航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片振動(dòng)應(yīng)力分析

董妍　范秀杰　劉濤

摘 要：航空發(fā)動(dòng)機(jī)是工業(yè)設(shè)計(jì)制造的集大成之作。 航空發(fā)動(dòng)機(jī)需要在高溫、高壓的惡劣工況條件下工作，且航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的各零部件將承受巨大的作用力，以渦扇航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的轉(zhuǎn)子葉片為例，由于風(fēng)扇葉片的尺寸較大且處于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的最前沿，對(duì)于復(fù)雜工作環(huán)境的影響反應(yīng)也越敏感，風(fēng)扇葉片的損傷頻次、故障率也是最高的，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的設(shè)計(jì)過(guò)程中出于減振方面的考慮，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的設(shè)計(jì)中多采用的是凸肩的設(shè)計(jì)，而這一設(shè)計(jì)將使得航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中因凸肩之間的擠壓和摩擦而使得風(fēng)扇葉片的自振頻率和應(yīng)力分布產(chǎn)生較大的變化，為保障航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的正常運(yùn)作需要積極做好航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的振動(dòng)測(cè)試，測(cè)取航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片在實(shí)際工作中所承受的振動(dòng)應(yīng)力，為后續(xù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的設(shè)計(jì)和制造提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)；風(fēng)扇葉片；振動(dòng)；測(cè)試

中圖分類號(hào)：V232 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中承受著復(fù)雜的工作應(yīng)力，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試對(duì)于后續(xù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的設(shè)計(jì)驗(yàn)證和優(yōu)化改進(jìn)有著重要的意義。本文在分析航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片振動(dòng)測(cè)試必要性的基礎(chǔ)上以某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片為例設(shè)計(jì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片振動(dòng)應(yīng)力地面試驗(yàn)方案，通過(guò)開展臺(tái)架試驗(yàn)和裝機(jī)地面試驗(yàn)用以對(duì)某型號(hào)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，從而開展航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的振動(dòng)應(yīng)力分析，以此來(lái)保障航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片具有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片振動(dòng)測(cè)試的重要意義

航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片振動(dòng)應(yīng)力測(cè)試是保障航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片具有足夠結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的重要舉措之一，通過(guò)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片實(shí)際運(yùn)行中的振動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試測(cè)量能夠有效地幫助航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化和試驗(yàn)驗(yàn)證。以渦扇航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片為例，航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的尺寸較大且處于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣的最前端，受到外部復(fù)雜環(huán)境的影響最大為保障航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的使用壽命，需要積極做好航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的振動(dòng)測(cè)試以確保航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片具有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片在設(shè)計(jì)中為了減振，在設(shè)計(jì)時(shí)多采用的是凸肩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，帶凸肩的航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的振動(dòng)應(yīng)力將會(huì)受到葉片葉型、葉片材料、凸肩之間的擠壓和摩擦等多種因素的影響，上述各種因素相互交叉共同作用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片，使得航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的自振頻率和應(yīng)力分布極難預(yù)測(cè)和計(jì)算，航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片振動(dòng)除了受上述因素的影響外，還受航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片工作時(shí)周邊大氣環(huán)境溫度、航空發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝狀態(tài)等因素的影響，各種因素的影響使得航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片振動(dòng)特性的計(jì)算與預(yù)測(cè)難度極大，為了了解和掌握航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的振動(dòng)特性，需要積極開展航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)測(cè)試，用以對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片實(shí)際工作中的振動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試測(cè)量。相對(duì)于國(guó)外我國(guó)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)件的載荷測(cè)量領(lǐng)域起步較晚，國(guó)外通過(guò)多年的研究與發(fā)展已經(jīng)形成了較為系統(tǒng)完善的航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片振動(dòng)應(yīng)力測(cè)量方法與技術(shù)。我國(guó)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片的振動(dòng)應(yīng)力測(cè)量相對(duì)于國(guó)外起步較晚，應(yīng)當(dāng)積極加強(qiáng)對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片振動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn)的研究與應(yīng)用。本文以某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)為例對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片振動(dòng)測(cè)試方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，用以對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片在實(shí)際工作條件下的振動(dòng)應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試測(cè)量。

2 某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片振動(dòng)測(cè)試方案

在對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片振動(dòng)測(cè)試方案的設(shè)計(jì)上需要以航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片的靜強(qiáng)度、振動(dòng)模態(tài)仿真分析和疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片上選定應(yīng)力較為集中的區(qū)域作為應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)，使用應(yīng)變計(jì)來(lái)對(duì)進(jìn)行葉片振動(dòng)頻率、幅度的測(cè)量。在地面試驗(yàn)中主要分為臺(tái)架和裝機(jī)地面兩大試驗(yàn)階段。對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片的地面試驗(yàn)主要包括穩(wěn)定狀態(tài)試驗(yàn)和過(guò)渡狀態(tài)試驗(yàn)兩大方面的內(nèi)容，為更好地反應(yīng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片在各種航空發(fā)動(dòng)機(jī)各種工作狀態(tài)下的振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅度，應(yīng)當(dāng)從航空發(fā)動(dòng)機(jī)的各個(gè)工作狀態(tài)入手（最小、中間及最大狀態(tài)）對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片的振動(dòng)特性進(jìn)行測(cè)試：

（1）在航空發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定狀態(tài)下的地面試驗(yàn)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)按照規(guī)范進(jìn)行正常啟動(dòng)用以測(cè)試航空發(fā)動(dòng)機(jī)在各種狀態(tài)下穩(wěn)定工作時(shí)航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片的振動(dòng)特性。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定狀態(tài)應(yīng)當(dāng)囊括地面慢車、空中慢車、最大連續(xù)和最大狀態(tài)等多個(gè)典型的穩(wěn)定工作狀態(tài)，油門桿往返各兩次用以對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片在這一工作狀態(tài)下的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量記錄。

（2）過(guò)渡狀態(tài)地面試驗(yàn)，這一狀態(tài)下的測(cè)試中航空發(fā)動(dòng)機(jī)在正常啟動(dòng)后由地面慢車穩(wěn)定工作狀態(tài)緩緩加大油門至最大狀態(tài)，穩(wěn)定工作后再勻速降低至地面慢車狀態(tài)，多次重復(fù)上述動(dòng)作并對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片在這一過(guò)程中的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量和記錄。

3 航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片振動(dòng)測(cè)試中所受到的影響因素分析

依照上述航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片試驗(yàn)方案對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)完成了發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架和地面裝機(jī)試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)分布于航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片上的10個(gè)應(yīng)變測(cè)試點(diǎn)的信號(hào)進(jìn)行采集和記錄，通過(guò)對(duì)所測(cè)得的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，以及對(duì)比航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片在臺(tái)架和裝機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)中的振動(dòng)應(yīng)力極值、應(yīng)力點(diǎn)的應(yīng)力分布以及葉片上測(cè)試點(diǎn)的振動(dòng)譜圖，用以查找影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)安裝狀態(tài)對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片振動(dòng)應(yīng)力的影響。通過(guò)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片在臺(tái)架和裝機(jī)地面試驗(yàn)中各測(cè)試點(diǎn)振動(dòng)應(yīng)力的統(tǒng)計(jì)分析繪制出航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片上的最大應(yīng)力分布，通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)相對(duì)于臺(tái)架在裝機(jī)試驗(yàn)中航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片的振動(dòng)應(yīng)力增長(zhǎng)較大。航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片在臺(tái)架試驗(yàn)和裝機(jī)地面中的最大應(yīng)力分布如圖1所示。

結(jié)語(yǔ)

為做好對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片的振動(dòng)測(cè)試，通過(guò)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片在臺(tái)架試驗(yàn)和裝機(jī)地面試驗(yàn)中的振動(dòng)應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后確定所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案能夠滿足需求， 航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片在臺(tái)架試驗(yàn)和裝機(jī)地面試驗(yàn)中的應(yīng)力分布具有相同的變化趨勢(shì)和峰值轉(zhuǎn)速。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)安裝狀態(tài)的變化對(duì)于葉片的振動(dòng)應(yīng)力變化有著較大的影響。

參考文獻(xiàn)

[1]林左鳴，李克安，楊勝群.航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片聲激振試驗(yàn)研究.動(dòng)力學(xué)與控制學(xué)報(bào)，2010，8（1）：12-18.

[2]艾延廷，張鳳玲.航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片振動(dòng)測(cè)量技術(shù)研究.儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，27（s2）：1242-1244.

[3]胡安輝，馬康民.某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)四級(jí)轉(zhuǎn)子葉片振動(dòng)特性分析[J].失效分析與預(yù)防，2006，1 （4）：10-12.