渦輪3維葉尖間隙對(duì)典型故障特征的響應(yīng)特性分析

滕 飛，張小棟,2，謝思瑩

（1.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院；2.現(xiàn)代設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室：西安710049）

渦輪3維葉尖間隙對(duì)典型故障特征的響應(yīng)特性分析

滕 飛1，張小棟1,2，謝思瑩1

（1.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院；2.現(xiàn)代設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室：西安710049）

為了有效地克服傳統(tǒng)葉尖間隙在航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉盤的健康監(jiān)測(cè)中傳遞信息能力有限的不足，充分考慮了在航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中渦輪葉片葉尖的3維特征，提出包含徑向間隙、葉片葉尖端面軸向偏轉(zhuǎn)角和周向偏轉(zhuǎn)角在內(nèi)的渦輪3維葉尖間隙的概念，并將3維葉尖間隙特征參量作為葉片故障信號(hào)載體，通過有限元方法分析了3維葉尖間隙特征參量對(duì)高壓渦輪葉片典型裂紋故障的響應(yīng)特性。結(jié)果表明：3維葉尖間隙特征參量對(duì)高壓渦輪葉片尾緣裂紋的故障特征信息有良好的反映效果。

高壓渦輪；3維葉尖間隙；故障信息；航空發(fā)動(dòng)機(jī)

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉尖間隙是指渦輪葉片葉尖與發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣之間的空間距離[1]。渦輪葉尖間隙對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)具有重要的意義，較小的葉尖間隙可以減少高溫高速燃?xì)庠诮?jīng)過渦輪時(shí)葉尖的泄露損失、提高渦輪的工作效率、降低油耗、延長(zhǎng)渦輪的使用壽命、降低噪聲和減少有害氣體的排放等。研究數(shù)據(jù)顯示，渦輪葉尖間隙減小0.25 mm，渦輪的效率將會(huì)提升1%[2]。但渦輪葉尖間隙又不能過小，因?yàn)檫^小的葉尖間隙在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)改變時(shí)容易導(dǎo)致高速旋轉(zhuǎn)的渦輪葉片與機(jī)匣發(fā)生碰撞和摩擦，引起故障[3]。由此可見，渦輪葉尖間隙對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益具有重要作用，從而引起國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都對(duì)其進(jìn)行了研究。概括起來(lái)，該方向的研究主要包括2個(gè)方面：（1）建立簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型估算葉尖間隙值和研究其變化規(guī)律；（2）設(shè)計(jì)傳感器和控制系統(tǒng)檢測(cè)和控制葉尖間隙值的大小。比如，德克薩斯大學(xué)和NASA研究員Javier A.Kypuros和 Kevin J.Melcher以及 A.Harish等建立了葉尖間隙的簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，對(duì)葉尖間隙值進(jìn)行了估算[4]；漆文凱、豈興明、王志豪等對(duì)葉尖間隙進(jìn)行了數(shù)值分析[5-7]；賈丙輝、張小棟等對(duì)轉(zhuǎn)子對(duì)高壓渦輪葉尖間隙變化規(guī)律的影響進(jìn)行了研究。與此同時(shí)，NASA研究員Mark R.Woike和AliAbdul-Aziz以及日本國(guó)家航天實(shí)驗(yàn)室的研究員Takeshi Tagashira、Nanahisa Sugiyama等人設(shè)計(jì)了傳感器、控制方法檢測(cè)、控制葉尖間隙值[8-12]；楊家禮、侯育軍、曾軍等對(duì)葉尖間隙控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究[13-15]。

傳統(tǒng)的葉尖間隙指的是渦輪葉片葉尖到機(jī)匣內(nèi)表面的徑向距離，實(shí)際上是將葉片葉尖簡(jiǎn)化為1個(gè)點(diǎn)，關(guān)注的是這個(gè)點(diǎn)到機(jī)匣內(nèi)表面的距離，忽略了葉片葉尖端面作為1個(gè)空間平面所具有的3維特性。而事實(shí)上，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，渦輪葉片在各種載荷和故障的作用下，其在空間中的3維形態(tài)會(huì)發(fā)生一定的改變，比如葉片的彎曲和扭轉(zhuǎn)。而此時(shí)，不僅葉片葉尖端面與機(jī)匣內(nèi)表面的徑向距離會(huì)發(fā)生改變，而且本身在空間中相對(duì)于機(jī)匣或渦輪轉(zhuǎn)軸等位置，以及相對(duì)固定部件的位置和姿態(tài)等也都會(huì)發(fā)生變化。在載荷和故障的作用下，葉片葉尖端面這種空間位置和姿態(tài)的改變包含了渦輪本身的運(yùn)行信息和故障信息，傳統(tǒng)的渦輪葉尖間隙忽略了這些十分有用的特征，而且葉尖徑向間隙值只是1個(gè)1維的數(shù)值量，傳遞信息的能力十分有限，甚至無(wú)法反映渦輪的某些運(yùn)行狀態(tài)和故障特征信息。因此，本文在傳統(tǒng)的1維葉尖間隙的基礎(chǔ)上，提出3維葉尖間隙的概念，引入3維葉尖間隙特征參量來(lái)描述3維葉尖間隙，并將其作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪運(yùn)行狀態(tài)信息和故障特征信息的載體，以工作環(huán)境最為惡劣的高壓渦輪及其葉片為對(duì)象，研究3維葉尖間隙特征參量對(duì)于典型渦輪葉片故障特征的響應(yīng)特性。

1 渦輪3維葉尖間隙的定義和描述

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理是依靠燃燒室出來(lái)的高溫燃?xì)怛?qū)動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪帶動(dòng)壓氣機(jī)和風(fēng)扇進(jìn)一步的工作，而高溫燃?xì)饨?jīng)過渦輪膨脹加速后噴出產(chǎn)生的反作用力推動(dòng)飛機(jī)飛行。其中高壓渦輪要承受高溫燃?xì)獾臎_刷以及自身的高速旋轉(zhuǎn)，在載荷的作用下，高壓渦輪葉片會(huì)發(fā)生彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，葉片葉尖端面在空間的位置和姿態(tài)也會(huì)發(fā)生改變。根據(jù)葉片的形態(tài)特征，定義3維葉尖間隙如圖1所示。

傳統(tǒng)的葉尖間隙僅有1個(gè)描述參量即葉尖與機(jī)匣內(nèi)表面的徑向距離。此處除葉尖徑向間隙外，引入葉片葉尖端面軸向偏轉(zhuǎn)角和周向偏轉(zhuǎn)角組成3維特征參量來(lái)定義和描述3維葉尖間隙。其中（1）葉尖徑向間隙（h）：葉片葉尖表面到機(jī)匣的徑向距離；（2）軸向偏轉(zhuǎn)角（α）：葉尖端面與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸軸向的夾角；（3）周向偏轉(zhuǎn)角（β）：葉尖端面與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)周向的夾角。葉尖徑向間隙、軸向偏轉(zhuǎn)角和周向偏轉(zhuǎn)角被稱為3維葉尖間隙的特征參量。對(duì)于3維葉尖間隙特征參量中的葉尖徑向間隙，本文僅考慮由葉片應(yīng)變?cè)趶较蛏纤鸬母淖兞俊?/p>

2 3維葉尖間隙的主要影響因素

航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪由高溫燃?xì)怛?qū)動(dòng)而高速旋轉(zhuǎn)，在工作中主要承受高溫高速燃?xì)獾臎_刷所帶來(lái)的熱應(yīng)力、氣動(dòng)載荷以及自身旋轉(zhuǎn)所帶來(lái)的離心力。若渦輪葉片發(fā)生故障，故障特征也會(huì)影響葉片葉尖端面的空間形態(tài)。因此，3維葉尖間隙的主要影響因素有離心載荷、氣動(dòng)載荷、溫度載荷和故障特征。

（1）離心載荷

在燃燒室出來(lái)的高速燃?xì)獾臎_刷驅(qū)動(dòng)下，現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓渦輪工作轉(zhuǎn)速基本都在10000 r/min以上，而軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)則更高。這種高轉(zhuǎn)速所帶來(lái)的離心力將對(duì)渦輪和葉片產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，使其發(fā)生徑向上的伸長(zhǎng)，同時(shí)由于葉片幾何結(jié)構(gòu)的特殊性，離心力還將導(dǎo)致葉片發(fā)生輕微的彎曲和偏轉(zhuǎn)。因此，離心力對(duì)于3維葉尖間隙的3個(gè)特征參量均有影響。

（2）溫度載荷

渦輪葉片受到高溫燃?xì)獾臎_刷，葉片與燃?xì)膺M(jìn)行熱交換，葉片表面溫度取決于與葉片接觸的燃?xì)鈱?，故葉片表面溫度分布由氣熱耦合的結(jié)果決定。現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪前燃?xì)鉁囟然驹?300～2000 k的范圍內(nèi)。在高溫高速氣流的沖刷下，渦輪葉片表面在不同區(qū)域有不同的溫度分布，造成熱應(yīng)力不均勻，對(duì)于3維葉尖間隙特征參量均有影響。

（3）氣動(dòng)載荷

在高速氣流的沖刷下，高壓渦輪葉片表面將承受最大值為幾十個(gè)大氣壓的壓力載荷。氣流經(jīng)過渦輪其物理狀態(tài)發(fā)生改變，使得葉片表面不同區(qū)域有不同的壓力分布，加之葉片3維形狀的特殊性，使得氣動(dòng)載荷對(duì)3維葉尖間隙的特征參量都有不同程度的影響。

（4）故障特征

高壓渦輪葉片工作環(huán)境十分惡劣，需要承受高溫高壓和高轉(zhuǎn)速，再加上材料瑕疵和制造工藝缺陷等因素，所以易發(fā)生故障。葉片尾緣是葉片最薄的部分，也是機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相對(duì)較弱的部分，容易出現(xiàn)疲勞裂紋，在尾緣上的裂紋是渦輪葉片的典型故障。尾緣裂紋主要包含2個(gè)特征信息，即裂紋的位置和深度，將對(duì)渦輪葉片典型的尾緣上的裂紋故障對(duì)葉尖間隙3維特征參量的影響進(jìn)行探究。

3 3維葉尖間隙特征參量的分析方法

3.1 3維葉尖間隙分析模型

高壓渦輪工作燃?xì)鉁囟纫话阍?000℃以上，其工作轉(zhuǎn)速也非常快，對(duì)工作環(huán)境難以進(jìn)行試驗(yàn)還原，加之航空發(fā)動(dòng)機(jī)本身造價(jià)高昂，一般很難具有進(jìn)行試驗(yàn)研究的條件。高壓渦輪和葉片的載荷由高溫燃?xì)獾臎_刷和自身的高速旋轉(zhuǎn)所帶來(lái)，對(duì)于傳統(tǒng)的葉尖徑向間隙值，可以通過建立簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行估算。而3維葉尖間隙中軸向偏轉(zhuǎn)角和周向偏轉(zhuǎn)角涉及到葉片具體的應(yīng)力應(yīng)變，葉片本身形狀復(fù)雜，加之載荷的求解涉及到氣熱耦合以及流-熱-固的多物理場(chǎng)耦合，難以進(jìn)行理論上的推導(dǎo)求解。因此，采用ANSYS Workbench15.0和Fluent15.0進(jìn)行有限元分析的方法來(lái)模擬和加載渦輪、葉片的載荷并進(jìn)行求解，有限元分析模型分別如圖2、圖3所示

高壓渦輪葉盤3維建模所參考的整體葉盤實(shí)物如圖2（a）所示，所建立的渦輪葉盤3維模型如圖2（b）所示。其中，渦輪半徑為670 mm、葉片弦長(zhǎng)為45 mm、安裝角50°、葉片高度為75 mm。由于渦輪葉盤本身為循環(huán)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，取1個(gè)葉片所在的扇區(qū)（如圖2（c）所示）進(jìn)行循環(huán)對(duì)稱分析。高溫燃?xì)獾?維模型如圖3（a）所示，燃?xì)饬黧w的3維有限元網(wǎng)格模型如圖3（b）所示，從圖中可見，模擬高溫燃?xì)馑捎玫氖抢硐霘怏w模型，并對(duì)其比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)作了隨溫度變化的線性化處理，其黏度采用Sutherland方程計(jì)算，湍流模擬采用k-ε兩方程模型。

高溫燃?xì)饬黧w分析的主要過程如圖4所示。首先進(jìn)行高溫燃?xì)獾牧黧w分析，得到渦輪葉片和高溫燃?xì)饨佑|面的壓力分布和溫度分布，然后將溫度分布導(dǎo)入溫度場(chǎng)分析，得到葉片和渦輪的溫度分布，再將渦輪和葉片的溫度分布以及葉片與高溫高速燃?xì)饨佑|面的壓力分布導(dǎo)入到結(jié)構(gòu)分析中進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，得到葉片在各載荷的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果。將典型的故障特征填加到有限元分析模型中，通過上述分析過程就可得到典型故障下，渦輪葉片的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果。

3.2 3維葉尖間隙特征參量的數(shù)值模型

有限元分析得到的只是渦輪葉片的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果，還需要建立葉片應(yīng)力應(yīng)變與3維葉尖間隙特征參量之間的數(shù)值關(guān)系。Ansys結(jié)構(gòu)分析中，在渦輪葉片葉尖端面適當(dāng)?shù)奈恢媒?個(gè)坐標(biāo)原點(diǎn)呈直角三角形排布的參考坐標(biāo)系A(chǔ)、B、C，將ANSYS Mechanical中探測(cè)變形量的探針設(shè)置在各坐標(biāo)系原點(diǎn)，如圖5所示。

在參考坐標(biāo)系A(chǔ)中假設(shè)坐標(biāo)系A(chǔ)、B、C的原點(diǎn)坐標(biāo)分別為：

AA（0，0，0）；BA（bx，by，0）；CA（cx，cy，0）（1）

變形探針在A、B、C處所測(cè)得的變形向量分別為：

其中：q為葉尖徑向間隙的預(yù)留值。通過以上的數(shù)值模型，在得到渦輪葉片應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果后，就能得到3維葉尖間隙特征參量值。

4 特征參量對(duì)典型故障特征的響應(yīng)特性

4.1 典型故障的特征信息

高壓渦輪葉片在高溫高壓高轉(zhuǎn)速的作用下容易出現(xiàn)故障，較為典型的就是葉片尾緣上的裂紋故障，由于尾緣部分是葉片最薄的部分，其機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相對(duì)較低，所以容易出現(xiàn)疲勞裂紋。

高壓渦輪葉片尾緣裂紋故障主要包含2個(gè)特征信息：（1）裂紋的位置信息，（2）裂紋的深度信息。故障特征信息的填加如圖6所示。

其中，裂紋位置信息：在葉片尾緣上距離葉根5 mm處取第1個(gè)裂紋，然后在尾緣上每隔5 mm再各取1個(gè)裂紋位置，共13個(gè)位置，每個(gè)裂紋的深度均為5 mm；裂紋深度信息：在葉片尾緣上距離葉根20 mm處取裂紋深度1～13 mm，每隔2 mm各取1個(gè)裂紋深度，共7個(gè)深度值。本文主要探究3維特征參量對(duì)裂紋的位置和深度的響應(yīng)特性，在葉片葉尖端面靠近前緣和尾緣處各取1組測(cè)點(diǎn)如圖7所示。

4.2 3維葉尖間隙特征參量對(duì)典型故障特征信息的響應(yīng)特性

4.2 .1 3維葉尖間隙對(duì)葉片尾緣裂紋位置的響應(yīng)特性

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的某個(gè)運(yùn)行狀態(tài)下，高壓渦輪葉片在主要載荷的影響下發(fā)生變形，3維葉尖間隙特征參量發(fā)生變化。當(dāng)葉片存在典型的尾緣裂紋故障時(shí)，裂紋會(huì)影響葉片的變形，進(jìn)而影響葉片葉尖端面在空間的位置和姿態(tài)導(dǎo)致3維葉尖間隙特征參量發(fā)生變化。當(dāng)葉片尾緣裂紋處于尾緣上不同的位置時(shí)，3維葉尖間隙特征參量對(duì)葉片尾緣裂紋位置變化信息的響應(yīng)特性如圖8所示。

從圖8（a）中可見，當(dāng)葉片尾緣裂紋與葉根的距離線性增加時(shí)，3維葉尖間隙特征參量軸向偏轉(zhuǎn)角呈震蕩形式變化；從圖8（c）中可見，葉片徑向間隙變化值隨著裂紋遠(yuǎn)離葉根近似線性減小，但減小幅度并不明顯；從圖8（b）中可見，而周向偏轉(zhuǎn)角無(wú)論在葉片端面前緣還是尾緣處都明顯減小，前后緣處有相似的變化特性，由此可見3維葉尖間隙較單一的徑向間隙能傳遞更多信息。

4.2 .2 3維葉尖間隙對(duì)葉片尾緣裂紋深度的響應(yīng)特性

當(dāng)葉片尾緣裂紋深度發(fā)生變化時(shí)，會(huì)影響葉片的工作形態(tài)，3維葉尖間隙特征參量也會(huì)發(fā)生變化，其對(duì)裂紋深度的響應(yīng)特性如圖9所示。

從圖9（a）中可見，隨著裂紋深度的線性增加，3維葉尖間隙特征參量中軸向偏轉(zhuǎn)角以類似線性的特性逐漸增大，葉尖端面尾緣處的值明顯大于前緣處；從圖9（b）中可見，周向偏轉(zhuǎn)角和葉尖徑向間隙變化值均以近似二次曲線的特性增加；在葉片葉尖端面前緣和尾緣處，3維葉尖間隙特征參量對(duì)裂紋深度的響應(yīng)特性相似。從圖9（c）中可見，在葉片尾緣處，葉尖徑向間隙變化值明顯小于前緣處的值，但其具有更明顯的響應(yīng)特性。

5 結(jié)論

以上分析結(jié)果表明，在載荷和故障特征的共同作用下，航空發(fā)動(dòng)機(jī)3維葉尖間隙特征參量在葉片葉尖端面前緣和尾緣處具有相似的變化特性。其中，尾緣處的軸向偏轉(zhuǎn)角大于前緣處，而前緣處的徑向間隙變化值大于尾緣處，而周向偏轉(zhuǎn)角在葉片端面的前緣和尾緣處的差距不大。航空發(fā)動(dòng)機(jī)3維葉尖間隙對(duì)于典型的高壓渦輪葉片尾緣裂紋故障的位置和深度特征信息具有較好的響應(yīng)特性，能夠承載和反映葉片尾緣的裂紋故障信息，可用于渦輪葉片運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的信息載體，總體上葉片葉尖端面尾緣處較之前緣處對(duì)葉片尾緣裂紋故障信息具有更明顯的響應(yīng)特性。相比于傳統(tǒng)的1維徑向葉尖間隙，3維葉尖間隙對(duì)于裂紋位置信息的響應(yīng)更加明顯，并且對(duì)于尾緣裂紋故障來(lái)說，3維葉尖間隙能夠反映和傳遞更多的故障信息。

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Response Characteristics Analysis of Three-dimensional Blade Tip Clearance to Typical Fault Information

TENG Fei1,ZHANG Xiao-dong1,2,XIE Si-ying1
（1.School of Mechanical Engineering;2.Key Laboratory of Education Ministry for Modern Design and Rotor-Bearing System,Xi'an Jiaotong University,Xi'an 710049,China）

In order to solve the problem that the ability of traditional turbine blade tip clearance to transmit information is limited during the health monitoring of aeroengine,3-D features of turbine blade tip were fully used during the operation of aeroengine,and threedimensional blade tip clearance of turbine was proposed,which includes one-dimensional blade tip radial clearance,axial deflection angle and circumferential deflection angle of blade tip.Three-dimensional blade tip clearance was used as the fault information carrier of blades and the response characteristics of its characteristic parameters to a typical crack fault of high pressure turbine blade were analyzed by finite element analysis method.The results show that characteristic parameters of three-dimensional blade tip clearance can better reflect the fault feature information of a crack on the turbine blade trailing edge.

high pressure turbine;three-dimensional blade tip clearance;fault information;aeroengine

V214.4+2

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2017.04.016

2016-11-18 基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51575436）資助

滕飛（1990），男，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)3維葉尖間間隙變化機(jī)理；Email：544832746@qq.com。

滕飛，張小棟,謝思瑩.渦輪3維葉尖間隙對(duì)典型故障特征的響應(yīng)特性分析[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2017，43（4）：90-95.TENG Fei，ZHANG Xiaodong,XIE Si-ying.Responsecharacteristicsanalysisofthree-dimensionalbladetipclearancetotypicalfaultinformation[J].Aeroengine，2017，43（4）：90-95.

（編輯：張寶玲）