高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下高壓渦輪葉盤振動試驗研究

羅莉，黃大永

(1.中國航發(fā)商用航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司 設(shè)計研發(fā)中心， 上海 200241) (2.上海商用飛機(jī)發(fā)動機(jī)工程技術(shù)研究中心， 上海 200241)

0 引 言

航空發(fā)動機(jī)的渦輪轉(zhuǎn)子葉片在工作過程中承受離心力、高溫、氣動壓力，渦輪葉片經(jīng)常會由于過大的振動應(yīng)力導(dǎo)致高周疲勞斷裂，從而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)失去推力。目前主要通過轉(zhuǎn)子葉片調(diào)頻或者安裝干摩擦阻尼等方式降低葉片振動的高周疲勞風(fēng)險，避免高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片在工作過程中產(chǎn)生不可接受的振動應(yīng)力。然而調(diào)頻和阻尼裝置設(shè)計均需要獲取轉(zhuǎn)子葉片的振動特性和振動水平。通常采用兩種方式對高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片的振動特性和振動水平進(jìn)行測試研究。一種方式是葉片處于靜止?fàn)顟B(tài)，采用夾具固定或者預(yù)緊的方式，測量葉片榫頭固定時高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片的振動特性，通過振動臺、激振器等施加葉片振動激勵，測量高壓渦輪葉片所能承受的振動應(yīng)力極限；另一種方式是在核心機(jī)或者整機(jī)試驗中，測量高壓渦輪葉片的實際振動特性和應(yīng)力水平。前一種試驗轉(zhuǎn)子葉片的安裝形式和約束剛度通常和發(fā)動機(jī)實際情況存在差異，振動特性測量結(jié)果存在誤差。林塏等、范秀杰等分別對渦輪葉片在夾具固定安裝和非旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下開展試驗，但無法模擬真實的葉片離心力狀態(tài)，獲取的葉片頻率偏低。后一種試驗在整機(jī)上開展，這類試驗?zāi)芊从橙~片振動的真實結(jié)果，但往往要等核心機(jī)或者整機(jī)設(shè)計和試制全部完成以后才能開展試驗，存在設(shè)計反復(fù)的風(fēng)險，時間和經(jīng)濟(jì)成本較高。因此考慮一種介于靜止?fàn)顟B(tài)夾具固定式測試和整機(jī)直接測試之間的組件級試驗，在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下實現(xiàn)葉片非接觸式高頻激振，既可獲取更真實的葉片振動特性和振動水平，又能方便快捷地在產(chǎn)品設(shè)計早期使用該試驗系統(tǒng)，有利于設(shè)計迭代。

大多數(shù)葉盤振動問題是由于空氣力的激勵引起的，氣流激振是一種較好的非接觸式激振方法，但該方法會導(dǎo)致試驗的真空腔真空度下降，試驗系統(tǒng)阻尼增加，無法達(dá)到試驗需要的運(yùn)行轉(zhuǎn)速。因此，本文在高速旋轉(zhuǎn)試驗臺開展試驗，采用霧化油滴的方式模擬渦輪導(dǎo)葉周期性氣動激振的情況，建立高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的測試系統(tǒng)，既能還原轉(zhuǎn)子葉片與輪盤的連接方式，又可實現(xiàn)渦輪葉片周期性氣動激勵，獲取高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的葉片振動特性和阻尼減振效果。

1 試驗系統(tǒng)

高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)葉盤激振試驗臺如圖1所示，該試驗系統(tǒng)主要由高速旋轉(zhuǎn)試驗器、噴油激振系統(tǒng)、回油供油系統(tǒng)、實時數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)組成。通過驅(qū)動電機(jī)、高速滑環(huán)、試驗腔等組成高速旋轉(zhuǎn)試驗器，驅(qū)動電機(jī)作為驅(qū)動源，試驗腔內(nèi)抽真空以減少轉(zhuǎn)子系統(tǒng)高速旋轉(zhuǎn)引起的功率損耗，達(dá)到試驗件的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，獲取轉(zhuǎn)子葉盤的真實離心力。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的外圍安裝多個噴嘴，噴嘴噴出霧化油滴，模擬導(dǎo)葉尾流激勵，以實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子葉片在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的非接觸式激勵，利用渦輪轉(zhuǎn)子葉片上的應(yīng)變片測量渦輪葉片的振動特性和響應(yīng)。通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時采集振動響應(yīng)。回油供油系統(tǒng)中的回油泵將試驗腔內(nèi)的油液送回外部油箱，液體經(jīng)增壓泵增壓后輸送至噴嘴處。試驗系統(tǒng)實現(xiàn)閉環(huán)。

圖1 試驗系統(tǒng)示意圖

1.1 激勵裝置

激勵裝置示意圖如圖2所示，先用螺栓將上安裝板固定在試驗腔蓋上，再用螺栓將下安裝環(huán)(第一層安裝環(huán))固定，將多個噴嘴周向并排布置在滑桿外安裝環(huán)上。螺栓和噴嘴滑桿的長度和數(shù)量可根據(jù)試驗件具體情況調(diào)節(jié)。噴嘴塊可自由地在滑桿上滑動和旋轉(zhuǎn)，噴嘴通過螺紋連接在噴嘴塊上。噴嘴安裝于真空倉內(nèi)，是可拆卸的，以便于調(diào)整其數(shù)量。在試驗過程中，噴嘴的噴射量和噴射角度可調(diào)節(jié)，以便調(diào)節(jié)對葉片的激振力。激勵裝置的實物如圖3所示。

圖2 激勵裝置示意圖

圖3 激勵裝置實物

當(dāng)激振頻率與試驗件頻率相同時引起共振，激振頻率為

f

N

n

f

N

n

1.2 供油裝置

油管由主油站出油口連接至試驗腔蓋上的分油器，而后連接至各噴嘴塊的進(jìn)油口，以實現(xiàn)多路油路同時供油。根據(jù)所需噴嘴數(shù)量，可以通過堵住多余的出油口來實現(xiàn)不同噴嘴數(shù)的供油。將回油桶放置在試驗腔底部，將油箱出油口與底板的接口相連，再連接至回油泵裝置的進(jìn)油口，經(jīng)過濾器及回油泵連接至主油箱，完成回油管路安裝。

1.3 布線裝置

在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，離心力較大的應(yīng)變片及引線在噴油激勵作用下受到較大的沖擊載荷，當(dāng)模擬試驗件沿程較長，零件表面存在幾何突變時，高速旋轉(zhuǎn)過程中應(yīng)變片容易脫落、引線易斷裂。為了確保引線和應(yīng)變片能在高速旋轉(zhuǎn)且存在較大激振力的情況下，依然能正常工作，設(shè)計空心軸的布線方案(如圖4所示)，避免引線的大段長度承擔(dān)離心力，引線沿著光滑的通道直接從空心軸孔穿出，再沿著試驗件外壁粘貼。應(yīng)變片粘貼進(jìn)行固化，利用高溫膠帶將應(yīng)變片引線排布固定在試驗件表面。應(yīng)變片引線的排布自然彎曲，避免引線斷裂。

圖4 布線方案示意圖

1.4 數(shù)據(jù)采集

采用高速滑環(huán)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，將高速旋轉(zhuǎn)的應(yīng)變信號轉(zhuǎn)換為非旋轉(zhuǎn)信號，且具有較高的信噪比。將滑環(huán)引電器的引線通過信號線連接至動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)，如圖5所示，實現(xiàn)多通道應(yīng)變數(shù)據(jù)同步采集與實時頻譜分析。

圖5 動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)

2 試驗件介紹

對高壓渦輪轉(zhuǎn)子模擬件開展試驗，考慮轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動平衡和試驗實施的方便性，對試驗件葉片沿輪盤周線成對角線布置，分別為1號、2號、3號、4號葉片。高壓渦輪葉片的緣板阻尼裝置在葉片緣板下側(cè)，相鄰葉片之間，其結(jié)構(gòu)形式如圖6所示，阻尼器兩個側(cè)面分別和相鄰的兩個轉(zhuǎn)子葉片的緣板接觸，在離心力作用下接觸面產(chǎn)生正壓力，當(dāng)葉片振動時，相鄰葉片緣板位置的振動位移存在相位差，使緣板阻尼器的緣板接觸面發(fā)生相對滑動，滑動摩擦消耗葉片的振動能量，發(fā)揮阻尼效果。

圖6 緣板阻尼裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3 試驗測試結(jié)果

3.1 葉片振動頻率的測試結(jié)果

在噴油嘴個數(shù)確定的情況下，試驗轉(zhuǎn)速為10 000～19 000 r/min，對帶阻尼和不帶阻尼裝置的葉片開展振動特性測試，獲取葉片的一階頻率，如表1所示，緣板阻尼裝置的質(zhì)量有三種，對阻尼裝置的質(zhì)量進(jìn)行無量綱化；對葉片頻率取均值并進(jìn)行歸一化，以無阻尼裝置葉片的頻率為基準(zhǔn)。

表1 渦輪葉片不同阻尼狀態(tài)的頻率比(質(zhì)量和頻率歸一化)

從表1可以看出：無阻尼裝置時葉片的頻率小于有阻尼裝置的葉片頻率，這是因為當(dāng)帶有阻尼裝置時，阻尼裝置與緣板之間產(chǎn)生正壓力，提高了葉片的剛度；帶有最重的緣板阻尼葉片的頻率增加約2%；帶有不同質(zhì)量阻尼裝置的葉片頻率隨著阻尼裝置質(zhì)量的增大而略微增大。

3.2 葉片動應(yīng)變的測試結(jié)果

在葉片接近根部的位置粘貼應(yīng)變片。在相同激振力，相同轉(zhuǎn)速的情況下，獲取不同阻尼裝置情況下葉片振動響應(yīng)水平，如圖7所示，橫坐標(biāo)表示葉片帶有不同質(zhì)量比的阻尼裝置，縱坐標(biāo)為葉片測得的應(yīng)變比。

圖7 葉片動應(yīng)變測試結(jié)果

對葉片的應(yīng)變進(jìn)行歸一化，以無阻尼裝置時的應(yīng)變?yōu)榛鶞?zhǔn)，即無阻尼裝置時的葉片應(yīng)變比為1，并對阻尼裝置質(zhì)量進(jìn)行無量綱化。對4只葉片的動應(yīng)變?nèi)【?，渦輪葉片的應(yīng)變結(jié)果如表2所示。

表2 渦輪葉片的應(yīng)變結(jié)果隨阻尼質(zhì)量的變化

從圖7和表2可以看出：帶緣板阻尼裝置葉片比無阻尼裝置的動應(yīng)變顯著下降，在10 000～19 000 r/min運(yùn)行轉(zhuǎn)速下，阻尼裝置對葉片的減振效果達(dá)到40%；在阻尼裝置質(zhì)量變小時，葉片動應(yīng)變的結(jié)果緩慢減小，這是因為質(zhì)量較小的阻尼裝置與葉片緣板的接觸面更小，阻尼裝置和葉片緣板更容易產(chǎn)生相對滑動，消耗更多能量，減小振動。

4 結(jié) 論

(1) 本文采用非接觸式霧化油滴激振的方法模擬渦輪葉片的周期性氣動激勵，可以獲取高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，高頻率小尺寸轉(zhuǎn)子葉片的振動特性，解決了高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下渦輪葉片激勵施加的難題。

(2) 本文設(shè)計的試驗系統(tǒng)布線方案，解決了離心力較大、沿程較長、沖擊載荷等因素作用下動應(yīng)變片容易脫落、引線易斷裂的問題，確保試驗正常開展。

(3) 該試驗技術(shù)為常溫條件下高壓渦輪緣板阻尼的設(shè)計提供了較真實的工作狀態(tài)，為轉(zhuǎn)子葉片和阻尼裝置的設(shè)計提供了試驗支撐，可以減少設(shè)計迭代周期。

(4) 通過對某轉(zhuǎn)子系統(tǒng)開展帶緣板阻尼裝置的葉盤振動特性試驗，獲取了高壓渦輪動葉的振動頻率有效數(shù)據(jù)和規(guī)律，阻尼裝置使葉片頻率略有增加，安裝質(zhì)量最大的阻尼裝置的葉片其頻率增加大約2%。

(5) 某轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下獲取其葉片動應(yīng)變的結(jié)果及緣板阻尼裝置的減振水平，該緣板阻尼裝置在常溫高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下減振明顯，特定轉(zhuǎn)速下可達(dá)40%。

本文所提試驗技術(shù)可應(yīng)用于燃?xì)廨喌雀黝愋D(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)子葉片研究中，但該試驗方案未考慮高溫對轉(zhuǎn)子葉片振動特性的影響，未來還需發(fā)展同時考慮轉(zhuǎn)速、高溫、尾流激振等載荷共同作用的試驗研究，更進(jìn)一步逼近真實的發(fā)動機(jī)運(yùn)行情況，為發(fā)動機(jī)的研發(fā)提供更完善的試驗條件。