航空發(fā)動機(jī)高速轉(zhuǎn)子動應(yīng)力測量研究

■ 胡國安 李堅(jiān) 李平君 范健學(xué)/ 中國航發(fā)動研所

強(qiáng)度是影響發(fā)動機(jī)安全和壽命的主要問題之一。開展中小型航空發(fā)動機(jī)動應(yīng)力測量技術(shù)研究，可推動和促進(jìn)型號任務(wù)的順利實(shí)施，確保研制和排故工作有序展開，提高工作效率。

航空發(fā)動機(jī)零部件的工作環(huán)境十分惡劣，尤其是渦軸、渦槳等中小型發(fā)動機(jī)的動應(yīng)力測量，需解決高溫、高轉(zhuǎn)速、富油、引線空間狹小等技術(shù)難題。以渦軸發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)葉片為例，其多級軸流葉片小而薄，有的葉片甚至比剃須刀刀片還小。

創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)在前期動應(yīng)力測量研究過程中，常遭遇應(yīng)變計(jì)不能長時(shí)間工作、一次成功率不高等技術(shù)難題。鑒于發(fā)動機(jī)型號研制過程中的動應(yīng)力測量需求，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)在總結(jié)前期多個(gè)型號動應(yīng)力測量經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開展了動應(yīng)力測點(diǎn)位置選取、貼片引線工藝改進(jìn)、信號傳輸裝置冷卻方案等研究，旨在提高貼片引線效率和應(yīng)變片存活率，確保在發(fā)動機(jī)熱端安裝的信號傳輸裝置能夠安全可靠運(yùn)行，以提升動應(yīng)力測量的一次成功率。

總體思路

在開展中小型航空發(fā)動機(jī)動應(yīng)力測量技術(shù)研究時(shí)，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)針對試驗(yàn)測量精度低、動應(yīng)力測點(diǎn)失效、信號傳輸裝置損毀等故障現(xiàn)象，應(yīng)用故障模式和影響過程分析（PFMEA）以及人為因素分析等方法，找到了能夠避免或減少這些潛在失效發(fā)生的措施，建立了循環(huán)反饋的動應(yīng)力測量流程，在反復(fù)迭代中精準(zhǔn)定位故障原因，尋求解決措施，主要從測點(diǎn)位置選取、動應(yīng)力測量貼片引線技術(shù)研究、信號傳輸裝置熱端輸出方案設(shè)計(jì)、滑環(huán)引電器研制等方面實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破。

渦軸發(fā)動機(jī)軸流葉片尺寸

研究內(nèi)容

測點(diǎn)位置選取

測點(diǎn)位置選取對提高動應(yīng)力測量成功率尤為關(guān)鍵，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

第一，為確保動應(yīng)力測量結(jié)果的置信度，需獲得足夠數(shù)量的有效測量樣本數(shù)據(jù)。實(shí)際測量時(shí)，由于通道數(shù)量的限制，需要在有限的應(yīng)變片數(shù)量條件下，盡量獲得所關(guān)注模態(tài)的較多的應(yīng)力數(shù)據(jù)。通過選取合理測量位置，可以使應(yīng)變片測得更多階次的振動應(yīng)力數(shù)據(jù)，提高測量結(jié)果的置信度。

第二，動應(yīng)力測量結(jié)果的有效性與貼片位置直接相關(guān)。在動應(yīng)力變化梯度平緩的區(qū)域，應(yīng)變片的測量數(shù)據(jù)可以更準(zhǔn)確地反應(yīng)測點(diǎn)位置的實(shí)際應(yīng)力大小。在考慮應(yīng)力梯度變化的基礎(chǔ)上選擇合適的測點(diǎn)位置可極大提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

第三，貼片和引線對轉(zhuǎn)子的動力學(xué)特性存在一定的影響。貼片和引線可能增加轉(zhuǎn)子的不平衡量，使轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性發(fā)生變化，增大測量誤差，甚至使轉(zhuǎn)子出現(xiàn)異常振動，合適的周向測點(diǎn)布局可以降低這種誤差和異常振動出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)，提高成功率和有效性。

應(yīng)變計(jì)和應(yīng)變膠的工藝驗(yàn)證

動應(yīng)力測點(diǎn)位置與布局方案設(shè)計(jì)需要綜合考慮部件可能存在的危險(xiǎn)共振、模態(tài)應(yīng)力分布、試驗(yàn)測試條件（如通道數(shù)量）及應(yīng)變片的周向分布等因素。創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)通過模態(tài)頻率及激振分析，識別共振危害性較大的關(guān)鍵模態(tài)，在模態(tài)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上進(jìn)行模型修正，提高了危險(xiǎn)模態(tài)識別的準(zhǔn)確性。模態(tài)應(yīng)力分析是測點(diǎn)位置確定的核心內(nèi)容，可以基于應(yīng)力敏感性和應(yīng)力梯度兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，綜合評價(jià)測點(diǎn)位置的優(yōu)劣，識別動應(yīng)力貼片的潛在測點(diǎn)。尋優(yōu)最終確定的測點(diǎn)位置還需要考慮測點(diǎn)位置沿周向的布局，以減小貼片引線對振動特性可能造成的影響。

貼片引線技術(shù)

創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)針對溫度250℃以下的高轉(zhuǎn)速狀態(tài)零部件動應(yīng)力測量貼片引線技術(shù)進(jìn)行了深入研究，經(jīng)過試驗(yàn)摸索和工藝優(yōu)化，不斷提高應(yīng)變片粘貼和引線技術(shù)水平，縮短貼片引線周期并保證應(yīng)變片一次試驗(yàn)具有較高的存活率；通過在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行齒輪材料樣片的貼片工藝研究、考核及改進(jìn)，突破富油環(huán)境下動應(yīng)力測量貼片工藝、引線工藝技術(shù)難點(diǎn)，解決了防油覆蓋膠不耐高轉(zhuǎn)速，而應(yīng)變膠不耐油的技術(shù)難題，建立了富油、高轉(zhuǎn)速環(huán)境下應(yīng)變計(jì)膠粘安裝工藝，工藝優(yōu)化后應(yīng)變計(jì)存活率達(dá)到87%以上。

針對中溫（400℃以下）高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下零部件動應(yīng)力測量，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)通過對外合作的方式，在中溫貼片和引線工藝技術(shù)方面獲得了寶貴經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)提煉新的貼片工藝，保證了較高的貼片質(zhì)量，極大地提升了中溫轉(zhuǎn)子件動應(yīng)力測量的成功率。

針對高溫（1100℃）高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的動應(yīng)力測量，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)對工藝流程及測試設(shè)備開展了研究，搭建了高溫火焰噴涂貼片廠房，彌補(bǔ)了渦輪葉片等高溫動應(yīng)力測量的不足。

信號傳輸裝置熱端輸出方案

針對發(fā)動機(jī)前端無減速器和附件傳動裝置的情況，可對發(fā)動機(jī)前端進(jìn)行補(bǔ)加工以適配引電器的安裝，由于發(fā)動機(jī)前端溫度較低，不必考慮引電器外部工作環(huán)境溫度過高的問題。但是，針對前端有減速器或附件傳動裝置的情況，減速器及附件傳動裝置內(nèi)部涉及大量齒輪結(jié)構(gòu)，改制加工難度很大，試驗(yàn)時(shí)存在較大風(fēng)險(xiǎn)且時(shí)間及經(jīng)濟(jì)成本高。因此，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)提出引電器后輸出方案，不改變發(fā)動機(jī)整體結(jié)構(gòu)并通過雙通道冷卻，有效地解決了渦輪后端高溫環(huán)境引電器冷卻難題。

試驗(yàn)時(shí)，在軸承腔內(nèi)、外布置腔溫及腔壓測試線。對軸承腔內(nèi)、外腔壓及腔溫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，既可避免軸承腔內(nèi)壓力大于軸承腔外壓力導(dǎo)致滑油從轉(zhuǎn)接軸篦齒位置泄漏，又可避免引電器工作環(huán)境溫度過高；在監(jiān)測過程中若出現(xiàn)軸承腔外壓力有偏小、溫度偏高的趨勢時(shí)，可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)冷氣的進(jìn)氣量；采用周向開槽結(jié)構(gòu)，通過將不同規(guī)格的溫度壓力測試線、油管、冷卻液管以及動應(yīng)力信號線從相應(yīng)大小的槽口引出，上端面涂抹密封膠，能有效地減少冷氣的泄漏。

滑環(huán)引電器研制技術(shù)路線

滑環(huán)引電器研制

創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)自行開展滑環(huán)引電器研制，從引電器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械加工和采購、總體裝配、安裝調(diào)試，對引電器的最終性能做出評估。高速滑環(huán)引電器的研制成功，突破了國外對此項(xiàng)技術(shù)的封鎖，改變了高速滑環(huán)引電器維護(hù)保養(yǎng)受制于人的不利局面，為動應(yīng)力測量的開展提供了有力保障。

質(zhì)量管控

創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)通過對技術(shù)過程進(jìn)行分析，結(jié)合工程實(shí)踐，梳理出如何從貼片點(diǎn)選取的技術(shù)角度提高動應(yīng)力測量成功率的3個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，向下分解得到6個(gè)影響因素和17個(gè)控制因素，對動應(yīng)力貼片中的關(guān)鍵技術(shù)特征準(zhǔn)確識別，找出了動應(yīng)力貼片點(diǎn)位置優(yōu)化、減小貼片點(diǎn)對轉(zhuǎn)子不平衡影響等技術(shù)薄弱環(huán)節(jié)，明確了模態(tài)識別、模態(tài)應(yīng)力分析和貼片位置周向布局3個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)責(zé)任人，分別針對各關(guān)鍵環(huán)節(jié)的底事件制定措施分析表，結(jié)合防錯(cuò)方法，開發(fā)了動應(yīng)力敏感度分析檢查表單和指導(dǎo)書、高敏感度/低應(yīng)力梯度的動應(yīng)力貼片位置優(yōu)化程序、動應(yīng)力貼片位置周向布局優(yōu)化程序，并建立了動應(yīng)力貼片分析標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范，保證了動應(yīng)力測點(diǎn)選取技術(shù)研究的一次成功。

貼片引線作為動應(yīng)力測量中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其工藝水平的好壞直接決定著試驗(yàn)的成敗。影響貼片引線質(zhì)量的因素很多，主要包括貼片引線工藝的選取、試驗(yàn)件貼片位置可操作性、貼片位置打磨粗糙度、應(yīng)變膠層厚度、加溫固化程度、加壓固化程度、接線端子焊接方式、引線路徑上銳邊及孔的光滑度、引線路徑上的懸空段、點(diǎn)焊壓片牢固程度、裝配對測點(diǎn)的損傷度以及操作人員的經(jīng)驗(yàn)等。整個(gè)貼片引線過程中任一環(huán)節(jié)的疏忽大意都有可能嚴(yán)重影響貼片引線質(zhì)量?？紤]到貼片引線的過程管控尤為重要，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)制定了貼片符合性檢查表單，在應(yīng)變計(jì)安裝與引線的每一個(gè)環(huán)節(jié)嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，細(xì)致查找影響測點(diǎn)存活率的因素。

動應(yīng)力貼片點(diǎn)選取一次成功“子成功樹”

雙通道冷卻質(zhì)量分析魚翅圖

針對高溫火焰噴涂過程中應(yīng)變計(jì)存活率不高的問題，運(yùn)用頭腦風(fēng)暴進(jìn)行因果分析，找出末端原因10個(gè)，采用要因確認(rèn)的排查方法對每一個(gè)末端原因進(jìn)行驗(yàn)證分析。

開展信號傳輸裝置熱端輸出設(shè)計(jì)方案研究，設(shè)計(jì)信號傳輸裝置冷卻方案，確保信號傳輸裝置在發(fā)動機(jī)熱端長時(shí)間工作，并保證滑油的密封良好。

通過魚翅圖，對可能導(dǎo)致冷卻效果不符合預(yù)期的情況進(jìn)行梳理分析，通過人、機(jī)、料、法、環(huán)、測6個(gè)方面，將可能存在的隱患在初期進(jìn)行排查，有效地保證試驗(yàn)的一次成功。

結(jié)束語

創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)通過多輪仿真和試驗(yàn)分析，對貼片位置進(jìn)行了最優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立評估方法和設(shè)計(jì)規(guī)范；提出了抗離心力和熱脹的引線布局方式，確定了貼片加溫固化新工藝，攻克了原工藝無法獲取最高轉(zhuǎn)速下動應(yīng)力測量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的難題；首次提出了后輸出雙通道氣冷方案，通過對引電器的雙通道且獨(dú)立可調(diào)的氣冷保護(hù)，解決了在熱端引電器不能長時(shí)間工作、穩(wěn)定運(yùn)行的難題；突破了高速滑環(huán)引電器設(shè)計(jì)集成調(diào)試、信號快速連接等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。通過在各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的質(zhì)量把控，實(shí)現(xiàn)了測點(diǎn)數(shù)目減少40%以上的技術(shù)指標(biāo)，使測點(diǎn)存活率大大提高，信號傳輸裝置的安全性得到有效保障，使測量設(shè)備的成本降低，維護(hù)周期縮短，試驗(yàn)一次成功率得到有效提升。試驗(yàn)結(jié)果為中小型航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子件的設(shè)計(jì)和故障診斷提供了支撐數(shù)據(jù)，對研究航空高速轉(zhuǎn)子工作狀態(tài)下的振動特性具有十分重要的意義。

火焰噴涂質(zhì)量分析魚翅圖