喘振載荷作用下風(fēng)扇轉(zhuǎn)靜子碰摩研究

劉一雄 ，叢佩紅 ，郭 勇 ，楊治中 ，鄭茂軍

（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.西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院，西安 710072）

0 引言

為了摸清航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇/壓氣機(jī)部件的工作性能，在工程應(yīng)用中常在部件試驗(yàn)器上開(kāi)展性能錄取試驗(yàn)，通過(guò)節(jié)氣門(mén)調(diào)節(jié)的方法使風(fēng)扇/壓氣機(jī)偏離工作點(diǎn)并沿等轉(zhuǎn)速線向喘點(diǎn)逼近，進(jìn)而獲得喘振邊界。喘振是發(fā)動(dòng)機(jī)的一種不穩(wěn)定工作狀態(tài)，發(fā)生的主要原因是風(fēng)扇/壓氣機(jī)流道內(nèi)存在嚴(yán)重的氣流分離，甚至產(chǎn)生沿軸向的反向倒流[1]。發(fā)動(dòng)機(jī)一旦進(jìn)入喘振狀態(tài)，流道內(nèi)氣流的流量和壓力將呈現(xiàn)低頻大幅度的軸向振蕩[2]，導(dǎo)致試驗(yàn)件強(qiáng)烈振動(dòng)乃至發(fā)生嚴(yán)重的轉(zhuǎn)靜子碰摩故障[3-4]，不僅會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子葉片掉塊或斷裂、靜子件嚴(yán)重刮摩[5-7]，還會(huì)對(duì)流道內(nèi)上游和下游的葉片造成二次損傷，危害性大，而且會(huì)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)葉片機(jī)匣碰摩開(kāi)展了大量的研究工作。劉書(shū)庫(kù)等[8]采用LS-DYNA 軟件，研究了高壓渦輪盤(pán)、葉片及機(jī)匣的碰摩過(guò)程，表明葉片與機(jī)匣每碰摩1 次可以近似視為1 個(gè)沖擊過(guò)程；Legrand 等[9]提出了一種全3維接觸準(zhǔn)則模擬葉片-機(jī)匣的碰摩方法，采用Ansys 軟件分析了葉片和機(jī)匣的接觸動(dòng)力學(xué)特性；宋慧斌[10]基于LS-DYNA 研究了3 種不同涂層材料對(duì)葉片-機(jī)匣碰摩響應(yīng)的影響，獲得了葉片的振幅以及振動(dòng)應(yīng)力分布；張俊紅等[11]基于ABAQUS 軟件建立了葉片-涂層/機(jī)匣的碰摩仿真模型，發(fā)現(xiàn)封嚴(yán)涂層可以有效減小葉尖應(yīng)力和碰摩力，且碰摩力具有周期性的脈動(dòng)特征；Ahrens 等[12]通過(guò)模型試驗(yàn)件開(kāi)展了低速碰摩試驗(yàn)，研究了葉片-機(jī)匣碰摩力以及侵入量和法向接觸力的關(guān)系，獲得了葉片和機(jī)匣碰摩過(guò)程中法向力和切向力的時(shí)間歷程曲線；Padova 等[13]通過(guò)所建立的高速旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)，研究了葉片和機(jī)匣基體產(chǎn)生的碰摩力隨不同最大侵入量的變化曲線，表明碰摩具有非線性特征；陳果等[14]開(kāi)展了航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片-機(jī)匣的單點(diǎn)和偏摩試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)碰摩時(shí)機(jī)匣測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)中轉(zhuǎn)子葉片的通過(guò)頻率分量劇增；李勇等[15]在航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)件上開(kāi)展了轉(zhuǎn)靜件碰摩研究，獲得了不同碰摩條件下碰摩力及葉片的振動(dòng)特性，認(rèn)為葉片在給定的碰摩條件下不會(huì)發(fā)生共振。目前，工程上常采用脈沖力局部碰摩模型將碰摩故障[16-18]中復(fù)雜的碰摩過(guò)程簡(jiǎn)化為葉片在脈沖載荷作用下的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)問(wèn)題，其優(yōu)點(diǎn)是可獲得葉片在碰摩時(shí)的變形和應(yīng)力分布，計(jì)算量小。

本文以喘振時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)靜子葉片碰摩故障的風(fēng)扇試驗(yàn)件為研究對(duì)象，開(kāi)展喘振影響分析和碰摩沖擊響應(yīng)模擬分析，研究結(jié)果可以為故障原因定位和改進(jìn)設(shè)計(jì)提供參考。

1 故障概述

1.1 損傷情況

某風(fēng)扇試驗(yàn)件在開(kāi)展1.0 轉(zhuǎn)速喘振試驗(yàn)時(shí)，進(jìn)入喘振后試驗(yàn)件出口出現(xiàn)火光，下臺(tái)分解后檢查發(fā)現(xiàn)，中間級(jí)轉(zhuǎn)子葉片損傷嚴(yán)重，10 片葉片的葉尖前緣和尾緣發(fā)生卷邊或掉塊，風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片前、尾緣損傷情況如圖1 所示。對(duì)應(yīng)上方機(jī)匣涂層和機(jī)匣基體磨損嚴(yán)重，且其上游所有靜子葉片尾緣均被打傷，上游靜子葉片損傷情況如圖2所示。機(jī)匣收斂型通道如圖3所示，其中中間級(jí)轉(zhuǎn)子葉片上方通道與軸線夾角為11°。

圖1 風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片前、尾緣損傷情況

圖2 上游靜子葉片損傷情況

圖3 機(jī)匣收斂型通道

1.2 失效分析

為進(jìn)一步明確葉片的損傷模式和碰摩行為模式，對(duì)轉(zhuǎn)子葉片前緣斷口開(kāi)展了失效分析。轉(zhuǎn)子葉片斷口分析結(jié)果如圖4 所示，從圖4（a）中可見(jiàn)，斷口表面粗糙，有明顯磨損痕跡；從圖4（b）中可見(jiàn)，斷口呈現(xiàn)磨損和韌窩特征，表明葉片發(fā)生了瞬時(shí)斷裂。

圖4 轉(zhuǎn)子葉片斷口分析結(jié)果

同時(shí)，通過(guò)能譜分析發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子葉片尾緣除存在葉片自身材料成分TC17 合金外，還存在機(jī)匣基體合金成分TC4合金。

綜上所述可以明確，轉(zhuǎn)子葉片前緣與上游靜子葉片發(fā)生軸向碰摩，且其尾緣與上方涂層外的機(jī)匣基體也發(fā)生了徑向碰摩。

2 喘振影響分析

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片發(fā)生碰摩問(wèn)題的可能原因有：

（1）轉(zhuǎn)子葉片發(fā)生大的變形，例如發(fā)生共振、顫振等；

（2）受到喘振沖擊載荷的影響；

（3）轉(zhuǎn)、靜子之間間隙不足。

本節(jié)通過(guò)數(shù)值模擬和試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，排除了由共振和顫振導(dǎo)致的葉片碰摩；結(jié)合壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)開(kāi)展喘振載荷影響分析，主要考慮喘振時(shí)氣動(dòng)壓力短時(shí)振蕩對(duì)葉片產(chǎn)生沖擊作用；開(kāi)展基于尺寸鏈的轉(zhuǎn)靜子葉片熱態(tài)間隙分析。

2.1 共振和顫振分析

在共振分析時(shí)采用了傳統(tǒng)坎貝爾圖預(yù)測(cè)共振轉(zhuǎn)速的方法，轉(zhuǎn)子葉片坎貝爾圖如圖5所示。其中，E為發(fā)動(dòng)機(jī)基頻，2～6E、17E、45E、68E為轉(zhuǎn)子葉片受到的激勵(lì)頻率，f為葉片的各階頻率，n為風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，n1～n4為不同工況下的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，上述參數(shù)均進(jìn)行無(wú)量綱處理。

圖5 轉(zhuǎn)子葉片坎貝爾圖

從圖中可見(jiàn)，葉片在1.0 轉(zhuǎn)速存在由機(jī)匣橢圓度6E激起的2 階共振，頻率裕度為0.17%，激振能量的大小無(wú)法確定。然而，參考圖6給出的1.0轉(zhuǎn)速進(jìn)入喘振前葉片前緣的光纖振動(dòng)幅值，可以看出葉片在該轉(zhuǎn)速光纖振幅很小，說(shuō)明葉片在進(jìn)入喘振前無(wú)明顯共振。

圖6 1.0轉(zhuǎn)速進(jìn)入喘振前葉片前緣光纖幅值

采用能量法[19]進(jìn)行顫振分析，得到了試驗(yàn)件節(jié)流狀態(tài)下1.0 轉(zhuǎn)速近喘點(diǎn)氣動(dòng)阻尼隨節(jié)徑數(shù)的變化規(guī)律，如圖7所示。從圖中可見(jiàn)，轉(zhuǎn)子葉片前3階的氣動(dòng)阻尼均為正，結(jié)合機(jī)匣壁面的壓力脈動(dòng)測(cè)試結(jié)果，未發(fā)現(xiàn)存在與轉(zhuǎn)子葉片振動(dòng)頻率有轉(zhuǎn)靜坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系的特征頻率，分析認(rèn)為不是由顫振引發(fā)的碰摩。

圖7 試驗(yàn)件節(jié)流狀態(tài)下1.0轉(zhuǎn)速近喘點(diǎn)氣動(dòng)阻尼隨節(jié)徑數(shù)的變化

2.2 喘振載荷影響分析

當(dāng)試驗(yàn)件發(fā)生喘振時(shí)，流道內(nèi)的流量和壓力會(huì)出現(xiàn)低頻大幅往復(fù)振蕩，葉片可能出現(xiàn)由喘振載荷引起的大的變形。為此開(kāi)展喘振載荷影響分析，主要考慮喘振時(shí)氣動(dòng)壓力短時(shí)振蕩對(duì)葉片產(chǎn)生的沖擊作用。

喘振載荷的確定主要根據(jù)喘振同一時(shí)刻轉(zhuǎn)子前、后實(shí)測(cè)壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)確定，在氣動(dòng)力往復(fù)振蕩過(guò)程中，轉(zhuǎn)子前測(cè)點(diǎn)壓力為0.199 MPa，轉(zhuǎn)子后測(cè)點(diǎn)壓力為0.14 MPa，氣動(dòng)力短時(shí)振蕩，將此時(shí)的壓力作為沖擊載荷進(jìn)行瞬態(tài)響應(yīng)分析，采用ANSYS 軟件開(kāi)展瞬態(tài)響應(yīng)分析，模擬分析氣動(dòng)力短時(shí)沖擊作用下葉片前緣和尾緣的軸向、徑向位移。

將喘振沖擊作用下葉片響應(yīng)與穩(wěn)態(tài)靜強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，喘振載荷沖擊對(duì)葉尖前尾緣軸向位移的影響如圖8所示。

圖8 喘振載荷沖擊對(duì)葉尖前尾緣軸向位移的影響

由計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)生喘振時(shí)，轉(zhuǎn)子葉片在氣動(dòng)壓力短時(shí)反向沖擊作用下會(huì)發(fā)生如下變化：

（1）葉片前緣和尾緣軸向均向后變形，前緣軸向位移在穩(wěn)態(tài)時(shí)為0.91 mm，在沖擊作用下增大為1.89 mm；

（2）尾緣軸向位移在穩(wěn)態(tài)時(shí)為2.21 mm，在沖擊作用下增大為3.42 mm，沖擊帶來(lái)的轉(zhuǎn)子葉片軸向向后的變形較為明顯，而軸向位移的變化帶來(lái)了尾緣徑向間隙的減小。

2.3 基于尺寸鏈的熱態(tài)間隙分析

當(dāng)喘振發(fā)生時(shí)，整個(gè)試驗(yàn)件系統(tǒng)受到較大影響，主要包括：

（1）進(jìn)入喘振時(shí)轉(zhuǎn)速突升，由于風(fēng)扇功耗降低，轉(zhuǎn)速快速升高，比磨合試車(chē)轉(zhuǎn)速高出500 r/min，使轉(zhuǎn)子葉片軸向向后、徑向向上展開(kāi)，增加葉片與機(jī)匣碰摩風(fēng)險(xiǎn)。

（2）在喘振時(shí)發(fā)生軸向力輕載反向，持續(xù)約0.19 s，根據(jù)分析，軸承的輕載反向會(huì)使風(fēng)扇轉(zhuǎn)子軸向向后串動(dòng)。

（3）機(jī)匣及靜子葉片受到喘振影響產(chǎn)生變形。

為此，非常有必要開(kāi)展基于尺寸鏈的轉(zhuǎn)靜子葉片熱態(tài)間隙分析，其計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

從圖中可見(jiàn)，在喘振載荷作用下，各種因素的影響互相疊加：

（1）轉(zhuǎn)子葉尖前緣與上游靜子葉片尾緣的軸向間隙由17 mm 增大為20.769 mm，不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)靜子葉片由喘振沖擊帶來(lái)的軸向直接碰摩。

（2）在受到喘振沖擊后轉(zhuǎn)子葉尖尾緣向后變形，考慮風(fēng)扇機(jī)匣為收斂型通道，轉(zhuǎn)子葉片軸向向后變形會(huì)帶來(lái)徑向間隙減小的情況：機(jī)匣流道傾斜角度約為11°，即葉片軸向向后移動(dòng)1 mm，則葉尖徑向間隙減小0.20 mm。

綜合考慮喘振沖擊、軸向力反向、轉(zhuǎn)速升高、機(jī)匣相對(duì)變形等的影響，葉尖尾緣的相對(duì)位移超出機(jī)匣涂層的覆蓋區(qū)域達(dá)0.41mm，此時(shí)，葉尖尾緣與機(jī)匣的徑向間隙為-0.44mm，說(shuō)明轉(zhuǎn)子葉片葉尖尾緣與機(jī)匣基體產(chǎn)生徑向碰摩。

3 受到喘振沖擊后葉片行為

為研究受到喘振載荷短時(shí)沖擊后轉(zhuǎn)子葉片的行為，在上一章確定葉片與機(jī)匣基體碰摩的基礎(chǔ)上，開(kāi)展脈沖力局部碰摩模型碰摩模擬響應(yīng)分析。

3.1 碰摩載荷及時(shí)間

在進(jìn)行碰摩模擬分析時(shí)，碰摩力及碰摩時(shí)間的設(shè)置決定了瞬態(tài)響應(yīng)的大小。為了確定碰摩力的大小，首先開(kāi)展了靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，通過(guò)液壓作動(dòng)筒在葉片尾緣突然施加周向作用力，方向由葉盆側(cè)指向葉背側(cè)，前緣軸向位移隨靜態(tài)拉力的變化關(guān)系如圖10所示。

圖10 前緣軸向位移隨靜態(tài)拉力的變化關(guān)系

從圖中可見(jiàn)，葉片前緣的位移與拉力呈線性關(guān)系。然而葉片與機(jī)匣碰摩后存在一定的沖擊效應(yīng)，葉片與基體碰摩的碰摩力是葉片與涂層碰摩力的2 倍以上[11，13]。拉伸試驗(yàn)中3 kN 的拉力即可使葉片前緣產(chǎn)生軸向向前10 mm左右的位移，考慮葉片與機(jī)匣基體碰摩會(huì)產(chǎn)生至少2 倍的沖擊效應(yīng)，轉(zhuǎn)靜子葉片的熱態(tài)間隙則會(huì)不足，進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)靜子葉片軸向碰摩。因此，將碰摩力設(shè)置為3 kN。同時(shí)，根據(jù)轉(zhuǎn)子葉片損傷數(shù)量和葉片轉(zhuǎn)速，碰摩時(shí)間設(shè)置為2 ms，結(jié)合葉尖尾緣損傷痕跡，判定葉片發(fā)生了多次碰摩，設(shè)置碰摩載荷譜如圖11 所示，在碰摩模擬分析時(shí)考慮了預(yù)應(yīng)力和幾何非線性的影響。

圖11 碰摩載荷譜

3.2 碰摩模擬響應(yīng)分析

通過(guò)碰摩模擬瞬態(tài)分析，得到了葉尖尾緣受到3 kN碰摩力的沖擊作用下葉尖前緣的軸向變形情況，如圖12 所示。從圖中可見(jiàn)，在葉尖尾緣與機(jī)匣不斷碰摩的過(guò)程中，葉型往復(fù)展開(kāi)，在沖擊載荷作用下，葉尖前緣軸向向前產(chǎn)生較大變形，最大變形量達(dá)到20.2 mm，超出了靜止?fàn)顟B(tài)下轉(zhuǎn)子葉片與上游靜子葉片的軸向熱態(tài)間隙，轉(zhuǎn)子葉片葉尖前緣與上游靜子葉片尾緣發(fā)生軸向碰摩。

圖12 碰摩力為3 kN時(shí)葉片前緣位移隨時(shí)間的變化曲線

3.3 轉(zhuǎn)靜子葉片碰摩行為分析

綜合上述分析，得到了試驗(yàn)件系統(tǒng)在進(jìn)入喘振后，轉(zhuǎn)子葉片受到喘振載荷沖擊時(shí)的碰摩行為：

（1）在喘振載荷振蕩沖擊作用下，葉片尾緣向后產(chǎn)生較大變形；同時(shí)由于風(fēng)扇功耗降低，轉(zhuǎn)速快速升高并超出之前的磨合試車(chē)轉(zhuǎn)速，使轉(zhuǎn)子葉尖尾緣軸向向后變形；軸向力反向使尾緣進(jìn)一步后移而超出機(jī)匣涂層覆蓋區(qū)域；

（2）由于風(fēng)扇機(jī)匣為收斂通道，葉尖尾緣軸向位置的變化使葉尖徑向間隙進(jìn)一步減小，使轉(zhuǎn)子葉尖尾緣與機(jī)匣基體反復(fù)碰撞，在產(chǎn)生的沖擊載荷作用下，轉(zhuǎn)子葉片產(chǎn)生向前的變形，與上游靜子葉片發(fā)生軸向碰摩故障。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)模擬分析得出碰摩故障發(fā)生的原因?yàn)椋喝~片在喘振沖擊影響下先與機(jī)匣基體碰摩，反復(fù)振蕩后與上游靜子葉片碰摩。

為避免航空發(fā)動(dòng)機(jī)在喘振后葉片發(fā)生碰摩，在進(jìn)行風(fēng)扇葉片工程設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在如下方向進(jìn)行改進(jìn)：

（1）對(duì)于氣動(dòng)負(fù)荷較大的轉(zhuǎn)子葉片，其上方的機(jī)匣流道傾角不應(yīng)過(guò)大，避免因流道變化劇烈?guī)?lái)的徑向間隙大幅減小。

（2）合理設(shè)置耐磨涂層的長(zhǎng)度，避免因喘振等因素造成葉尖與機(jī)匣基體碰摩。

（3）喘振時(shí)產(chǎn)生的沖擊能量較大，對(duì)整個(gè)試驗(yàn)件系統(tǒng)都會(huì)產(chǎn)生明顯影響，應(yīng)及時(shí)退喘，并減小支點(diǎn)軸向力，避免軸承輕載反向。