渦輪葉片高溫振動(dòng)特性試驗(yàn)技術(shù)研究

高翔，燕群，杭超，由于

（中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所，西安 710065）

渦輪葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要關(guān)鍵件，主要功能是將燃?xì)獾膭?dòng)能與熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。渦輪葉片工作環(huán)境極其惡劣，高低周載荷循環(huán)作用（低周載荷分別為輪盤轉(zhuǎn)動(dòng)帶來的離心力、燃?xì)鈳淼母邷?，高周載荷主要是氣流與旋轉(zhuǎn)葉片形成的交變的激振力）[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由振動(dòng)引起的故障在航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障中占比超過60%，振動(dòng)引起的葉片類部件故障在振動(dòng)引起故障中的占比超過70%。我國現(xiàn)役的發(fā)動(dòng)機(jī)大都出現(xiàn)過由于振動(dòng)產(chǎn)生葉片斷裂的故障[2]。由此可見，振動(dòng)引起的葉片故障問題非常嚴(yán)重亟待解決，研究葉片的振動(dòng)特性具有重要意義。

在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作條件下，渦輪葉片由于受到熱載荷、離心力、氣流激勵(lì)等多方面載荷的共同作用，產(chǎn)生的振動(dòng)問題比常溫下復(fù)雜得多，開展高溫載荷條件下熱端葉片振動(dòng)方面的研究工作在工程領(lǐng)域非常必要。近年來，國內(nèi)外發(fā)展了許多結(jié)構(gòu)振動(dòng)與熱載荷耦合作用下模態(tài)分析方面的方法和技術(shù)。Librescu L 等人對薄壁結(jié)構(gòu)在熱載荷條件下的模態(tài)和穩(wěn)定性進(jìn)行了理論分析[3]。艾書民等人重點(diǎn)研究了一維溫度場作用下渦輪葉片振動(dòng)特性的分析方法[4]。肖俊峰團(tuán)隊(duì)建立了葉片多載荷條件下的三維有限元分析模型，同時(shí)進(jìn)行了溫度場和應(yīng)力場的分析[5]。這些成果對渦輪葉片熱環(huán)境下模態(tài)分析均有一定的參考價(jià)值，但對于高溫條件下振動(dòng)特性分析和測試工程應(yīng)用來講仍不太成熟[6-7]。

針對渦輪葉片熱-結(jié)構(gòu)耦合振動(dòng)這一研究內(nèi)容，文中以高壓渦輪工作葉片為研究對象，采用數(shù)值仿真方法建立虛擬熱試驗(yàn)環(huán)境，通過石英燈組作為熱源，對葉片進(jìn)行輻射加熱的穩(wěn)態(tài)傳熱模式進(jìn)行葉片振動(dòng)特性試驗(yàn)安裝系統(tǒng)溫度場分析，獲得了滿足試驗(yàn)溫度要求下的溫度場分布。使用與虛擬熱試驗(yàn)分析相同的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，將獲得的溫度場分布作為載荷條件施加給結(jié)構(gòu)，進(jìn)而分析獲取葉片結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)熱振動(dòng)特性響應(yīng)。最后進(jìn)行了葉片高溫振動(dòng)特性試驗(yàn)，獲取葉片的振動(dòng)特性參數(shù)。對比虛擬試驗(yàn)與物理試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩者存在一定的誤差，但在允差范圍內(nèi)。

1 虛擬熱試驗(yàn)

葉片熱振試驗(yàn)系統(tǒng)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(shí)際安裝狀態(tài)。夾具用于夾持高溫合金，底面固定在振動(dòng)臺(tái)面上，用于傳遞振動(dòng)激勵(lì)，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(jìn)行輻射加熱，石英燈組沿葉身高度方向布置。虛擬熱試驗(yàn)就是采用數(shù)值仿真方法建立熱試驗(yàn)環(huán)境，石英燈為熱源，建立石英燈與葉片（包括試驗(yàn)夾具）面-面輻射，石英燈、反射板與試驗(yàn)件面-面輻射以及反射板面-面輻射關(guān)系。

熱振試驗(yàn)首先需要確定熱環(huán)境，采用虛擬熱試驗(yàn)方法進(jìn)行熱試驗(yàn)的石英燈加熱器的分區(qū)確定。采用數(shù)值仿真方法建立熱試驗(yàn)環(huán)境，石英燈為熱源，建立各種輻射關(guān)系。

在 Abaqus 2016 X64平臺(tái)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(yàn)件結(jié)構(gòu)幾何特征，試驗(yàn)件的有限元模型劃分較密。同樣地，與試驗(yàn)件連接的高溫合金試驗(yàn)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(wǎng)格單元自由劃分建立，網(wǎng)格單元尺寸設(shè)置為1 mm，局部網(wǎng)格加密。高溫合金夾具采用四面體網(wǎng)格自由劃分，考慮高溫合金夾具與試驗(yàn)件榫接觸，榫槽接觸部分網(wǎng)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(jìn)行計(jì)算。通過調(diào)整熱載荷（石英燈的燈管溫度）使得試驗(yàn)件表面溫度滿足試驗(yàn)要求，為了提高試驗(yàn)件根部的加熱效率，通過噴黑減小表面發(fā)射率。面-面輻射示意如圖3所示。

1.2 邊界條件

根據(jù)試驗(yàn)要求在高溫合金夾具底部施加氣流冷卻邊界條件，在振動(dòng)臺(tái)轉(zhuǎn)接夾具水流區(qū)域施加水流冷卻邊界條件，其他邊界絕熱。試驗(yàn)件表面采用空間輻射邊界條件，黑度系數(shù)為0.8，環(huán)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(yàn)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(shè)置夾具表面發(fā)射率、葉片表面外段表面發(fā)射率和內(nèi)段表面發(fā)射率。

1.3 仿真分析結(jié)果

試驗(yàn)系統(tǒng)仿真溫度如圖7所示，最高溫度為1271 K（998 ℃），發(fā)生在翼稍。最低溫度為670 K（367 ℃），發(fā)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(huán)境下振動(dòng)特性分析

2.1 邊界條件

為進(jìn)行試驗(yàn)件安裝狀態(tài)、帶溫度場條件下的振動(dòng)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(yàn)系統(tǒng)網(wǎng)格均采用四面體網(wǎng)格單元自由劃分建立，對于榫接觸、葉片氣膜孔通氣孔等結(jié)構(gòu)局部加密。將文中1.3節(jié)計(jì)算所得葉片試驗(yàn)系統(tǒng)虛擬熱試驗(yàn)溫度場計(jì)算結(jié)果作為預(yù)定義場加載到動(dòng)力學(xué)分析模型中；對葉片試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)特性分析，獲取其一階頻率與振型。

2.2 熱振條件下振動(dòng)特性分析結(jié)果

試驗(yàn)件第一階固有頻率分析結(jié)果如圖 10、圖 11所示。試驗(yàn)安裝狀態(tài)下試驗(yàn)件第一階固有頻率為2878.9 Hz。由試驗(yàn)系統(tǒng)振型圖可知，在該頻率下試驗(yàn)夾具處于非共振狀態(tài)，試驗(yàn)安裝狀態(tài)下試驗(yàn)件一階頻率振型與真實(shí)安裝狀態(tài)下試驗(yàn)件一階振型一致。

2.3 高溫環(huán)境葉片振動(dòng)特性測試

試驗(yàn)現(xiàn)場俯視示意圖如圖12所示。葉片通過試驗(yàn)安裝系統(tǒng)緊固在振動(dòng)臺(tái)面上，在葉片熱振試驗(yàn)中，通過石英燈組對葉片進(jìn)行輻射加熱，分別對試驗(yàn)安裝系統(tǒng)和加熱器進(jìn)行水冷。利用掃描3D激光測振儀測試葉片的固有頻率，同時(shí)對振動(dòng)臺(tái)體和測振儀采取隔熱措施[10]。

首先將葉片加熱至試驗(yàn)溫度，保持葉身溫度均勻，待葉身溫度均勻和穩(wěn)定后進(jìn)行葉片的模態(tài)測試。根據(jù)仿真分析所得葉片可能的振動(dòng)特性頻率范圍和振型分布情況，結(jié)合試驗(yàn)件表面對激光測點(diǎn)的響應(yīng)情況，在葉片緣板上方葉身部位布置40個(gè)測量點(diǎn)，如圖 13所示。通過掃描3D激光測振儀與高頻振動(dòng)臺(tái)聯(lián)合試驗(yàn)，獲得葉片高溫環(huán)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(jié)論

對比仿真計(jì)算所得振型與試驗(yàn)所得振型，可以看出，試驗(yàn)所測振型與仿真所得振型相吻合，但試驗(yàn)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(shí)際試驗(yàn)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(shí)際試驗(yàn)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(dǎo)致連接剛度不同，因而試驗(yàn)測得頻率較低。

文中采用虛擬試驗(yàn)技術(shù)與真實(shí)物理試驗(yàn)相結(jié)合的方式進(jìn)行葉片的高溫振動(dòng)特性試驗(yàn)，探索了一種行之有效的葉片熱振虛擬試驗(yàn)方法，基于這種方法給出了葉片高溫環(huán)境下的一階固有頻率和振型。通過對比虛擬實(shí)驗(yàn)與物理試驗(yàn)過程與結(jié)果，具體展示了數(shù)據(jù)處理和分析的過程，實(shí)現(xiàn)了葉片高溫模態(tài)數(shù)據(jù)的確定。該方法可以為葉片振動(dòng)特性測試提供科學(xué)依據(jù)，并對葉片的疲勞試驗(yàn)研究提供了良好的參考，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。