè)試工作，為后續(xù)處理類(lèi)似問(wèn)題提供數(shù)據(jù)支持。

2 試驗(yàn)技術(shù)要求

（1）試驗(yàn)溫度為室溫；（2）試驗(yàn)時(shí)葉片保持剛性固定；（3）頻率測(cè)量精度不低于1Hz。

3 葉片固有頻率測(cè)試

3.1 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

固有頻率測(cè)試試驗(yàn)采用敲擊法[2]，測(cè)試系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

3.2 葉片固有頻率測(cè)試試驗(yàn)

通過(guò)錘擊法，經(jīng)過(guò)傳遞函數(shù)分析完成葉片1～3階固有頻率測(cè)試。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

4 葉片應(yīng)力分布試驗(yàn)

在一階彎曲頻率下測(cè)量葉片表面的應(yīng)力分布，確定應(yīng)力最大區(qū)域。

4.1 應(yīng)變片粘貼

在葉片的同一截面內(nèi)，應(yīng)變片貼在振動(dòng)應(yīng)力較大的地方，即葉盆的進(jìn)、排氣邊緣，葉背的中部。

應(yīng)變片的方向沿著葉片長(zhǎng)度方向粘貼，其密度程度視葉片振動(dòng)應(yīng)力急劇變化的程度而定，應(yīng)力變化急劇時(shí)，應(yīng)變片粘貼密集些，以便判斷葉片的振型及繪制應(yīng)力曲線分布圖。應(yīng)變片是傳遞試件的微小變形的敏感元件，因此其粘貼工作，是整個(gè)試驗(yàn)中最重要環(huán)節(jié)，應(yīng)變片處理的好壞直接影響測(cè)試結(jié)果。在應(yīng)變片粘貼前，需要對(duì)葉片的貼片部位進(jìn)行打磨，用酒精、丙酮擦拭，以保持粘貼部位的清潔。粘貼好的應(yīng)變片應(yīng)有一定的粘結(jié)強(qiáng)度，才能準(zhǔn)確傳遞葉片的變形，還應(yīng)有一定的絕緣強(qiáng)度，才能進(jìn)行電阻的正確測(cè)量。本試驗(yàn)應(yīng)變片粘貼位置示意圖見(jiàn)圖2。

粘貼好的應(yīng)變片，經(jīng)固化和穩(wěn)定處理后，應(yīng)測(cè)量應(yīng)變片電阻和絕緣，以檢查貼片過(guò)程中敏感柵和引線是否損壞，引線與葉片之間是否絕緣。

4.2 應(yīng)力分布測(cè)試結(jié)果

將貼好應(yīng)變片的葉片分別安裝到電磁振動(dòng)臺(tái)上，調(diào)整振動(dòng)臺(tái)的激振力大小，使之達(dá)到一彎共振狀態(tài)，記錄數(shù)據(jù)。應(yīng)力分布試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，應(yīng)力沿葉高分布曲線見(jiàn)圖3。

4.3 葉片應(yīng)力-幅值標(biāo)定試驗(yàn)

標(biāo)定試驗(yàn)為隨機(jī)抽取三件葉片，在葉盆和葉背分別粘貼應(yīng)變片[3]。在一彎共振頻率下，調(diào)整振動(dòng)臺(tái)的激振力，讀取不同激振力下葉尖的振動(dòng)幅值和應(yīng)力值，利用最小二乘法進(jìn)行直線擬合，經(jīng)計(jì)算確定幅值與應(yīng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系。經(jīng)過(guò)反復(fù)貼片對(duì)比，三件葉片的最大應(yīng)力點(diǎn)均在葉背根部。

5 結(jié)束語(yǔ)

研究葉片振動(dòng)，因此通常將重點(diǎn)放在一階彎曲振動(dòng)上。從整個(gè)試驗(yàn)研究過(guò)程可以得出以下結(jié)論：（1）從葉片應(yīng)力分布曲線可以看

出，一階彎曲振動(dòng)應(yīng)力從葉根到葉尖呈從大到小的趨勢(shì)，而且葉背的應(yīng)力明顯大于葉盆進(jìn)、排氣邊的應(yīng)力。（2）由應(yīng)力-幅值標(biāo)定試驗(yàn)可看出，最大應(yīng)力點(diǎn)在葉背根部。（3）整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)變片工作正常，應(yīng)力分布結(jié)果符合規(guī)律。

參考文獻(xiàn)

[1]佟剛，喬永利.航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子葉片-盤(pán)耦合共振特性分析[J].沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010（5）：6-7.

[2]宋兆泓，李其漢.發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度振動(dòng)測(cè)試技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1981.

[3]張如一，沈觀林，李朝弟.應(yīng)變電測(cè)與傳感器[M].北京：清華大學(xué)出版社，1999.

作者簡(jiǎn)介：劉濤（1979-），女，遼寧省錦州市人，工程師，就職于沈陽(yáng)黎明公司技術(shù)中心，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的強(qiáng)度分析、

振動(dòng)特性及疲勞考核試驗(yàn)研究等工作。