某發動機轉子葉片應力分布試驗研究

劉濤　范秀杰　經留洋

摘 要：針對某航空發動機高壓壓氣機第5級轉子葉片，利用敲擊法得出前三階固有頻率；通過葉片應力分布試驗，找出最大應力點位置，為葉片采取排故措施或安全監測提供重要數據。

關鍵詞：葉片；固有頻率；應力分布

1 概述

發動機故障中大部分屬于葉片振動故障，由于葉片振動引起斷裂故障的影響因素很多，目前還很難用理論的方法準確地計算或進行預測[1]。所以，對葉片振動特性的確定，必須建立在可靠的試驗基礎上。

某高壓壓氣機第5級轉子葉片選用TA19制造。該合金在國外商用發動機已得到成熟而廣泛的應用，但在國內首次作為轉動件用材料使用，對于技術標準的應用和TA19轉子葉片的制造工藝缺乏經驗積累。由于前期未開展充分的工藝研究工作，葉片在腐蝕檢查時發現鍛造過程中產生的剪切帶組織，為研究這些剪切帶是否對葉片性能產生影響，急需開展相關振動特性測試工作，為后續處理類似問題提供數據支持。

2 試驗技術要求

（1）試驗溫度為室溫；（2）試驗時葉片保持剛性固定；（3）頻率測量精度不低于1Hz。

3 葉片固有頻率測試

3.1 試驗測試系統

固有頻率測試試驗采用敲擊法[2]，測試系統示意圖如圖1所示。

3.2 葉片固有頻率測試試驗

通過錘擊法，經過傳遞函數分析完成葉片1～3階固有頻率測試。測試結果見表1。

4 葉片應力分布試驗

在一階彎曲頻率下測量葉片表面的應力分布，確定應力最大區域。

4.1 應變片粘貼

在葉片的同一截面內，應變片貼在振動應力較大的地方，即葉盆的進、排氣邊緣，葉背的中部。

應變片的方向沿著葉片長度方向粘貼，其密度程度視葉片振動應力急劇變化的程度而定，應力變化急劇時，應變片粘貼密集些，以便判斷葉片的振型及繪制應力曲線分布圖。應變片是傳遞試件的微小變形的敏感元件，因此其粘貼工作，是整個試驗中最重要環節，應變片處理的好壞直接影響測試結果。在應變片粘貼前，需要對葉片的貼片部位進行打磨，用酒精、丙酮擦拭，以保持粘貼部位的清潔。粘貼好的應變片應有一定的粘結強度，才能準確傳遞葉片的變形，還應有一定的絕緣強度，才能進行電阻的正確測量。本試驗應變片粘貼位置示意圖見圖2。

粘貼好的應變片，經固化和穩定處理后，應測量應變片電阻和絕緣，以檢查貼片過程中敏感柵和引線是否損壞，引線與葉片之間是否絕緣。

4.2 應力分布測試結果

將貼好應變片的葉片分別安裝到電磁振動臺上，調整振動臺的激振力大小，使之達到一彎共振狀態，記錄數據。應力分布試驗數據見表2，應力沿葉高分布曲線見圖3。

4.3 葉片應力-幅值標定試驗

標定試驗為隨機抽取三件葉片，在葉盆和葉背分別粘貼應變片[3]。在一彎共振頻率下，調整振動臺的激振力，讀取不同激振力下葉尖的振動幅值和應力值，利用最小二乘法進行直線擬合，經計算確定幅值與應力的對應關系。經過反復貼片對比，三件葉片的最大應力點均在葉背根部。

5 結束語

研究葉片振動，因此通常將重點放在一階彎曲振動上。從整個試驗研究過程可以得出以下結論：（1）從葉片應力分布曲線可以看

出，一階彎曲振動應力從葉根到葉尖呈從大到小的趨勢，而且葉背的應力明顯大于葉盆進、排氣邊的應力。（2）由應力-幅值標定試驗可看出，最大應力點在葉背根部。（3）整個試驗過程中，應變片工作正常，應力分布結果符合規律。

參考文獻

[1]佟剛，喬永利.航空發動機渦輪轉子葉片-盤耦合共振特性分析[J].沈陽航空工業學院學報，2010（5）：6-7.

[2]宋兆泓，李其漢.發動機強度振動測試技術[M].北京：國防工業出版社，1981.

[3]張如一，沈觀林，李朝弟.應變電測與傳感器[M].北京：清華大學出版社，1999.

作者簡介：劉濤（1979-），女，遼寧省錦州市人，工程師，就職于沈陽黎明公司技術中心，主要從事航空發動機零部件的強度分析、

振動特性及疲勞考核試驗研究等工作。