航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片振動(dòng)特性試驗(yàn)研究

楊文鑫，蔡增杰，陸錦斌，王彥芳

（青島蘇試海測(cè)檢測(cè)技術(shù)有限公司，山東 青島 266109）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片受力復(fù)雜，工作環(huán)境嚴(yán)酷，葉片振動(dòng)疲勞損傷故障是整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)故障的主要故障模式[1-2]。因而葉片的振動(dòng)特性決定著葉片工作的安全性、可靠性及使用壽命，通過(guò)葉片的振動(dòng)疲勞試驗(yàn)可以得到葉片的疲勞壽命。從目前的研究可以看出，隨著對(duì)研究精度的要求越來(lái)越高，對(duì)于葉片僅僅局限于用軟件分析以及程序模擬，已不能滿足精度要求[3-4]。文中在應(yīng)用軟件分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)在振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)上對(duì)葉片進(jìn)行高應(yīng)力振動(dòng)試驗(yàn)，對(duì)振動(dòng)特性進(jìn)行了研究，得到了應(yīng)力與振幅、頻率之間的關(guān)系，從而為進(jìn)一步研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的疲勞壽命奠定基礎(chǔ)[5-11]。

1 葉片模態(tài)分析

航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片采用DD6單晶合金材料[5]，采用4節(jié)點(diǎn)四面體單元建立葉片有限元模型，有限元模型坐標(biāo)系與原幾何模型保持一致，整個(gè)模型共劃分為103 866個(gè)節(jié)點(diǎn)、449 238個(gè)單元，如圖1所示。

約束葉片榫頭表面單元節(jié)點(diǎn)的3個(gè)自由度，進(jìn)行模態(tài)分析。葉片模態(tài)分析結(jié)果表明，在0～8000 Hz范圍內(nèi)，葉片具有1個(gè)彎曲模態(tài)和1個(gè)扭轉(zhuǎn)模態(tài)。其一階彎曲頻率計(jì)算結(jié)果為3584 Hz，彎曲振型如圖2所示。一階扭轉(zhuǎn)頻率計(jì)算結(jié)果為5576 Hz，扭轉(zhuǎn)振型如圖3所示。

通過(guò)模態(tài)分析得到葉片的固有頻率，同時(shí)可得到一階彎曲變形與一階扭轉(zhuǎn)變形，最大變形發(fā)生在葉片的頂端。

2 葉片振動(dòng)試驗(yàn)研究

采用激光多普勒原理，通過(guò)單點(diǎn)激勵(lì)，多點(diǎn)拾振（Simo）激光掃描測(cè)振系統(tǒng)測(cè)量葉片振動(dòng)特性。采用共振的原理（如圖4所示），在葉片一階彎曲振型固有頻率下完成振動(dòng)試驗(yàn)，其中振動(dòng)臺(tái)外觀如圖 5所示，將裝配體整體安裝在振動(dòng)臺(tái)上如圖6所示。

對(duì)安裝在振動(dòng)臺(tái)上的葉片進(jìn)行正弦掃頻試驗(yàn)，通過(guò)掃頻試驗(yàn)得到在3286 Hz附近時(shí)葉片發(fā)生共振，如圖 7所示。與理論分析所得固有頻率相比，誤差為8.31%，滿足工程誤差小于10%的要求。

3 葉片應(yīng)力與幅值、頻率關(guān)系的標(biāo)定

依據(jù)梁的振動(dòng)理論可推導(dǎo)出葉片葉尖振幅a與葉片自振頻率f的乘積af，可以用來(lái)表征葉片的應(yīng)力σ，他們之間的關(guān)系可表達(dá)為σ=D·af，其中D為常數(shù)[1]。為了對(duì)葉片的應(yīng)力與幅值、頻率的關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定，在得到共振頻率3286 Hz的基礎(chǔ)上，按10g，15g，20g，25g，30g，35g，40g掃頻加速度下對(duì)三組葉片進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，對(duì)葉片的應(yīng)力（由測(cè)量的應(yīng)變計(jì)算）及振幅進(jìn)行測(cè)量，得到的結(jié)果見(jiàn)表1。測(cè)得最大應(yīng)力點(diǎn)位置（葉片葉盆靠近榫頭處氣孔旁）如圖8所示，葉片應(yīng)力振幅關(guān)系標(biāo)定如圖9所示。

表1 應(yīng)力幅值

采用一元線性回歸方程的假設(shè)理論，對(duì)表1的三組葉片的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到直線回歸方程：

擬合得到σ=1.8759af，其中R=0.994，經(jīng)線性相關(guān)假設(shè)檢驗(yàn)和擬合優(yōu)度檢驗(yàn)，能夠滿足要求。

4 結(jié)論

1）對(duì)葉片進(jìn)行模態(tài)分析，得到葉片的固有頻率，通過(guò)振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性。

2）在振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)上對(duì)葉片進(jìn)行高應(yīng)力振動(dòng)試驗(yàn)，對(duì)振動(dòng)特性進(jìn)行了研究，得到了葉片在不同加速度下的振動(dòng)的應(yīng)力及幅值。

3）通過(guò)標(biāo)定的葉片所受應(yīng)力與振幅、頻率的關(guān)系曲線及擬合的表達(dá)式，可以實(shí)現(xiàn)在試驗(yàn)無(wú)法達(dá)到超高應(yīng)力的情況下，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的應(yīng)力進(jìn)行預(yù)測(cè)。

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