渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪葉片動(dòng)應(yīng)力測(cè)試技術(shù)研究及驗(yàn)證

張?jiān)俚拢?華

(中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲412002)

1 引言

通過(guò)測(cè)量工作狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的動(dòng)應(yīng)力，可以了解和判斷葉片振動(dòng)情況，確保葉片在發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范所提出的強(qiáng)度和壽命要求下工作[1]。葉片動(dòng)應(yīng)力測(cè)試在發(fā)動(dòng)機(jī)研制中非常重要。我國(guó)自上世紀(jì)60年代中期開(kāi)始，就采用自制電阻絲應(yīng)變計(jì)和水銀引電器進(jìn)行了壓氣機(jī)試驗(yàn)，并摸索研制了測(cè)試葉片動(dòng)應(yīng)力所需的滑環(huán)引電器[2]。到80年代，動(dòng)應(yīng)力測(cè)試技術(shù)已基本成熟，與發(fā)動(dòng)機(jī)溫度測(cè)量、壓力測(cè)量等列為常規(guī)測(cè)量手段[3]。近些年隨著航空工業(yè)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)對(duì)動(dòng)應(yīng)力測(cè)試技術(shù)開(kāi)展了更為廣泛的研究。吳學(xué)崗[4]、李卉薈[5]、王奉明[6]等研究了渦輪葉片動(dòng)應(yīng)力測(cè)試方法，測(cè)量到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在34 920 r/min時(shí)的葉片動(dòng)應(yīng)力；陶冶等[7]完成了國(guó)內(nèi)首次大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片動(dòng)應(yīng)力測(cè)試試飛；劉海鷗[8]、侯明[9]、江平[10]等對(duì)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)附件傳動(dòng)齒輪動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)試研究；李仙麗等[11]研究了基于遙測(cè)技術(shù)的渦輪轉(zhuǎn)子葉片動(dòng)應(yīng)力測(cè)試；彭建等[12]開(kāi)展了壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片動(dòng)頻動(dòng)應(yīng)力測(cè)試技術(shù)應(yīng)用研究。

某型航空渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)返廠檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)燃?xì)鉁u輪葉片榫齒出現(xiàn)裂紋，需要對(duì)燃?xì)鉁u輪葉片動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試。但由于渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪葉片具有高轉(zhuǎn)速、高溫的特點(diǎn)[13]，其轉(zhuǎn)速超過(guò)45 000 r/min，溫度超過(guò)1 000℃，對(duì)其進(jìn)行動(dòng)應(yīng)力測(cè)試技術(shù)難度大，且目前國(guó)內(nèi)尚未開(kāi)展渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪葉片動(dòng)應(yīng)力測(cè)試技術(shù)研究。為此，根據(jù)測(cè)試需求，在國(guó)內(nèi)成熟的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片動(dòng)應(yīng)力測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)上，開(kāi)展了渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪葉片動(dòng)應(yīng)力測(cè)試技術(shù)研究及驗(yàn)證，以期為同類(lèi)測(cè)量提供參考。

2 測(cè)試試驗(yàn)

2.1 測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試系統(tǒng)采用成熟的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪葉片動(dòng)應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)，由高溫應(yīng)變計(jì)、玻璃絲纖維高溫導(dǎo)線、滑環(huán)系統(tǒng)、應(yīng)變測(cè)量?jī)x、計(jì)算機(jī)等組成，見(jiàn)圖1。從車(chē)臺(tái)轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x接入脈沖轉(zhuǎn)速信號(hào)至應(yīng)變測(cè)量?jī)x，轉(zhuǎn)速信號(hào)與應(yīng)變信號(hào)進(jìn)行同步采集，用于獲得應(yīng)變-轉(zhuǎn)速變化曲線。為避免測(cè)試數(shù)據(jù)出現(xiàn)過(guò)載數(shù)據(jù)，應(yīng)變測(cè)量?jī)x選擇AC交流信號(hào)。

圖1 應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)示意圖Fig.1 Stress measurement system

動(dòng)應(yīng)力測(cè)試平臺(tái)采用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的核心機(jī)，滑環(huán)系統(tǒng)安裝在核心機(jī)前端。應(yīng)變計(jì)通過(guò)火焰噴涂的方法貼在燃?xì)鉁u輪葉片上，其引腳與玻璃絲纖維高溫導(dǎo)線線芯采用焊接連接，并用高溫石棉將焊點(diǎn)與燃?xì)鉁u輪盤(pán)面隔開(kāi)。玻璃絲纖維高溫導(dǎo)線在燃?xì)鉁u輪盤(pán)面用金屬薄片保護(hù)并沿輪盤(pán)徑向引入主軸內(nèi)部，穿過(guò)主軸至前端；在前端將高溫導(dǎo)線轉(zhuǎn)接為常溫軟引線，與同軸安裝在核心機(jī)前端的滑環(huán)引電器接線盤(pán)焊接。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

在本文所研究的高溫動(dòng)應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)中，因溫度升高會(huì)引起應(yīng)變計(jì)和測(cè)量導(dǎo)線電阻變化，采集到的應(yīng)變值需根據(jù)靈敏度及測(cè)量導(dǎo)線電阻進(jìn)行修正，具體為：

(1)靈敏度修正。依據(jù)高溫應(yīng)變計(jì)實(shí)際靈敏度系數(shù)對(duì)測(cè)量應(yīng)變值進(jìn)行修正。

式中：e′為應(yīng)變隨靈敏度變化的修正值，ei為應(yīng)變測(cè)量值，ki為儀器的靈敏度系數(shù)，kT為應(yīng)變計(jì)的靈敏度系數(shù)。

(2)測(cè)量導(dǎo)線電阻修正。采用1/4橋路在高溫條件下進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量時(shí)，由于測(cè)量導(dǎo)線及應(yīng)變計(jì)阻值隨溫度變化，使得測(cè)量值比真實(shí)值小，需對(duì)測(cè)量值進(jìn)行修正。

式中：e為經(jīng)靈敏度和測(cè)量導(dǎo)線電阻修正后的應(yīng)變值，RL為測(cè)量橋臂電阻，R為應(yīng)變計(jì)標(biāo)稱阻值(R=120 Ω)。

將式(1)代入式(2)得：

2.3 貼片位置選擇

渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪葉片轉(zhuǎn)速高、尺寸小、溫度高，導(dǎo)致應(yīng)變計(jì)貼片存活率低。為此，結(jié)合燃?xì)鉁u輪葉片振型和振動(dòng)應(yīng)力分布計(jì)算結(jié)果，開(kāi)展了貼片工藝試驗(yàn)及驗(yàn)證，最終確定了貼片位置。

2.3.1 貼片位置及方向選取

圖2 測(cè)點(diǎn)A、B位置Fig.2 Locations of Measuring points A and B

根據(jù)貼片工藝要求和貼片工藝試驗(yàn)結(jié)果，貼片位置選取原則為：選取葉背位置；選取振動(dòng)應(yīng)力較大且敏感性較高的方向；選取應(yīng)變計(jì)失效概率小的位置。考慮到葉片的低階振型可能導(dǎo)致葉片榫頭產(chǎn)生較大的振動(dòng)應(yīng)力，因此重點(diǎn)關(guān)注了葉片前3階振型和振動(dòng)應(yīng)力。根據(jù)前3階振型和振動(dòng)應(yīng)力分布計(jì)算結(jié)果，分別選取A、B兩點(diǎn)為測(cè)點(diǎn)，見(jiàn)圖2。為確定應(yīng)變計(jì)的貼片方向，對(duì)比了應(yīng)變計(jì)在測(cè)點(diǎn)A、B位置不同方向的敏感性，結(jié)果見(jiàn)表1。由表可知，當(dāng)貼片方向?yàn)樽笃?5°時(shí)，A、B兩測(cè)點(diǎn)的敏感性更高。

表1 各貼片位置敏感性Table 1 Position sensitivity of each patch

2.3.2 貼片工藝試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)貼片工藝在核心機(jī)上進(jìn)行了兩輪試驗(yàn)驗(yàn)證。第1輪貼了2片葉片進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果2片葉片上的應(yīng)變計(jì)均被吹落。第2輪選擇表面潔凈的葉片，并優(yōu)化貼片工藝，貼了5片葉片(A點(diǎn)3片，B點(diǎn)2片)。結(jié)果A點(diǎn)有2片應(yīng)變計(jì)經(jīng)測(cè)試正常，另有1片應(yīng)變計(jì)目視檢查完好，但因引腳損壞無(wú)法測(cè)量；B點(diǎn)2片應(yīng)變計(jì)組織均已損壞。兩輪試驗(yàn)驗(yàn)證表明，A點(diǎn)應(yīng)變計(jì)存活率遠(yuǎn)高于B點(diǎn)。為提高動(dòng)應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)的成功率，同時(shí)兼顧測(cè)點(diǎn)的1、2、3階敏感性，對(duì)12個(gè)應(yīng)變計(jì)(滑環(huán)系統(tǒng)共12個(gè)通道)按A點(diǎn)貼10片、B點(diǎn)貼2片進(jìn)行分配。

2.4 試驗(yàn)譜

針對(duì)應(yīng)變計(jì)在1 000℃環(huán)境下持續(xù)工作時(shí)間短這一難題，對(duì)核心機(jī)正常試車(chē)譜進(jìn)行優(yōu)化，盡量縮短測(cè)試時(shí)間，保證應(yīng)變計(jì)在較短的有效工作時(shí)間內(nèi)完成測(cè)試。同時(shí)，為了解發(fā)動(dòng)機(jī)使用中快速加減速狀態(tài)對(duì)燃?xì)鉁u輪葉片動(dòng)應(yīng)力的影響，試驗(yàn)譜中增加了快速加減速，見(jiàn)圖3。圖中，np為動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速，ng為燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速。另外，試驗(yàn)前做好了壓氣機(jī)導(dǎo)葉調(diào)整和發(fā)動(dòng)機(jī)引氣預(yù)案，避免因燃?xì)鉁囟认冗_(dá)到狀態(tài)限制值而導(dǎo)致轉(zhuǎn)速不能達(dá)到100%的狀況。

圖3 核心機(jī)動(dòng)應(yīng)力測(cè)試試車(chē)譜Fig.3 Test spectrum of core maneuvering stress test

2.5 測(cè)試技術(shù)研究

共進(jìn)行了5輪燃?xì)鉁u輪葉片動(dòng)應(yīng)力測(cè)試技術(shù)研究。前4輪試驗(yàn)先后出現(xiàn)了應(yīng)變計(jì)短路、高溫導(dǎo)線斷裂和線芯竄動(dòng)等問(wèn)題，且動(dòng)應(yīng)力測(cè)試最高轉(zhuǎn)速僅達(dá)到94%全轉(zhuǎn)速。經(jīng)技術(shù)攻關(guān)，第5輪試驗(yàn)完成了100%全轉(zhuǎn)速的動(dòng)應(yīng)力測(cè)試。

2.5.1 第1輪試驗(yàn)

開(kāi)車(chē)前12個(gè)應(yīng)變計(jì)阻值、絕緣完好。當(dāng)核心機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到33%全轉(zhuǎn)速時(shí)有6個(gè)測(cè)點(diǎn)無(wú)信號(hào)，達(dá)到56%全轉(zhuǎn)速時(shí)所有測(cè)點(diǎn)都無(wú)信號(hào)。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行分解檢查發(fā)現(xiàn)：①與應(yīng)變計(jì)引腳相連接的高溫導(dǎo)線線芯與輪盤(pán)發(fā)生觸碰，造成應(yīng)變計(jì)對(duì)地短路。揭開(kāi)應(yīng)變計(jì)引腳與高溫導(dǎo)線線芯連接處的金屬保護(hù)薄片，發(fā)現(xiàn)保護(hù)兩者焊點(diǎn)的高溫石棉脫落，葉片緣板下方有粉沫狀高溫石棉。分析認(rèn)為，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)石棉處溫度較高，石棉在高溫作用下變成粉沫，粉沫狀高溫石棉在離心力的作用下從金屬保護(hù)薄片與輪盤(pán)的間隙中甩出，導(dǎo)致高溫導(dǎo)線的金屬線芯與燃?xì)鉁u輪盤(pán)面相觸碰。②與應(yīng)變計(jì)連接的高溫導(dǎo)線線芯不在原位，明顯向燃?xì)鉁u輪盤(pán)徑向竄動(dòng)，導(dǎo)線與金屬層和葉片榫頭相接觸，導(dǎo)線外層玻璃絲布存在堆積現(xiàn)象。分析認(rèn)為，高溫導(dǎo)線采用金屬片固定在輪盤(pán)上，由于盤(pán)徑小，布線路徑有限，導(dǎo)線外層玻璃絲布雖然被固定，但線芯未完全固定，在離心力作用下線芯向輪盤(pán)徑向竄動(dòng)。

為此，采取的改進(jìn)措施為：①應(yīng)變計(jì)引腳與高溫導(dǎo)線焊接位置采用火焰噴涂的方式固定，高溫導(dǎo)線頭部用金屬管穿入、壓扁后再用金屬薄片固定到盤(pán)上；②優(yōu)化高溫導(dǎo)線布線路徑，盡可能按S曲線布置，在穿盤(pán)孔前用玻璃絲套管對(duì)兩根高溫導(dǎo)線進(jìn)行保護(hù)，并將一端固定在盤(pán)上，見(jiàn)圖4。

圖4 第2輪試驗(yàn)前高溫導(dǎo)線布線Fig.4 Wiring of high temperature wire before the second test

2.5.2 第2輪試驗(yàn)

當(dāng)核心機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到33%全轉(zhuǎn)速時(shí)有1個(gè)測(cè)點(diǎn)無(wú)信號(hào)，達(dá)到66%全轉(zhuǎn)速時(shí)有9個(gè)測(cè)點(diǎn)無(wú)信號(hào)，達(dá)到77%全轉(zhuǎn)速時(shí)所有測(cè)點(diǎn)都無(wú)信號(hào)。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行分解檢查：①高溫導(dǎo)線在穿線孔邊被截?cái)啵P(pán)上高溫導(dǎo)線在離心力作用下將金屬片撕開(kāi)至盤(pán)上凸臺(tái)處；穿孔位置處玻璃絲套管已變成細(xì)碎狀附著在軸內(nèi)壁。分析認(rèn)為，穿孔處導(dǎo)線無(wú)保護(hù)，易于磨斷。②應(yīng)變計(jì)底膠較寬處應(yīng)變計(jì)附著較好，底膠較窄處應(yīng)變計(jì)易脫落；在葉根曲面較大位置，噴涂焊料易脫落。

針對(duì)以上問(wèn)題采取以下改進(jìn)措施：①改進(jìn)開(kāi)孔位置，確?？捎媒饘俦∑M(jìn)行孔密封；②應(yīng)變計(jì)貼片基底寬度大于應(yīng)變計(jì)貼片固定寬度，并確保葉根曲面較大位置處的噴涂質(zhì)量；③再次優(yōu)化高溫導(dǎo)線在盤(pán)上的走線，見(jiàn)圖5。

圖5 第3輪試驗(yàn)前高溫導(dǎo)線布線Fig.5 Wiring of high temperature wire before the third test

2.5.3 第3輪試驗(yàn)

當(dāng)核心機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到78%全轉(zhuǎn)速時(shí)有6個(gè)測(cè)點(diǎn)無(wú)信號(hào)，達(dá)到88%全轉(zhuǎn)速時(shí)有10個(gè)測(cè)點(diǎn)無(wú)信號(hào)，達(dá)到94%全轉(zhuǎn)速時(shí)所有測(cè)點(diǎn)無(wú)信號(hào)。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行分解檢查：盤(pán)上穿線孔有一個(gè)孔的金屬片撕起，高溫導(dǎo)線斷裂，有8片應(yīng)變計(jì)脫落。

針對(duì)以上問(wèn)題采取以下改進(jìn)措施：①重新優(yōu)化貼片工藝參數(shù)；②改進(jìn)輪盤(pán)穿線孔密封工藝，將原壓裝封嚴(yán)篦齒后進(jìn)行穿線孔密封改為先將金屬薄片部分點(diǎn)焊在轉(zhuǎn)子上后再壓裝封嚴(yán)篦齒；③重新優(yōu)化高溫導(dǎo)線在盤(pán)上的走線，見(jiàn)圖6。

圖6 第4輪試驗(yàn)前高溫導(dǎo)線布線Fig.6 Wiring of high temperature wire before the fourth test

2.5.4 第4輪試驗(yàn)

當(dāng)核心機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到78%全轉(zhuǎn)速時(shí)有8個(gè)測(cè)點(diǎn)無(wú)信號(hào)，達(dá)到88%全轉(zhuǎn)速時(shí)有10個(gè)測(cè)點(diǎn)無(wú)信號(hào)，達(dá)到93%全轉(zhuǎn)速時(shí)所有測(cè)點(diǎn)無(wú)信號(hào)。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行分解檢查：①有3片應(yīng)變計(jì)被高速氣流整片吹掉，另有2片應(yīng)變計(jì)其靠近葉根轉(zhuǎn)角處的部位被吹掉，還有2片應(yīng)變計(jì)出現(xiàn)損傷。②盤(pán)上有兩處壓線的金屬薄片被撕起，兩處與應(yīng)變計(jì)焊接的導(dǎo)線端頭向葉尖方向竄動(dòng)而與轉(zhuǎn)子相接觸導(dǎo)致短路。③穿線孔前的金屬薄片對(duì)導(dǎo)線磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致測(cè)量導(dǎo)線與金屬片相接觸從而引起測(cè)量橋路短路。

針對(duì)以上問(wèn)題采取下列改進(jìn)措施：①改進(jìn)玻璃絲纖維高溫導(dǎo)線，更換為耐磨的高溫鎧裝導(dǎo)線，同時(shí)改進(jìn)金屬薄片保護(hù)高溫導(dǎo)線的方式，點(diǎn)焊不銹鋼片壓牢鎧裝導(dǎo)線在渦輪盤(pán)上；②優(yōu)化鎧裝導(dǎo)線穿過(guò)燃?xì)鉁u輪盤(pán)面凸起位置的方式；③優(yōu)化鎧裝導(dǎo)線在盤(pán)上按弧線走線的路徑；④改進(jìn)應(yīng)變計(jì)貼片工藝；⑤改進(jìn)應(yīng)變計(jì)與鎧裝導(dǎo)線焊接接頭位置保護(hù)方式。

2.5.5 第5輪試驗(yàn)

核心機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到100%全轉(zhuǎn)速時(shí)，有10個(gè)測(cè)點(diǎn)無(wú)信號(hào)，2個(gè)測(cè)點(diǎn)有正常信號(hào)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

表2給出了5輪測(cè)試試驗(yàn)A、B測(cè)點(diǎn)各階次的最大振動(dòng)應(yīng)力。燃?xì)鉁u輪葉片前有21片導(dǎo)葉，14個(gè)燃油噴嘴，燃?xì)鉁u輪葉片后有帶4個(gè)支板的承力機(jī)匣和動(dòng)力渦輪導(dǎo)葉等，這些零部件均對(duì)燃?xì)鉁u輪葉片產(chǎn)生了激振倍頻。

根據(jù)5輪測(cè)試得到的動(dòng)應(yīng)力數(shù)據(jù)，對(duì)燃?xì)鉁u輪葉片榫齒裂紋位置高周疲勞強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)定。高周疲勞儲(chǔ)備系數(shù)不小于2.5，滿足評(píng)定要求，表明葉片榫頭裂紋位置高周疲勞強(qiáng)度滿足要求。

將實(shí)測(cè)主要共振轉(zhuǎn)速(取多次測(cè)試共振轉(zhuǎn)速的平均值)與采用盤(pán)-片耦合法計(jì)算得到的共振轉(zhuǎn)速進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表3。由表可知，燃?xì)鉁u輪葉片共振轉(zhuǎn)速的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值基本一致，表明共振轉(zhuǎn)速測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確有效。

4 結(jié)論

針對(duì)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪葉片動(dòng)應(yīng)力測(cè)試需求，開(kāi)展了渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪葉片動(dòng)應(yīng)力測(cè)試技術(shù)研究和驗(yàn)證，結(jié)論如下：

表2 5輪動(dòng)應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Maximum vibration stress of measuring points A and B dynamic stress test

表3 主要共振轉(zhuǎn)速實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比Table 3 The comparison of main resonance speed

(1)燃?xì)鉁u輪葉片在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均存在3階共振，取其平均值，對(duì)應(yīng)的共振頻率在5 400 Hz、8 800 Hz和12 000 Hz附近，共振轉(zhuǎn)速在36 952 r/min、25 715 r/min和38 685 r/min附近；葉片榫頭裂紋位置高周疲勞強(qiáng)度滿足要求。

(2)試驗(yàn)中采取加寬基底噴涂固定應(yīng)變計(jì)、優(yōu)化高溫導(dǎo)線布線、改進(jìn)高溫導(dǎo)線等測(cè)試工藝，可提高動(dòng)應(yīng)力測(cè)試技術(shù)水平，成功完成了渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪葉片動(dòng)應(yīng)力全轉(zhuǎn)速測(cè)試。

(3)文中的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速燃?xì)鉁u輪葉片動(dòng)應(yīng)力測(cè)試技術(shù)，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，可為同類(lèi)測(cè)量提供參考。