氣膜阻尼技術的試驗設計

鄒云開

摘要：本文針對氣膜阻尼技術在航空發動機上的應用，開展模擬平板的振動試驗研究，為氣膜阻尼的應用提供技術支撐。設計了平板試件，提出了平板尺寸確定方法，確定了平板試件的結構參數；建立了風扇葉片模擬平板試件的振動測試方法，根據氣膜平板振動特性提出了試驗儀器選擇標準；分析試驗中不確定因素的影響，為振動試驗的進行提供技術支持。

關鍵詞：平板振動；氣膜阻尼；振動抑制；理論模型

航空發動機振動是發動機故障的常見原因，振動故障占總故障的60%以上，葉片振動故障占總振動故障70%以上。為此，須進行葉片減振設計。減振研究中，主要通過增加葉片阻尼達到減振效果。氣膜阻尼技術優點是結構簡單，易于加工，適用于多階振型。因此氣膜阻尼技術在燃氣渦輪發動機上具有廣泛的應用前景。

1 試件的設計

首先確定試驗用到的平板。帶氣膜阻尼系統的平板制作步驟為：制作一定尺寸的平板；選定氣膜安裝位置，其上銑出凹臺；制作薄板，滿足：尺寸與凹臺相等、厚度比凹臺小，凹臺深度與薄板厚度之差等于氣膜厚度。將薄板粘接到凹臺上，留出氣隙。

2 平板試件的具體設計

平板試件設計包括平板參數、氣膜尺寸和夾持端尺寸的確定等內容。

2.1 平板參數的確定

根據對照原則，平板整體尺寸和材料相同，區別是有無氣膜及覆蓋板，平板材料與尺寸的選擇應模擬真實發動機葉片，具體地，測葉片前后緣從頂端到底部的距離，取平均作長度；測葉片頂端和底部的弦長，取平均作寬度；測葉片頂端和底部的最大厚度處的厚度，取平均作厚度。

2.2 氣膜參數的確定

氣膜參數需參照試驗目的，振動試驗的氣膜參數確定方法如下：氣膜阻尼有效性試驗，選理論研究和數值模擬中減振效果最大的氣膜尺寸及安裝位置。氣膜參數對減振效果影響的試驗，應針對要研究的氣膜參數設計氣膜平板。

3 激振器的選擇

3.1 振動臺

電動振動臺：電動振動臺頻率可達2Hz20kHz，可實現自動或手動控制。由于氣膜阻尼減振特性在高階、多階模態上較明顯，氣膜阻尼平板振動試驗一般在較寬頻域內進行。下表為模態分析得到的實心平板固有頻率。

3.2 數據采集系統的選擇

試驗使用的數據采集系統包括數據采集器和配套程序。工作步驟為：通過傳感器將振動的位移、速度、加速度等轉化為電信號；對傳感器電信號進行采樣；采樣數據傳計算機上；計算機輸出試驗數據。數據采集系統的要求主要是通道數，針對試驗中的傳感器，數據采集系統需有至少等于傳感器數量的通道數。

3.3 夾具的選擇

夾具需根據振動臺與試件特性進行設計，方法為：確定夾具組合方式，即部件間連接方式，分三種：螺紋組合、整體鑄造和焊接組合。考慮到螺栓預緊力，優先考慮整體鑄造或焊接組合。其次根據組合方式選擇材料。進行夾具結構設計，夾具一階頻率大于試件的35倍。忽略螺栓作用，分析得到夾具一階頻率4475.6Hz，遠大于平板5倍。說明夾具設計合理。

4 試驗中不確定因素對試驗結果的影響

簡諧運動的形式有三種：平動、轉動和復合運動。三種運動對激發平板模態有很大影響。模擬得到平板應變幅頻曲線如圖所示：

激發所有模態。只有轉動和平動疊加的激勵才能激發平板所有振型。在實際試驗中，為激發所有振型，應使振動臺產生平動轉動疊加的簡諧運動激勵。

5 結論

本文設計了振動試驗，設計了試驗的三種平板試件，即實心平板、帶氣膜阻尼平板和無薄板平板，提出了平板尺寸確定方法，根據氣膜平板振動特性提出了試驗儀器選擇標準。隨后確定試驗流程，包括試驗準備、裝置安裝、進行試驗和數據處理。同時分析了振動臺激振方向對試驗的影響，以期減少誤差。

參考文獻：

[1]T.Lewis，D.I.G.Jones，et al，Partial coverage air film damping of cantilever plates[J].Journal of Sound and Vibration，1997， 208（5）：869875.