某型發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪工作葉片動(dòng)應(yīng)力測(cè)試研究

吳煒

（1.中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲 412002；2.中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪機(jī)械湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南株洲 412002）

0.引言

渦輪工作葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件，由于其造型復(fù)雜，工作條件惡劣，使得其在研制、生產(chǎn)和使用中產(chǎn)生的故障導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)故障的占比較大，其中，葉片振動(dòng)破壞較為突出[1]。為避免振動(dòng)產(chǎn)生，葉片可以使用葉冠結(jié)構(gòu)。目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)中渦輪工作葉片葉冠的常見形式主要有鋸齒冠和平行冠。鋸齒冠摩擦阻尼的減振效果較好，但鋸齒冠形狀復(fù)雜，設(shè)計(jì)、加工和裝配困難。平行冠在裝配時(shí)，葉冠與葉冠之間留有間隙。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在工作狀態(tài)時(shí)，葉冠之間會(huì)發(fā)生相互碰撞從而耗散振動(dòng)能量[2]。相對(duì)于鋸齒冠的干摩擦阻尼，平行冠的碰撞阻尼效果欠佳，且碰撞條件下葉冠側(cè)面的磨損比較嚴(yán)重。

為改進(jìn)平行冠葉片減振效果，本文以某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)平行冠低壓渦輪工作葉片為基礎(chǔ)，提出平行冠渦輪工作葉片成對(duì)過盈裝配減振技術(shù)，為摸清改進(jìn)葉片的振動(dòng)特性進(jìn)行該型發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪工作葉片動(dòng)應(yīng)力測(cè)試研究。

1.測(cè)試方案設(shè)計(jì)

1.1 測(cè)試對(duì)象和條件

（1）低壓渦輪二級(jí)轉(zhuǎn)子最高工作轉(zhuǎn)速：11320rpm。

（2）低壓渦輪二級(jí)轉(zhuǎn)子葉尖旋轉(zhuǎn)半徑：236mm，葉根旋轉(zhuǎn)半徑：158mm。

（3）低壓渦輪葉片最高工作溫度：700℃。

（4）測(cè)試對(duì)象為2種設(shè)計(jì)狀態(tài)的低壓渦輪二級(jí)工作葉片，一種為同榫槽內(nèi)的左、右葉片葉冠配合面之間為間隙裝配葉片，以下稱為現(xiàn)有使用葉片；另一種為同榫槽內(nèi)的左、右葉片葉冠配合面之間為過盈裝配葉片，以下稱為改進(jìn)設(shè)計(jì)葉片。渦輪葉片裝配示意圖如圖1所示。

圖1 渦輪葉片裝配示意圖

1.2 測(cè)點(diǎn)布局

目前，轉(zhuǎn)子葉片動(dòng)應(yīng)力測(cè)量中，普遍采用仿真分析結(jié)果作為測(cè)試方案設(shè)計(jì)的依據(jù)[3]。因此本次低壓渦輪轉(zhuǎn)子測(cè)點(diǎn)位置采用仿真分析選取，計(jì)算時(shí)主要考慮葉片各激振頻率裕度較小的模態(tài)，并兼顧低階危險(xiǎn)模態(tài)，選取時(shí)僅考慮峰值應(yīng)力位于葉身上的對(duì)應(yīng)階次，并綜合考慮應(yīng)變計(jì)能測(cè)試的有效頻率范圍，選取應(yīng)力相對(duì)較大而應(yīng)力梯度相對(duì)較為平緩（貼片敏感度一般要求不低于30%）的區(qū)域進(jìn)行貼片，經(jīng)計(jì)算葉身上評(píng)判出6個(gè)測(cè)點(diǎn)。試驗(yàn)時(shí)，2種設(shè)計(jì)狀態(tài)葉片共安排36個(gè)測(cè)點(diǎn)。36個(gè)測(cè)點(diǎn)分布在36個(gè)葉片上（6個(gè)不同部位的測(cè)點(diǎn)，相同部位重復(fù)測(cè)3次）。

1.3 應(yīng)變計(jì)安裝走線

應(yīng)變計(jì)的引線路徑示意如圖2所示，從葉片引線至渦輪盤，穿過渦輪盤上的篦齒，在篦齒根部開18個(gè)Ф2mm的引線孔，單根引線穿過引線孔，輪盤上的引線采用蒙皮點(diǎn)焊保護(hù)，引線下穿至主軸，通過低壓渦輪主軸中心孔引向遙測(cè)模塊。中心軸外壁需周向布置18個(gè)Ф2mm的引線孔，轉(zhuǎn)接段靠近拉桿布置2個(gè)引線孔，穿過引線孔后18根引線全部匯集至接線區(qū)內(nèi)，并焊接至遙測(cè)接線板上。

圖2 引線路徑示意圖

1.4 發(fā)動(dòng)機(jī)改裝

某型發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，遙測(cè)系統(tǒng)需安裝在低壓渦輪軸端，由于低壓渦輪前支點(diǎn)是通過中心油管進(jìn)行供油，2個(gè)安裝位置沖突，需要對(duì)低壓渦輪前支點(diǎn)的供油系統(tǒng)進(jìn)行改造。遙測(cè)系統(tǒng)及引線需進(jìn)行冷卻，為盡量不影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能，避免影響測(cè)試結(jié)果，考慮從車臺(tái)引氣，后支承中有一個(gè)支板沒有安裝任何的管路，正可作為引線和通氣的通道。為了留出足夠的空間，取消安裝斗管組合，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的改裝如圖4所示。

2.測(cè)試數(shù)據(jù)及分析結(jié)果

經(jīng)過2輪正式試驗(yàn)，得到每個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)，通過1.3節(jié)中計(jì)算時(shí)相對(duì)應(yīng)的共振階次和測(cè)點(diǎn)敏感度進(jìn)行反計(jì)算分析得到該點(diǎn)的振動(dòng)應(yīng)力，結(jié)果如表1所示。

表1 振動(dòng)數(shù)據(jù)分析結(jié)果

3.結(jié)語

（1）本文為驗(yàn)證改進(jìn)設(shè)計(jì)葉片的減振效果，結(jié)合該發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作狀態(tài)，設(shè)計(jì)了葉片整機(jī)動(dòng)應(yīng)力測(cè)量試驗(yàn)，經(jīng)過多輪試驗(yàn)驗(yàn)證，得到了該型發(fā)動(dòng)機(jī)低壓2級(jí)渦輪工作葉片振動(dòng)應(yīng)力水平。

（2）試驗(yàn)結(jié)果表明：改進(jìn)葉片和現(xiàn)有使用葉片在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，均主要存在明顯的1階和2階葉片共振；改進(jìn)葉片的最大振動(dòng)應(yīng)力為23.5MPa，現(xiàn)有葉片的最大振動(dòng)應(yīng)力為46MPa，改進(jìn)葉片具有一定的減振效果；總體來說，2種狀態(tài)葉片振動(dòng)應(yīng)力水平均低于許用振動(dòng)應(yīng)力，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)使用條件。