高轉(zhuǎn)速大負(fù)荷多級(jí)軸流壓氣機(jī)試驗(yàn)排故分析與驗(yàn)證

任飛，徐峰，張亞，劉志剛，向宏輝，蘇廷銘，夏聯(lián)

(中國燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703)

高轉(zhuǎn)速大負(fù)荷多級(jí)軸流壓氣機(jī)試驗(yàn)排故分析與驗(yàn)證

任飛，徐峰，張亞，劉志剛，向宏輝，蘇廷銘，夏聯(lián)

(中國燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703)

小型高速大負(fù)荷多級(jí)軸流式壓氣機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)用了多種先進(jìn)技術(shù)，在其進(jìn)行總性能參數(shù)錄取前的機(jī)械運(yùn)行試驗(yàn)中，試驗(yàn)件第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片尖部出現(xiàn)多處裂紋。分別對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析研究，得出葉片裂紋主要是由于葉片受激勵(lì)后發(fā)生共振致使葉片出現(xiàn)高周疲勞所致。根據(jù)故障原因，對(duì)該型壓氣機(jī)試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化試驗(yàn)件的總性能參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)錄取。結(jié)果表明，優(yōu)化后的壓氣機(jī)試驗(yàn)件運(yùn)行狀態(tài)良好，且各項(xiàng)總性能指標(biāo)表現(xiàn)優(yōu)異，優(yōu)化措施可行有效。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)；高速軸流壓氣機(jī)；葉片裂紋；排故；試驗(yàn)驗(yàn)證；共振頻率；高周疲勞

1 引言

小型渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)不但可作為靶機(jī)、小型無人機(jī)、巡航導(dǎo)彈等航空器的動(dòng)力裝置，而且通過改型還可成為非航動(dòng)力裝置，在船舶、戰(zhàn)車、發(fā)電等行業(yè)發(fā)揮作用。目前，小型渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)研制面臨的技術(shù)難題，主要有新型高效高增壓比壓氣機(jī)設(shè)計(jì)、高效燃燒室火焰穩(wěn)定技術(shù)、高溫高效渦輪設(shè)計(jì)、超高速轉(zhuǎn)子研制以及新材料、整體加工技術(shù)等[1-3]。為滿足小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用需求，國內(nèi)外均對(duì)小流量、高轉(zhuǎn)速小型壓氣機(jī)設(shè)計(jì)做了大量研究，并通過試驗(yàn)手段對(duì)其進(jìn)行了性能測(cè)試和結(jié)構(gòu)驗(yàn)證。本文以一臺(tái)新型多級(jí)軸流式壓氣機(jī)作為研究平臺(tái)，在其進(jìn)行總性能參數(shù)錄取前的機(jī)械運(yùn)行試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)件第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片尖部出現(xiàn)多處裂紋。通過相關(guān)故障分析，對(duì)壓氣機(jī)氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化后的試驗(yàn)件總性能參數(shù)進(jìn)行了錄取。

2 試驗(yàn)件及試驗(yàn)方案

該新型多級(jí)軸流壓氣機(jī)試驗(yàn)件主要由進(jìn)氣機(jī)匣組件、靜子組件、轉(zhuǎn)子組件、排氣機(jī)匣組件及輔助支撐組件組成。壓氣機(jī)靜子組件機(jī)匣共四級(jí)，均為整環(huán)結(jié)構(gòu)。第一～第三級(jí)靜子整流器為分段扇形塊結(jié)構(gòu)，采用T型結(jié)構(gòu)與機(jī)匣連接；第四級(jí)靜子整流器為整環(huán)形式，直接與后測(cè)量機(jī)匣相連。轉(zhuǎn)子組件由四級(jí)整體葉盤、篦齒盤及后軸頸組成。其中傳動(dòng)軸組件為三支點(diǎn)結(jié)構(gòu)，為優(yōu)化試驗(yàn)運(yùn)行過程中試驗(yàn)件軸向力的傳遞路徑，將其中支點(diǎn)作為主承力支點(diǎn)。

試驗(yàn)在某單多級(jí)壓氣機(jī)試驗(yàn)器上完成。該試驗(yàn)器為敞開節(jié)流式壓氣機(jī)試驗(yàn)器，承擔(dān)過多個(gè)型號(hào)的壓氣機(jī)試驗(yàn)任務(wù)，運(yùn)行狀態(tài)良好。試驗(yàn)過程中，該試驗(yàn)器由一臺(tái)3 200 kW的同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，變頻無級(jí)調(diào)速，并通過設(shè)備傳動(dòng)軸系進(jìn)行兩級(jí)增速，最高運(yùn)行轉(zhuǎn)速45 000 r/min；流量范圍0.5～40.0 kg/s。

數(shù)據(jù)測(cè)試系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、DSA電子掃描測(cè)壓儀、VXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、溫度參考接點(diǎn)箱、正負(fù)壓浮球壓力校準(zhǔn)裝置、尼高力系統(tǒng)、打印機(jī)等組成，在計(jì)算機(jī)控制下可自動(dòng)完成數(shù)據(jù)采集、校準(zhǔn)、實(shí)時(shí)處理，以及屏幕顯示、制表、作圖、打印和磁盤存儲(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)等功能。

進(jìn)口總溫、總壓通過安裝在進(jìn)口穩(wěn)壓箱內(nèi)的4支鉑電阻和4支總壓探針測(cè)量，出口總溫、總壓通過出口測(cè)量截面上的5支總溫、總壓復(fù)合探針測(cè)量。同時(shí)，在出口測(cè)量截面布置脈動(dòng)總壓、脈動(dòng)靜壓測(cè)點(diǎn)，以監(jiān)視試驗(yàn)件內(nèi)部的氣動(dòng)狀態(tài)，防止其進(jìn)入深度喘振，并在試驗(yàn)件前支點(diǎn)和中支點(diǎn)截面處安裝振動(dòng)傳感器(垂直、水平各一處)。

3 試驗(yàn)故障分析與處理

壓氣機(jī)性能錄取試驗(yàn)前，試驗(yàn)件先進(jìn)行了全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的機(jī)械運(yùn)行試驗(yàn)，以考核試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的運(yùn)行情況。在機(jī)械運(yùn)行試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)件運(yùn)行至某一工作轉(zhuǎn)速時(shí)，試驗(yàn)件前支點(diǎn)(水平、垂直兩測(cè)點(diǎn))出現(xiàn)5.6倍頻、6.6倍頻、7.6倍頻等頻率振動(dòng)，同時(shí)頻率成分出現(xiàn)不穩(wěn)定波動(dòng)現(xiàn)象，試驗(yàn)停止。圖1為該轉(zhuǎn)速下試驗(yàn)件前支點(diǎn)振動(dòng)FFT圖譜，圖2為該轉(zhuǎn)速下試驗(yàn)件前支點(diǎn)振動(dòng)瀑布圖。從瀑布圖中可以看出，振動(dòng)的主要能量為基頻和各個(gè)間隔頻率。針對(duì)振動(dòng)頻譜中各特征頻率進(jìn)行分析后，初步判定是試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子系統(tǒng)出現(xiàn)了轉(zhuǎn)動(dòng)平衡失穩(wěn)[4]。對(duì)試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)件進(jìn)行全面檢查，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)件第一級(jí)整體葉盤多個(gè)葉片出現(xiàn)裂紋，裂紋長度約10 mm(圖3)。

圖1 試驗(yàn)件前支點(diǎn)振動(dòng)FFT圖譜Fig.1 Vibration FFT plot of the front fulcrum

圖2 前支點(diǎn)振動(dòng)瀑布圖Fig.2 Vibration waterfall plot of the front fulcrum

圖3 葉片尖部裂紋照片F(xiàn)ig.3 The crack on the blade tip

分解檢查試驗(yàn)件，針對(duì)試驗(yàn)件第一級(jí)葉盤葉片裂紋進(jìn)行失效分析，發(fā)現(xiàn)葉片開裂源區(qū)無加工缺陷，無夾雜等冶金缺陷，未見明顯腐蝕特征。同時(shí)，從葉片裂紋的位置和特征看，疲勞裂紋從葉片尖部起源，其產(chǎn)生與葉片所受的離心力負(fù)荷關(guān)系不大，應(yīng)與葉片所受的氣動(dòng)力和激振有關(guān)。另外，根據(jù)葉片裂紋的擴(kuò)展速率可知，疲勞裂紋正處于穩(wěn)定擴(kuò)展期，且擴(kuò)展區(qū)經(jīng)歷循環(huán)周次較少。同時(shí)，結(jié)合斷口形貌特征推斷，葉片可能是進(jìn)入高氣動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)后產(chǎn)生的疲勞裂紋，屬于高周疲勞裂紋。

根據(jù)葉片破裂情況并結(jié)合試驗(yàn)件設(shè)計(jì)的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，判斷造成葉片破裂的原因主要是：葉片數(shù)與進(jìn)氣機(jī)匣支板數(shù)存在整數(shù)倍關(guān)系(進(jìn)氣支板數(shù)4，葉盤葉片數(shù)16)，從而導(dǎo)致來流激振頻率與該級(jí)轉(zhuǎn)子的通過頻率耦合；該級(jí)整體葉盤在氣動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，葉尖的氣動(dòng)負(fù)荷過高；試驗(yàn)件傳動(dòng)組件前支點(diǎn)傳遞的振動(dòng)能量較大；該級(jí)整體葉盤的低階臨界頻率與來流激振頻率在試驗(yàn)件工作轉(zhuǎn)速耦合。圖4為葉盤的共振轉(zhuǎn)速圖，可見4倍激勵(lì)頻率會(huì)在試驗(yàn)件工作轉(zhuǎn)速區(qū)誘發(fā)一級(jí)葉盤的一階共振。

圖4 葉盤共振轉(zhuǎn)速圖Fig.4 The resonance speed plot of the blade disk

針對(duì)上述故障原因，對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。試驗(yàn)件進(jìn)口支板由4個(gè)減少為3個(gè)；重新設(shè)計(jì)第一級(jí)葉盤，降低其葉尖氣動(dòng)負(fù)荷；在試驗(yàn)件前支點(diǎn)處增加鼠籠結(jié)構(gòu)(圖5)，并對(duì)擠壓油膜間隙進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其在試驗(yàn)件臨界轉(zhuǎn)速區(qū)和高周疲勞狀態(tài)下滿足運(yùn)行要求，優(yōu)化試驗(yàn)件傳動(dòng)組件的工作狀態(tài)[5]。試驗(yàn)件完成結(jié)構(gòu)優(yōu)化、加工后，重新進(jìn)行了機(jī)械運(yùn)行考核試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)件除在臨界轉(zhuǎn)速區(qū)振動(dòng)能量略大外，其余轉(zhuǎn)速區(qū)運(yùn)行良好，并未出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，機(jī)械運(yùn)行考核通過。圖6為優(yōu)化壓氣機(jī)試驗(yàn)件臨界轉(zhuǎn)速區(qū)前支點(diǎn)振動(dòng)FFT圖，可見試驗(yàn)件基頻較小，二倍頻略大，其余均為高頻成分振動(dòng)能量，可忽略不計(jì)。

4 總性能參數(shù)錄取

該試驗(yàn)件完成機(jī)械運(yùn)行試驗(yàn)后，對(duì)其進(jìn)行總性能參數(shù)錄取。本文選取一臺(tái)相同流量等級(jí)壓氣機(jī)(下文簡稱參考?jí)簹鈾C(jī))的總性能數(shù)據(jù)與其對(duì)比，參考?jí)簹鈾C(jī)試驗(yàn)件的設(shè)計(jì)參數(shù)與優(yōu)化壓氣機(jī)試驗(yàn)件的設(shè)計(jì)指標(biāo)基本一致。同時(shí)，對(duì)比數(shù)據(jù)選自于兩臺(tái)壓氣機(jī)最具有代表性的高轉(zhuǎn)速區(qū)。

圖5 鼠籠結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Sketch of squirrel type structure

圖6 優(yōu)化壓氣機(jī)試驗(yàn)件臨界轉(zhuǎn)速區(qū)前支點(diǎn)振動(dòng)FFT圖Fig.6 Vibration FFT plot of the front fulcrum of the optimized structure in the critical speed range

圖7、圖8分別為該試驗(yàn)件的壓比-流量、效率-流量特性曲線。由圖7可看出，優(yōu)化壓氣機(jī)的特性曲線較參考?jí)簹鈾C(jī)平滑規(guī)整，且在相對(duì)換算轉(zhuǎn)速1.0時(shí)，優(yōu)化壓氣機(jī)的流量較參考?jí)簹鈾C(jī)高出約10%，說明優(yōu)化壓氣機(jī)在工作狀態(tài)下內(nèi)部流場(chǎng)的流通狀態(tài)較好。同時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，優(yōu)化壓氣機(jī)在高轉(zhuǎn)速區(qū)的穩(wěn)定裕度較參考?jí)簹鈾C(jī)高出約5%。由圖8可知，優(yōu)化壓氣機(jī)的效率明顯比參考?jí)簹鈾C(jī)高，約提高3.5個(gè)百分點(diǎn)，為發(fā)動(dòng)機(jī)在巡航條件下降低油耗獲得更長時(shí)間續(xù)航提供了有力保障。同時(shí)，經(jīng)過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)指標(biāo)的綜合評(píng)估，優(yōu)化壓氣機(jī)的性能已達(dá)到并部分優(yōu)于原設(shè)計(jì)要求。

圖7 壓比-流量特性曲線Fig.7 The characteristic curve of pressure ratio and flow rate

圖8 效率-流量特性曲線Fig.8 The characteristic curve of efficiency and flow rate

5 結(jié)論

在該型壓氣機(jī)進(jìn)行總性能參數(shù)錄取前的機(jī)械運(yùn)行試驗(yàn)中，其試驗(yàn)件第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片尖部出現(xiàn)多處裂紋故障，經(jīng)過細(xì)致分析準(zhǔn)確判斷出故障主要是由于葉片受激勵(lì)后發(fā)生共振致使葉片出現(xiàn)高周疲勞所致。根據(jù)故障原因，對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化：試驗(yàn)件進(jìn)口支板由4個(gè)減少為3個(gè)，重新設(shè)計(jì)第一級(jí)葉盤，在試驗(yàn)件前支點(diǎn)處增加鼠籠結(jié)構(gòu)，并對(duì)擠壓油膜間隙進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)優(yōu)化后的壓氣機(jī)試驗(yàn)件進(jìn)行總性能參數(shù)錄取試驗(yàn)，其總性能參數(shù)優(yōu)異，符合設(shè)計(jì)要求，且該轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運(yùn)行可靠、平穩(wěn)，表明該故障分析方法和改進(jìn)設(shè)計(jì)可行、有效。此次排故進(jìn)一步探索了葉片裂紋故障分析方法，豐富了高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，為今后高速無人機(jī)用動(dòng)力研制儲(chǔ)備了設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和寶貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

[1]田寶林.世界無人機(jī)和巡航導(dǎo)彈用發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展概況[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2003，29(4)：51—54.

[2]崔之華.小燃?xì)廨啓C(jī)——燃?xì)廨啓C(jī)的一個(gè)特殊領(lǐng)域[J].國際航空，1986，(3)：34.

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Experimental troubleshooting analysis and verification study of a multi-stage axial-flow compressor with high speed and load

REN Fei，XUN Feng，ZHANG Ya，LIU Zhi-gang，XIANG Hong-hui，SU Ting-ming，XIA Lian
(China Gas Turbine Establishment，Jiangyou 621703，China)

Multiform advanced technologies were applied to the design of a multi-stage axial flow compressor,overall performance experiment was carried out for verification,and several cracks were found at the first stage rotor blade tip.The phenomena and structure intensity were analyzed and explored in the troubleshooting phase.Finally it was concluded that the crack was mainly caused by high cycle fatigue due to the blade resonant vibration.After then this compressor structure design was optimized to record overall performance parameters.It can be seen from the test results that after structure optimization the running state of the compressor is good and all index show its performance is excellent,proving that the optimization is feasible and effective.

aero-engine；high speed axial-flow compressor；blade crack；troubleshooting；experiment verification；resonant frequency；high cycle fatigue

V263.6

A

1672-2620(2016)06-0030-04

2015-08-12；

2015-11-25

任飛(1986-)，男，滿族，遼寧本溪人，工程師，主要從事壓氣機(jī)試驗(yàn)技術(shù)研究。