阻尼環(huán)在整體葉盤結(jié)構(gòu)中的減振應(yīng)用

劉一雄，吳云伍，徐可寧，杜 青，陳育志，叢佩紅

（1.中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，2．遼寧省航空發(fā)動(dòng)機(jī)沖擊動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室：沈陽(yáng) 110015；3.中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院，北京 101304）

0 引言

整體葉盤結(jié)構(gòu)是推重比15～20的航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的發(fā)展方向之一，其設(shè)計(jì)特點(diǎn)是取消常規(guī)的盤榫連接方式，將葉片和輪盤作為一體結(jié)構(gòu)，既能減輕轉(zhuǎn)子質(zhì)量、減少零件數(shù)量，又可消除在榫根與榫槽間縫隙中的流動(dòng)損失，提高氣動(dòng)性能和工作效率。此外，整體葉盤對(duì)避免由榫連結(jié)構(gòu)、凸肩、葉冠所導(dǎo)致的裂紋故障和微動(dòng)疲勞問(wèn)題也有著重要意義。目前國(guó)內(nèi)外在研、在役的航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇、壓氣機(jī)及渦輪上已經(jīng)大量采用整體葉盤結(jié)構(gòu)。然而，由于整體葉盤的盤體薄、盤片耦合性更強(qiáng)，振動(dòng)能量無(wú)法在葉片榫頭-輪盤傳遞的過(guò)程中耗散，也不能通過(guò)設(shè)置緣板阻尼器、凸肩、葉冠和加強(qiáng)筋等常規(guī)摩擦阻尼結(jié)構(gòu)進(jìn)行減振設(shè)計(jì)。因此整體葉盤結(jié)構(gòu)的高周疲勞問(wèn)題相對(duì)更為突出，會(huì)極大降低葉盤的使用壽命。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤結(jié)構(gòu)減振開(kāi)展了大量研究工作。王嬌等在整體葉盤盤緣底部添加粘彈性阻尼材料Zn-33以實(shí)現(xiàn)整體葉盤振動(dòng)抑制，并對(duì)比了涂層厚度對(duì)整體葉盤固有特性的影響；Panossian將顆粒阻尼用于高頻大振幅的航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口分流葉片上，取得了明顯的減振效果；夏兆旺等以填充顆粒的平板葉片為研究對(duì)象，分析了結(jié)構(gòu)阻尼與顆粒阻尼器各參數(shù)間的非線性變化關(guān)系；孫偉等對(duì)3種涂層方案下整體葉盤振動(dòng)局部化程度進(jìn)行了測(cè)量并開(kāi)展了硬敷涂層的減振性能研究；陳玉剛提出了整體葉盤振動(dòng)抑制、抗振動(dòng)疲勞的硬涂層阻尼技術(shù)；Zhou等和Mokrani等針對(duì)失諧葉盤提出了基于被動(dòng)壓電分流阻尼技術(shù)的減振技術(shù)，將壓電材料貼覆在相鄰葉片之間的輪盤表面進(jìn)行阻尼耗能；Tang等將壓電分支電路引入葉盤結(jié)構(gòu)模型，設(shè)計(jì)了4種電路布局，均取得很好的阻尼效果；李琳等將壓電分支電路引入失諧葉盤結(jié)構(gòu)，研究了壓電分支阻尼對(duì)失諧葉盤結(jié)構(gòu)響應(yīng)放大的抑制效果；Baek等針對(duì)帶阻尼環(huán)的整體葉盤的非線性響應(yīng)提出了一種有效的求解方法，采用降階模型將非線性力表達(dá)為等效非線性阻尼和剛度參數(shù)；Laxalde等分別采用數(shù)值和試驗(yàn)方法研究了阻尼環(huán)裝置在整體葉盤上的摩擦阻尼減振應(yīng)用，在輪緣下側(cè)安裝阻尼環(huán)，對(duì)不同激勵(lì)水平或轉(zhuǎn)速下的阻尼特性進(jìn)行了參數(shù)化研究；張歡等提出了一種渦輪整體葉盤的摩擦阻尼減振結(jié)構(gòu)，通過(guò)在相鄰葉片之間切縫、在輪緣下方加工銷孔、裝配阻尼銷的設(shè)計(jì)，模擬盤-片分離結(jié)構(gòu)的緣板摩擦阻尼器。

以上研究主要針對(duì)阻尼涂層和壓電阻尼，但這2種形式的阻尼在工程上的實(shí)用性仍有待提升。雖然也有部分阻尼環(huán)和阻尼銷的減振研究，但未對(duì)阻尼環(huán)布局形式和截面形狀等關(guān)鍵參數(shù)開(kāi)展詳細(xì)分析。本文以3D打印的整體葉盤模型試驗(yàn)件為研究對(duì)象，通過(guò)數(shù)值仿真與試驗(yàn)研究探討了阻尼環(huán)位置、截面形狀對(duì)葉盤模態(tài)阻尼比的影響規(guī)律，為工程中整體葉盤減振設(shè)計(jì)提供支撐。

1 模型試驗(yàn)件

考慮到在真實(shí)整體葉盤上開(kāi)展阻尼環(huán)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)存在一定的風(fēng)險(xiǎn)且經(jīng)濟(jì)性較差，本文通過(guò)建立風(fēng)扇整體葉盤模型試驗(yàn)件（如圖1所示）開(kāi)展阻尼環(huán)減振研究工作。從圖中可見(jiàn)，在盤的安裝邊上均布8個(gè)螺栓孔，通過(guò)螺栓將盤與夾具連接；在葉盤的前緣緣板下方和尾緣緣板下方分別設(shè)計(jì)了阻尼環(huán)安裝槽，在前緣緣板下方安裝長(zhǎng)方形阻尼環(huán)，在尾緣緣板下方安裝圓形阻尼環(huán)，阻尼環(huán)截面如圖2所示。

圖1 整體葉盤模型試驗(yàn)件

圖2 阻尼環(huán)截面

安裝阻尼環(huán)風(fēng)扇模型試驗(yàn)件3維模型如圖3所示。長(zhǎng)方形阻尼環(huán)和圓形阻尼環(huán)已經(jīng)裝配在對(duì)應(yīng)槽中。風(fēng)扇葉盤和阻尼環(huán)的材料均為316不銹鋼（18Cr12 Ni2.5Mo），阻尼環(huán)參數(shù)見(jiàn)表1，18Cr12Ni2.5Mo的 性 能參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 阻尼環(huán)參數(shù)

表2 18Cr12Ni2.5Mo的性能參數(shù)

圖3 安裝阻尼環(huán)風(fēng)扇模型試驗(yàn)件3維模型

通過(guò)3D打印技術(shù)將設(shè)計(jì)的整體葉盤模型試驗(yàn)件加工出來(lái)，風(fēng)扇模型試驗(yàn)件及阻尼環(huán)實(shí)物如圖4所示。2種阻尼環(huán)均由2個(gè)半環(huán)組成，安裝時(shí)通過(guò)卡扣將2個(gè)半環(huán)卡緊組成完整的阻尼環(huán)，卡緊后長(zhǎng)方形阻尼環(huán)與配合槽之間呈過(guò)盈配合，圓形阻尼環(huán)與配合槽之間呈間隙配合。這種安裝方式便于拆卸和復(fù)裝，如圖4（b）所示。

圖4 風(fēng)扇模型試驗(yàn)件及阻尼環(huán)實(shí)物

2 葉盤阻尼仿真分析

為評(píng)估阻尼環(huán)布局形式和截面形狀對(duì)減振效果的影響，采用諧波平衡法法開(kāi)展數(shù)值仿真分析。

建立了仿真分析流程，如圖5所示。從圖中可見(jiàn)，首先提取葉盤-阻尼系統(tǒng)幾何特性和邊界條件，對(duì)葉盤進(jìn)行非線性靜力學(xué)分析和約束模態(tài)分析，得到非線性響應(yīng)分析所需要的力學(xué)參數(shù)，包括固有頻率和模態(tài)數(shù)據(jù)。根據(jù)接觸剛度和法向壓力結(jié)合模態(tài)分析的結(jié)果數(shù)據(jù)，開(kāi)展非線性響應(yīng)分析，獲取位移曲線和摩擦力等關(guān)鍵參數(shù)，并將獲取的結(jié)果數(shù)據(jù)代入模態(tài)方程中，通過(guò)諧波平衡法進(jìn)行求解，獲取頻率/響應(yīng)曲線，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)阻尼減振效果的直觀顯示和有效評(píng)價(jià)。

圖5 仿真分析流程

建立有限元模型，如圖6所示。通過(guò)在第3個(gè)葉片葉尖前緣施加20 N的激勵(lì)用以模擬葉片真實(shí)模態(tài)試驗(yàn)。

圖6 有限元仿真模型

計(jì)算分析了3種工況下的阻尼效果，如圖7所示。從圖中可見(jiàn)，在相同激勵(lì)下，不安裝阻尼環(huán)、安裝圓形阻尼環(huán)和長(zhǎng)方形阻尼環(huán)的相對(duì)響應(yīng)幅值分別為 0.126%、0.98% 和0.168%，說(shuō)明圓形阻尼環(huán)具有較好的減振效果。

圖7 阻尼減振效果分析

3 葉盤阻尼測(cè)試

阻尼特性可以客觀反映整體葉盤結(jié)構(gòu)振動(dòng)過(guò)程中能量耗散的速度，對(duì)評(píng)估葉盤的減振和抗振性能有一定的參考價(jià)值，常用試驗(yàn)的方法測(cè)量。

3.1 阻尼測(cè)試方法

葉盤結(jié)構(gòu)的阻尼較小，只能得到阻尼比值，即葉盤某階模態(tài)阻尼與其臨界阻尼的比值，本文采用自由振動(dòng)衰減法獲取了葉盤結(jié)構(gòu)的阻尼比。自由衰減法主要用于時(shí)域信號(hào)的振動(dòng)幅值對(duì)數(shù)衰減對(duì)阻尼比進(jìn)行計(jì)算

式中：為阻尼比；為參與計(jì)算的波數(shù)；、A 分別為參與計(jì)算的首、尾波峰值。

自由振動(dòng)衰減曲線如圖8所示。由于自由衰減法需要測(cè)試信號(hào)為單自由度的自由衰減信號(hào)，因此需要將實(shí)測(cè)的含有多階頻率的信號(hào)通過(guò)數(shù)字帶通濾波處理分離成各目標(biāo)階次頻率的單頻振動(dòng)信號(hào)，進(jìn)行時(shí)域阻尼比計(jì)算以獲得各階振動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)的阻尼比。在試驗(yàn)過(guò)程中采用峰值拾取法，將頻響函數(shù)分成實(shí)部分量和虛部分量，直接從實(shí)、虛頻圖上讀取數(shù)據(jù)后進(jìn)而獲得模態(tài)參數(shù)。

圖8 自由振動(dòng)衰減曲線

3.2 試驗(yàn)件安裝測(cè)試

為模擬真實(shí)整體葉盤的安裝方式，在鼓筒上加工若干螺栓孔，通過(guò)所設(shè)計(jì)的夾具（如圖9所示）將葉盤與測(cè)試儀器連接。在5個(gè)葉片葉尖部位分別安裝振動(dòng)傳感器并編號(hào)，傳感器安裝位置如圖10所示，阻尼測(cè)試設(shè)備如圖11所示。

圖9 夾具

圖10 傳感器安裝位置

圖11 阻尼測(cè)試設(shè)備

為對(duì)比分析阻尼環(huán)對(duì)葉盤減振性能的影響，分別測(cè)定了在不安裝阻尼環(huán)、安裝長(zhǎng)方形阻尼環(huán)、加圓形阻尼環(huán)3種工況下葉盤的阻尼特性。在試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)錘擊法在不同葉片上的同一位置施加相同的力敲擊獲得葉盤的響應(yīng)，通過(guò)自由振動(dòng)衰減法計(jì)算葉盤的模態(tài)阻尼比。在試驗(yàn)過(guò)程中可能存在測(cè)試系統(tǒng)、敲擊力大小、數(shù)據(jù)分析方法及應(yīng)變片貼片位置等因素帶來(lái)的誤差，由于采用的是同一套測(cè)試設(shè)備、相同的數(shù)據(jù)分析方法和貼片位置，認(rèn)為其帶來(lái)的誤差相同。而通過(guò)在力錘上連接傳感器，取相同的敲擊力下葉盤的測(cè)試結(jié)果以減小敲擊力帶來(lái)的誤差。

3.3 阻尼測(cè)試結(jié)果

在安裝阻尼環(huán)、安裝長(zhǎng)方形阻尼環(huán)和安裝圓形阻尼環(huán)3種工況下，分別敲擊葉盤上的1～5號(hào)葉片激發(fā)出各階振型，敲擊力大小為（20±0.5）N，記錄3號(hào)葉片葉尖部位同一位置的幅頻曲線和各階阻尼比。主要低階模態(tài)有4個(gè)，頻率范圍為194.1～196.5 Hz（1階）、339.4～340.6 Hz（2階）、389.4～395.5 Hz（3階）和572.5～573.7 Hz（4階）。

在3種工況下敲擊1號(hào)葉片測(cè)得的3號(hào)葉片葉尖部位的幅頻曲線如圖12所示，圖中縱坐標(biāo)單位為重力加速度。從圖中可見(jiàn)，在相同的激振力情況下，增加長(zhǎng)方形阻尼環(huán)后，除2、3階頻率對(duì)應(yīng)的曲線有所降低，其他階的幅頻曲線反而有所升高；增加圓形阻尼環(huán)后，3號(hào)葉片的1～4階頻率對(duì)應(yīng)的振幅均比不加阻尼環(huán)的有不同程度減小。

圖12 3種工況下敲擊1號(hào)葉片測(cè)得的幅頻曲線

綜上所述，在相同敲擊力下，長(zhǎng)方形阻尼環(huán)因與槽道過(guò)盈配合，摩擦力過(guò)大導(dǎo)致阻尼環(huán)無(wú)法起到摩擦減振效果，對(duì)阻尼提升不明顯；圓形阻尼環(huán)因與槽道是線接觸，摩擦接觸后可以起到減振作用，因此增大了葉盤的阻尼。

3.4 結(jié)果分析

3種工況下分別敲擊不同葉片后得到的3號(hào)葉片的前4階阻尼比如圖13所示。從圖中可見(jiàn)，黑色表征增加圓形阻尼環(huán)為葉盤提供的阻尼均大于不加阻尼環(huán)時(shí)的。為了更好地對(duì)比分析，將敲擊不同葉片得到的阻尼比進(jìn)行平均，繪制3號(hào)葉片前4階平均阻尼比，如圖14所示。

圖13 3種工況下3號(hào)葉片前4階阻尼比

圖14 3種工況下3號(hào)葉片前4階平均阻尼比

通過(guò)分析圖7、13、14中的數(shù)據(jù)可見(jiàn)：

（1）圓形阻尼環(huán)起到了明顯的減振效果，除3階減振效果稍差，平均阻尼比僅增大1.48%以外，1、2、4階的阻尼比分別增大了25.48%、16.06%和21.57%；

（2）長(zhǎng)方形阻尼環(huán)并未起到提升葉盤減振的效果，1～4階的阻尼比分別減小了4.92%、8.52%、4.67%和16.80%。

可能影響阻尼環(huán)減振效果的主要因素有：阻尼環(huán)與配合槽的接觸狀態(tài)、材料屬性、阻尼環(huán)表面加工狀態(tài)、阻尼環(huán)安裝形式等。其中，最主要因素是配合面的接觸狀態(tài)。

2種阻尼環(huán)的材料相同，長(zhǎng)方形阻尼環(huán)與配合槽處于過(guò)盈壓緊狀態(tài)，而圓形阻尼環(huán)則為間隙配合。長(zhǎng)方形形阻尼環(huán)裝配在配合槽后，阻尼環(huán)完全封閉了原有槽道，處于過(guò)盈配合且緊度過(guò)大，使得接觸面的擠壓應(yīng)力過(guò)大，現(xiàn)場(chǎng)也無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)阻尼環(huán)，這種條件下阻尼環(huán)與葉盤組成了1個(gè)新的“葉盤系統(tǒng)”，其剛度和阻尼特性與原來(lái)葉盤的并不完全相同。在無(wú)阻尼環(huán)狀態(tài)下的凹形槽道可通過(guò)柔性變形耗散能量，而安裝長(zhǎng)方形阻尼環(huán)且擠壓力過(guò)大的情況下，原有的凹形槽道本身柔性變形能力喪失，且也無(wú)法通過(guò)相對(duì)滑移進(jìn)行摩擦減振，故而增加長(zhǎng)方形阻尼環(huán)后的新“葉盤系統(tǒng)”的阻尼并未增大，但并不是長(zhǎng)方形阻尼環(huán)無(wú)法用于減振，只是需要進(jìn)行間隙設(shè)計(jì)。

圓形阻尼環(huán)則不存在這種情況，因?yàn)閳A形阻尼環(huán)是線接觸，其與葉盤配合槽之間一直存在間隙，可以通過(guò)相對(duì)滑移摩擦有效降低葉盤的振動(dòng)響應(yīng)。

4 結(jié)論

（1）數(shù)值仿真結(jié)果表明：在相同激勵(lì)下，不安裝阻尼環(huán)、安裝圓形阻尼環(huán)和安裝長(zhǎng)方形阻尼環(huán)的相對(duì)響應(yīng)幅值分別為0.126%、0.98%和0.168%，圓形阻尼環(huán)具有較好的減振效果；

（2）試驗(yàn)結(jié)果表明：在配合關(guān)系合理的情況下，增加圓形阻尼環(huán)結(jié)構(gòu)可以增大風(fēng)扇整體葉盤的低階模態(tài)阻尼比，提高減振能力，與數(shù)值仿真結(jié)果一致；

（3）數(shù)值仿真和試驗(yàn)結(jié)果為整體葉盤結(jié)構(gòu)減振設(shè)計(jì)提供了研究思路，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值；另外，本文的研究尚需開(kāi)展轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證阻尼環(huán)的減振效果。一旦葉盤轉(zhuǎn)動(dòng)，離心力會(huì)影響阻尼環(huán)與槽道間的接觸狀態(tài)，從而影響干摩擦阻尼減振效果。