基于遙測技術(shù)的發(fā)動機渦輪轉(zhuǎn)子葉片動應(yīng)力測量

李仙麗，羅乘川，安奕忱，王曉君

(中國燃氣渦輪研究院，四川江油621703)

基于遙測技術(shù)的發(fā)動機渦輪轉(zhuǎn)子葉片動應(yīng)力測量

李仙麗，羅乘川，安奕忱，王曉君

(中國燃氣渦輪研究院，四川江油621703)

根據(jù)某型發(fā)動機渦輪葉片動應(yīng)力測量試驗要求，提出了一種基于遙測技術(shù)的高溫動應(yīng)力測量系統(tǒng)方案，并重點介紹了測量系統(tǒng)組成、工作原理及系統(tǒng)標(biāo)定。利用該測量系統(tǒng)，成功獲取了發(fā)動機渦輪葉片動應(yīng)力數(shù)據(jù)。整個試驗過程中，遙測系統(tǒng)工作正常，表現(xiàn)出良好的冷卻效果、電源穩(wěn)定性和信號頻率跟隨性。試驗結(jié)果表明，該型發(fā)動機在特定轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)存在窄頻帶共振，振幅水平較高，具有明顯的破壞性，結(jié)果可信。

航空發(fā)動機；渦輪轉(zhuǎn)子葉片；動應(yīng)力測量；遙測技術(shù)；高溫應(yīng)變；動態(tài)標(biāo)定

1 引言

航空發(fā)動機由于葉片造型復(fù)雜和工作條件惡劣，使得其在研制、生產(chǎn)和使用中，葉片裂斷故障最為突出。而發(fā)動機實際工作狀態(tài)下，由于渦輪工作葉片與盤的連接剛性，及離心力、溫度和氣體力等的影響，致使葉片在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的動頻(自振頻率)與非旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的靜頻有所不同[1-3]。因此，為驗證設(shè)計分析和模型計算結(jié)果及獲取故障分析數(shù)據(jù)，必須對發(fā)動機轉(zhuǎn)子葉片動應(yīng)力進行測量。

在葉片動應(yīng)力測量方面，國外早在上世紀80年代中期就已積累了豐富的經(jīng)驗，試驗技術(shù)和測試儀器都比較成熟。并于90年代將遙測技術(shù)引入發(fā)動機試驗中，在部分小型發(fā)動機上進行了系統(tǒng)集成，目前已實現(xiàn)了遙測系統(tǒng)的微型化、部件化，用于發(fā)動機動應(yīng)力、溫度和壓力測量[4-5]。國內(nèi)在發(fā)動機部件試驗和整機臺架試車中，壓氣機葉片動應(yīng)力仍普遍采用應(yīng)變片-引電器-采集系統(tǒng)的方式進行測量[6-7]；但對于渦輪轉(zhuǎn)子葉片，由于其溫度高、轉(zhuǎn)速高，且引電器方案需對發(fā)動機改動較大、冷卻系統(tǒng)復(fù)雜等，試驗時并未進行動應(yīng)力測量，這無疑增加了試驗風(fēng)險，同時也缺乏相關(guān)故障數(shù)據(jù)積累，不利于故障分析與設(shè)計改進。鑒于此，本文提出一種單點遙測高溫動應(yīng)力測量系統(tǒng)方案，并在國內(nèi)首次成功應(yīng)用到航空發(fā)動機渦輪轉(zhuǎn)子葉片動應(yīng)力測量中，為發(fā)動機渦輪盤的設(shè)計改進提供依據(jù)。

2 測試要求

測試指標(biāo)為：渦輪葉片工作溫度800℃，發(fā)動機最大穩(wěn)態(tài)物理轉(zhuǎn)速40 000 r/min，頻率14 kHz(三階)，最大可測微應(yīng)變1 000 με。

采用貼應(yīng)變片的方法進行渦輪葉片動應(yīng)力測量，貼片位置在渦輪轉(zhuǎn)子葉片根部。

3 測量系統(tǒng)

3.1 測量系統(tǒng)原理

單點遙測高溫動應(yīng)力測量系統(tǒng)，由高溫應(yīng)變計、應(yīng)變計引線、單點遙測發(fā)射機、單點遙測接收機和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，其原理如圖1所示。高溫應(yīng)變計信號經(jīng)發(fā)射機中信號調(diào)理器處理后，由FM調(diào)制后從發(fā)射天線輸出，接收機將接收到的調(diào)頻信號解調(diào)后輸出到動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行采集。其中，應(yīng)變計采用工作溫度不低于1 100℃的高溫應(yīng)變計，應(yīng)變計引線采用工作溫度不低于1 100℃的鎧裝高溫電纜。

圖1 測量系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Schematic diagram of measurement system

3.2 單點遙測系統(tǒng)

測量系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部件是單點遙測系統(tǒng)，其原理如圖2所示。單點遙測系統(tǒng)主要分為發(fā)射機、接收機和天線三部分，具有體積小、結(jié)構(gòu)和連接簡單、測試性能穩(wěn)定可靠等特點。

圖2 單點遙測系統(tǒng)組成框圖Fig.2 Single-channel telemetry system composition diagram

3.2.1 遙測發(fā)射機

遙測系統(tǒng)發(fā)射機安裝在發(fā)動機渦輪盤軸端軸心位置，供電系統(tǒng)作為電源。其體積小巧，直徑22 mm，包括供電系統(tǒng)總長70 mm。其主要原理是使用放大器，對應(yīng)變片上采集的信號進行放大，然后通過載波發(fā)生器將相關(guān)載波信息發(fā)送給外部接收機。

3.2.2 遙測接收機

遙測接收機安裝在旋轉(zhuǎn)部件外部，其主要功能是利用載波放大器接收發(fā)生器發(fā)送的載波信息，并經(jīng)鑒頻獲取應(yīng)變片試驗中需要獲取的相關(guān)參數(shù)，然后輸出給后端數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。

3.2.3 遙測天線設(shè)計

遙測天線裝置作為遙測系統(tǒng)的重要組成部分，起信號接收傳遞功能。其結(jié)構(gòu)包含天線水冷保護套、天線和鎧裝熱電偶，如圖3所示。由于遙測信號發(fā)生模塊位于發(fā)動機軸向中心位置，天線裝置接收信號后需穿過900℃的高溫燃氣，為保證天線正常工作，設(shè)計了一個水冷套對其進行保護。為便于試驗時測試觀察冷卻效果，還增加了溫度測點。

圖3 天線結(jié)構(gòu)Fig.3 Design structure of antenna

3.2.4 供電系統(tǒng)設(shè)計

由于測試系統(tǒng)安裝位置有限，本設(shè)計采用以紐扣電池為核心的供電系統(tǒng)。經(jīng)試驗室驗證，單個紐扣電池的供電時間有限，不足以完成一次試驗，因此需重新設(shè)計供電系統(tǒng)。

單點遙測系統(tǒng)采用工業(yè)級鋰電池BR1632供電，其容量為120 mA，厚度為35 mm。為增大電池容量，延長遙測系統(tǒng)工作時間，供電系統(tǒng)采用7塊BR1632并聯(lián)，并設(shè)計了供電控制裝置(采用單片機來實現(xiàn))，其工作原理如圖4所示。電池一旦接通，控制裝置開始工作，定時時刻到來時，單片機引腳輸出高電平，穩(wěn)壓電源模塊輸出1.5 V電壓，遙測系統(tǒng)開始正常工作。電能供應(yīng)可保證持續(xù)工作5天以上。

圖4 供電系統(tǒng)原理框圖Fig.4 Schematic diagram of power system

3.3 系統(tǒng)冷卻

由于遙測系統(tǒng)的工作溫度需控制在80℃以內(nèi)，才能保證該結(jié)構(gòu)內(nèi)的電池和發(fā)射器正常工作，而該型發(fā)動機的軸承腔內(nèi)溫度最高達350℃。為此，引入臺架冷氣，使軸承腔內(nèi)溫度降至約100℃；主要再采用后軸承腔滑油噴嘴對遙測系統(tǒng)進行噴射滑油的方式，實現(xiàn)遙測系統(tǒng)的二次冷卻，將工作溫度控制在80℃以內(nèi)。另外，在供電系統(tǒng)處利用擋板來減少從軸端傳來的熱量，實現(xiàn)供電系統(tǒng)保護。

3.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

采用OROS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集發(fā)動機渦輪葉片動應(yīng)力測量數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)針對聲音和振動測試研發(fā)，具備強大的數(shù)據(jù)采集、記錄和分析功能；自帶NVGate采集軟件，能方便進行實時信號處理和數(shù)據(jù)顯示。

采樣率選擇51.2 kHz，系統(tǒng)帶寬20.0 kHz，分析帶寬20.0 kHz。采用FFT算法進行數(shù)據(jù)處理，F(xiàn)FT點數(shù)為6 401線。

通過該系統(tǒng)，試驗時可實時觀測各轉(zhuǎn)速的應(yīng)變量、不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子各階次有無共振，以及共振引起的應(yīng)變量大小。

試驗后期，通過NVGate分析得出渦輪葉片振動應(yīng)變瀑布圖，可清晰直觀地確定發(fā)動機轉(zhuǎn)子基頻各階次激起的渦輪葉片共振頻率及大小，判明葉片在發(fā)動機運行轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)有無有害共振。

4 系統(tǒng)標(biāo)定

動態(tài)應(yīng)變標(biāo)定常用方法為靜態(tài)電阻模擬法，即通過靜態(tài)電阻變化產(chǎn)生的應(yīng)變量等效為動態(tài)應(yīng)變變化量。由于該套遙測系統(tǒng)的發(fā)射機，對應(yīng)變輸入信號采用交流耦合方式輸入，因此不能輸入靜態(tài)模擬電阻。為此，設(shè)計了圖5所示的動應(yīng)變模擬裝置來進行動應(yīng)變的標(biāo)定[8]。

圖5 動應(yīng)變模擬裝置原理圖Fig.5 Schematic diagram of dynamic strain simulator

遙測系統(tǒng)收發(fā)裝置的主要原理如圖6所示，遙測系統(tǒng)發(fā)射機部分實現(xiàn)了測量和無線發(fā)射功能。測量端通過1.5 mA恒流源激勵，負載對象為Rload，代表動應(yīng)變模擬裝置。參照動應(yīng)變范圍設(shè)計調(diào)整RA、RB阻值，通過電子開關(guān)進行調(diào)制，形成以RA阻值、RA并聯(lián)RB阻值構(gòu)成的周期性電阻切換，通過遙測系統(tǒng)發(fā)射機對其提供恒流激勵，得到負載電阻Rload上的周期性電壓方波信號，再由發(fā)射機調(diào)制轉(zhuǎn)換為頻率信號并疊加載波發(fā)射，以實現(xiàn)遙測系統(tǒng)動應(yīng)變標(biāo)定。

圖6 遙測系統(tǒng)收發(fā)裝置Fig.6 Telemetry system transceiver

由于此方式產(chǎn)生的模擬應(yīng)變電阻量為方波形式，因此在采集系統(tǒng)中需將方波信號中的基頻成分提取出來，換算成等效正弦量值。

5 試驗及結(jié)果分析

在發(fā)動機臺架上進行全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的葉片動頻動應(yīng)力測量，得到葉片的工作動應(yīng)力水平，判斷其是否滿足強度規(guī)范的要求[9]。

試驗中，起動發(fā)動機至慢車后，2 min升速至最大推力狀態(tài)轉(zhuǎn)速；降速時，在共振區(qū)略作停留，隨后停車。試驗過程重復(fù)一次。圖7為某次試驗升速過程中的FFT圖譜?？梢姡逯?45.8 με，頻率13 625 Hz，轉(zhuǎn)速34 200 r/min，可判斷此時出現(xiàn)了葉片三階共振。

圖7 試驗過程中的FFT圖譜Fig.7 FFT Spectrum of experiment process

圖8為試驗的渦輪葉片動應(yīng)變瀑布圖?？梢姡l(fā)動機轉(zhuǎn)子24階頻率激起的渦輪盤葉片二階、三階頻率振動較為明顯。

圖8 第二次試驗渦輪葉片振動應(yīng)變瀑布圖Fig.8 Waterfall of strain distribution of turbine blades in the second test

從圖譜數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)可以得出：在試驗的兩次起動升速中，過共振區(qū)的轉(zhuǎn)速區(qū)域和振動幅值基本一致。升速時在轉(zhuǎn)速33 900 r/min和35 000 r/min時出較大共振區(qū)域，降速時在35 300～33 800 r/min時出現(xiàn)較大共振區(qū)域，共振由發(fā)動機轉(zhuǎn)子24階頻率激起的渦輪盤葉片三階頻率振動產(chǎn)生，動應(yīng)變幅值最大約為800 με。

6 結(jié)束語

整個試驗過程中，冷卻效果較好、電源工作穩(wěn)定、信號頻率跟隨性好、遙測系統(tǒng)工作正常。隨后，又對該型發(fā)動機進行了不同頻率、不同貼片位置的多次動應(yīng)變測量，測試現(xiàn)象和結(jié)論均與此次試驗的一致。從試驗結(jié)果看，該型發(fā)動機在特定轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)存在窄頻帶共振，振幅水平較高，具有明顯的破壞性。經(jīng)行業(yè)專家深入分析后認為，試驗結(jié)果可信，該型發(fā)動機渦輪盤葉片存在高周循環(huán)疲勞裂紋。單點遙測系統(tǒng)在渦輪轉(zhuǎn)子葉片動應(yīng)力測量中的成功應(yīng)用，為該型發(fā)動機渦輪盤的設(shè)計改進提供了依據(jù)。

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[2]吳大觀.發(fā)動機葉片動應(yīng)力測量[J].航空科學(xué)技術(shù)，1996，(3)：3—5.

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Measuring Technology on Dynamic Stress of Turbine Rotor Blades Using Telemetry

LI Xian-li，LUO Cheng-chuan，AN Yi-chen，WANG Xiao-jun
(China Gas Tubine Establishment，Jiangyou 621703，China)

To meet the aero-engine test requirements,a measurement system of dynamic stress of turbine rotor blades using telemetry in high temperature environment was introduced.System composition,princi?ple of operation and system calibration were presented.The blade dynamic stress data were obtained suc?cessfully by test,in the course of which,the telemetry system worked well with good cooling effect,stable power output and perfect ability of frequency track.The test results show that the engine has a narrow reso?nant frequency band and high level amplitude in a certain range of rotation speed,which is obvious damag?ing to the engine structure.The test results is believable.

aero-engine；turbine rotor blade；dynamic stress measurement；telemetry system；high temperature strain；dynamic calibration

V216.2

：A

：1672-2620(2014)06-0053-04

2014-04-15；

：2014-11-27

李仙麗(1984-)，女，陜西咸陽人，工程師，碩士，主要從事航空發(fā)動機特種測試技術(shù)研究及相關(guān)電子產(chǎn)品開發(fā)。