高壓渦輪級間封嚴(yán)盤振動特性研究

李 靜，陳亞龍

（中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責(zé)任公司，上海 201108）

1 引言

近年來，航空發(fā)動機壓氣機或渦輪輪盤，由于采用了優(yōu)質(zhì)合金鋼和新的設(shè)計制造工藝方法等，輪盤結(jié)構(gòu)日趨輕薄。因此，輪盤的自振頻率相應(yīng)地降低，在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)常常容易出現(xiàn)危險的共振，從而導(dǎo)致輪盤的振動疲勞損傷。作為一個高速旋轉(zhuǎn)的動力部件，輪盤在發(fā)動機高速運行范圍內(nèi)可能處于臨界顫振邊緣，或某一激振源引起旋轉(zhuǎn)件高階復(fù)合振型的高周疲勞導(dǎo)致裂紋，甚至發(fā)生輪盤斷裂故障。目前國內(nèi)外發(fā)動機公司生產(chǎn)的航空發(fā)動機中，均發(fā)生過輪盤炸裂的嚴(yán)重事故，由高周疲勞引起的事故約占總事故的25%[1]，美國空軍專題報告中指出[2]，美國空軍中55%的A類事故和30%的航空發(fā)動機維修費用都源于高周疲勞，近年來，人們對輪盤的振動現(xiàn)象越來越多地重視起來。高壓級間渦輪封嚴(yán)盤屬于渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，具有直徑大、輻板薄、鼓筒薄、篦齒高的結(jié)構(gòu)特點，且其工作在高轉(zhuǎn)速、高溫度、高壓差的環(huán)境下，作為旋轉(zhuǎn)件，承受各種激振作用，同時由于高壓級間封嚴(yán)盤的前后薄壁結(jié)構(gòu)，其激振更容易，振幅更大，發(fā)生高周疲勞的可能性也會提高，因此對高壓渦輪級間封嚴(yán)盤進(jìn)行振動特性研究，根據(jù)振動特性研究結(jié)果來分析判斷輪盤的振動可靠性，研究可能采用的調(diào)頻、減振和排故等措施的有效性[3]。

2 有限元方法模態(tài)計算

高壓渦輪級間封嚴(yán)盤是多自由度系統(tǒng)和較復(fù)雜的彈性體，一般通過近似方法和數(shù)值方法來分析其振動特性[4-7]。

根據(jù)多自由度振動方程：

式中：M，C和K—系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；f（t）—系統(tǒng)的激振力向量。

3 求解獲取振動模態(tài)和頻率。

高壓渦輪級間封嚴(yán)盤存在于雙級高壓渦輪盤結(jié)構(gòu)中，其作用是對二級導(dǎo)葉進(jìn)行密封。高壓渦輪級間封嚴(yán)盤為周期對稱結(jié)構(gòu)，選取一個周期結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析[5]，計算軟件采用ANSYS15.0，網(wǎng)格單元SOLID185，網(wǎng)格數(shù)117033，有限元模型，如圖1所示。

圖1 高壓渦輪級間封嚴(yán)盤有限元模型Fig.1 The Finite Element of HPT Interstage Sealing Disk

某型航空發(fā)動機采用雙級渦輪盤結(jié)構(gòu)，兩級渦輪盤之間設(shè)計級間封嚴(yán)盤，封嚴(yán)盤通過與兩級盤的配合面?zhèn)鬟f扭矩及限位，因此，高壓渦輪級間封嚴(yán)盤邊界約束情況直接影響振動特性結(jié)果，按以下兩種邊界情況進(jìn)行模態(tài)分析。（1）邊界1，封嚴(yán)盤與前后渦輪盤的軸向接觸面約束軸向位移，徑向接觸面約束徑向位移；（2）邊界2，對發(fā)動機高壓渦輪部分進(jìn)行二維分析計算，按照發(fā)動機安裝狀態(tài)的位移結(jié)果進(jìn)行封嚴(yán)盤邊界插值位移約束。對高壓渦輪級間篦齒盤進(jìn)行模態(tài)分析，邊界2需先靜力分析，然后進(jìn)行帶預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析。不同邊界下的固有頻率，如圖2所示。

圖2 高壓渦輪封嚴(yán)盤模態(tài)分析結(jié)果（Hz）Fig.2 The Modal Result of HPT Interstage Sealing Disk

從圖2可以看出，邊界2的相同階數(shù)相同節(jié)徑的固有頻率大于邊界1的，因為邊界2考慮了高壓渦輪一級盤、二級盤對封嚴(yán)盤的作用力，封嚴(yán)盤的預(yù)應(yīng)力提高了輪盤的剛度，封嚴(yán)盤的自振頻率相應(yīng)地提高，與分析結(jié)果一致。

以一階為例，邊界1、2作用下的各階振型圖，如圖3所示。

圖3 高壓渦輪級間封嚴(yán)盤振型圖Fig.3 The Mode of Vibration of HPT Interatage Sealing Disk

從圖3可以看出，兩種邊界作用下的各階振型近似，兩個邊界約束方式的不同在于是否考慮安裝狀態(tài)兩級高壓渦輪盤對級間封嚴(yán)盤的擠壓力，這種不同對頻率值及振型有較小的影響。后續(xù)采用邊界2作為試驗條件，用于獲取真實高壓渦輪封嚴(yán)盤的固有頻率，在轉(zhuǎn)接段的設(shè)計裝配上盡量與安裝狀態(tài)一致。

3 振動特性試驗

對某型航空發(fā)動機高壓渦輪級間封嚴(yán)盤進(jìn)行固有頻率測試，并將試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比。國內(nèi)有對渦輪盤、葉片或機匣進(jìn)行模態(tài)試驗[8-10]，但單獨對高壓渦輪級間封嚴(yán)盤進(jìn)行模態(tài)試驗較少見。

3.1 振動測試原理

將整個試驗系統(tǒng)固定于振動臺上，由激振系統(tǒng)對試驗件進(jìn)行激勵加載。根據(jù)試驗狀態(tài)（邊界2）的模態(tài)分析結(jié)果，試驗件波峰位置粘貼應(yīng)變片，一個周期內(nèi)加密粘貼。試驗開始時，信號源發(fā)出激勵信號（正弦激勵）經(jīng)過功率放大器放大，通過激振器上的頂桿將激振力傳給試驗件。激振力的大小由粘貼在頂桿上的力傳感器測得。

粘貼在試驗件輻板上的傳感器將被測的機械振動量轉(zhuǎn)換為電量，輸出力和加速度響應(yīng)，然后進(jìn)行頻響函數(shù)測試，根據(jù)得到的頻響函數(shù)，利用模態(tài)分析軟件LMS進(jìn)行模態(tài)的分析和識別，得到試驗件模態(tài)參數(shù)，測試原理圖，如圖4所示。

圖4 高壓渦輪級間封嚴(yán)盤振動試驗原理圖Fig.4 The Schematic Diagram of Vibration Test of HPT Interatage Sealing Disk

3.2 試驗設(shè)計

為了真實地模擬級間封嚴(yán)盤的振動特性，本試驗分別設(shè)計模擬盤和轉(zhuǎn)接段，模擬盤替代高壓渦輪一級盤與二級盤，用于級間封嚴(yán)盤裝配。考慮到級間封嚴(yán)盤前后有擋板約束軸向位移，通過長螺栓及定位套筒連接模擬盤，安裝狀態(tài)的級間封嚴(yán)盤邊界軸向位移由二維計算結(jié)果提供，具體實施通過調(diào)整定位套筒實現(xiàn)。轉(zhuǎn)接段用于模擬盤與振動臺的安裝，通過轉(zhuǎn)接段底部的螺栓孔將整個試驗系統(tǒng)固定在振動臺上。模態(tài)試驗，如圖5所示。試驗要求測量一階3節(jié)徑固有頻率，按照模態(tài)分析結(jié)果在高壓渦輪封嚴(yán)盤面布置測點，1—6測點布置在波峰位置，2—3測點間加密布置7—8測點，測點7布置在節(jié)線位置，各測點繞高壓渦輪封嚴(yán)盤中心軸線角度為：測點 1（0°），測點 2（60°），測點 3（120°），測點 4（180°），測點 5（240°），測點 6（300°），測點 7（90°），測點 8（105°）。

圖5 高壓渦輪級間封嚴(yán)盤模態(tài)試驗Fig.5 The Modal Test of HPT Interatage Sealing Disk

3.3 振動測試結(jié)果

采集加速度傳感器和力傳感器信號，對各通道的時域信號進(jìn)行模態(tài)分析和參數(shù)識別，得到一階不同節(jié)徑的共振頻率，以試驗件一階3節(jié)徑為例，試驗件各個位置處的振幅和相位試驗結(jié)果，如圖6所示。由圖6可以看到，測點1—6振幅基本一致，相鄰位置之間的相位差均為180°。測點7振幅與其他位置相比近似為0，故其位于試驗件節(jié)線位置處。測點8近似處于測點3和測點7連線處，且與測點3相位基本一致。試驗結(jié)果與模態(tài)分析結(jié)果一致，因此，可以識別當(dāng)前振型即為試驗件一階3節(jié)徑振型，得到共振頻率及試驗件模態(tài)阻尼比。

圖6 試驗件一階3節(jié)徑振型圖Fig.6 The Mode of Vibration of First Order Three Pitch of Test Article

3.4 計算與試驗結(jié)果對比

有限元分析與試驗?zāi)B(tài)結(jié)果，如表1所示。

表1 模擬與試驗結(jié)果對比Tab.1 The Result Comparison Between Simulation and Experimentation

由表1可以看出，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果接近，相差0.2%，并且通過上節(jié)試驗振動結(jié)果分析，振型一致?？烧J(rèn)為所設(shè)計模態(tài)試驗合理。

4 結(jié)論

對高壓渦輪級間封嚴(yán)盤進(jìn)行振動模態(tài)分析，兩個邊界約束方式的不同在于是否考慮安裝狀態(tài)兩級高壓渦輪盤對級間封嚴(yán)盤的擠壓力，這種不同對頻率值和振型有較小影響，一階3節(jié)徑頻率值相差1.2%，在模態(tài)試驗轉(zhuǎn)接段的設(shè)計裝配上要盡量與安裝狀態(tài)一致；

通過模態(tài)試驗得到振型、固有頻率及阻尼比，其中一階三節(jié)徑固有頻率與安裝狀態(tài)的模擬結(jié)果相差0.2%，且模擬與試驗振型一致，驗證了有限元分析模型的可靠性及模態(tài)試驗的合理性，有限元分析模型可用于快速振動評估，模態(tài)試驗結(jié)果可用于高壓渦輪級間封嚴(yán)盤調(diào)頻、減振和排故。