發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的固有頻率測(cè)試分析

董妍 范秀杰

摘 ? 要：葉片具有造型復(fù)雜、承受較高負(fù)荷和溫度的特點(diǎn)，是引起航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行故障的主要器件，在發(fā)動(dòng)機(jī)朝向高性能、長(zhǎng)壽命發(fā)展的過(guò)程中，葉片使用的安全性和可靠性問(wèn)題引起了人們的進(jìn)一步關(guān)注。中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的固有頻率測(cè)試技術(shù)和先進(jìn)的有限元計(jì)算方法，并以固有頻率變化率和損傷位置作為基本參數(shù)，一套航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片結(jié)構(gòu)完整性評(píng)定方法，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果達(dá)到了令人滿(mǎn)意的狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī) ?葉片 ?固有頻率 ?測(cè)試 ?有限元計(jì)算方法 ?完整性評(píng)定

中圖分類(lèi)號(hào)：TP274 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2020）02（c）-0067-02

葉片是整個(gè)葉輪機(jī)中的重要組件，在運(yùn)作的時(shí)候一般會(huì)受到較高離心負(fù)荷、氣動(dòng)負(fù)荷、振動(dòng)變交負(fù)荷的影響，由此出現(xiàn)故障，以中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司 研發(fā)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)為例，在調(diào)查研究之后發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)迫振動(dòng)頻率和葉片固有頻率相同時(shí)就會(huì)因?yàn)楣舱竦陌l(fā)生而破壞葉片。為此，文章借助先進(jìn)的技術(shù)形式和技術(shù)手段就發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的固有頻率測(cè)試問(wèn)題進(jìn)行探究。

1 ?發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的固有頻率測(cè)試

1.1 測(cè)試依據(jù)

在發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的固有頻率測(cè)試工作中應(yīng)用了YZP-2型葉片疲勞試驗(yàn)自動(dòng)控制儀，整個(gè)設(shè)備在使用的時(shí)候具備頻率跟蹤、數(shù)據(jù)報(bào)警定位、恒幅控制等功能作用，借助葉片固有的頻率來(lái)作為主要振動(dòng)信號(hào)，由電渦流傳感器來(lái)拾取振動(dòng)產(chǎn)生的電信號(hào)，將識(shí)取的電信號(hào)來(lái)作為整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)源。壓氣機(jī)的振蕩頻率由葉片固有頻率決定，通過(guò)對(duì)固有頻率的調(diào)節(jié)能夠提升整個(gè)激振系統(tǒng)的穩(wěn)定性[1]。

1.2 測(cè)試系統(tǒng)

葉片的固有頻率測(cè)試系統(tǒng)基本上由四個(gè)部分共同組成。第一，夾具系統(tǒng)。夾具系統(tǒng)主要是用來(lái)夾持葉片，因而整個(gè)系統(tǒng)本身要具備足夠 剛性。第二，激振系統(tǒng)。激振系統(tǒng)包含功率放大器、直流勵(lì)磁線(xiàn)圈、電容箱等。在激振系統(tǒng)的作用下能夠促使葉片在交變電磁力的作用下產(chǎn)生振動(dòng)。第三，控制系統(tǒng)。整個(gè)葉片的固有頻率測(cè)試系統(tǒng)的控制系統(tǒng)包含恒福控制儀器、功率放大器、電容箱、振動(dòng)位移測(cè)量?jī)x等，在控制系統(tǒng)的作用下能夠確保葉片在恒幅條件下完成共振。第四，測(cè)量系統(tǒng)。測(cè)量系統(tǒng)主要由頻率計(jì)、示波器、讀數(shù)顯微鏡、閉路電視等共同組成，在測(cè)量系統(tǒng)的作用下能夠控制葉尖的振動(dòng)幅度[2]。

2 ?發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的損傷模式

2.1 疲勞斷裂失效

疲勞性的斷裂失效是中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片中常見(jiàn)的一種失效模式，在出現(xiàn)這種情況之后會(huì)對(duì)整個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)不利影響。從發(fā)展實(shí)際情況來(lái)看，轉(zhuǎn)子葉片疲勞斷裂失效 主要原因是離心力疊加彎曲應(yīng)力作用過(guò)大，而這種現(xiàn)象的出現(xiàn)深受振動(dòng)環(huán)境、振轉(zhuǎn)共振、彎曲振動(dòng)強(qiáng)度的影響。

2.2 外物損傷失效

在飛機(jī)處于起飛狀態(tài)、降落、低空飛行時(shí)候時(shí)候受飛機(jī)進(jìn)氣流吸引力的影響，沙塵、石塊、飛鳥(niǎo)、金屬碎片、冰塊等物質(zhì)很容易被吸入發(fā)動(dòng)機(jī)氣流通道內(nèi)部，影響發(fā)動(dòng)機(jī)前端風(fēng)扇、壓氣機(jī)葉片部件的運(yùn)作，由此對(duì)壓氣機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生了十分不利的影響，嚴(yán)重的情況下還會(huì)使得飛機(jī)葉片出現(xiàn)斷裂失效，出現(xiàn)比較嚴(yán)重的飛行事故[3]。

2.3 腐蝕失效

在制造發(fā)動(dòng)機(jī)葉片 的過(guò)程中雖然采取了一系列表面防腐蝕措施，但是在使用一年之后，葉片表面的防腐蝕涂層會(huì)日漸稀少，最終都被腐蝕。被腐蝕的發(fā)動(dòng)機(jī)，在工作的時(shí)候，氣流中的腐蝕介質(zhì)會(huì)高速?zèng)_刷葉片表面，對(duì)整個(gè)葉片造成更深入的腐蝕性損傷，在停止?fàn)顟B(tài)的時(shí)候腐蝕性大氣環(huán)境也會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片造成新的損傷。

3 ?發(fā)動(dòng)機(jī)葉片固有頻率的有限元計(jì)算

ADINA84是當(dāng)前世界上有名的有限元分析程序，被人們廣泛的應(yīng)用到結(jié)構(gòu)靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的分析中。有限元分析的計(jì)算模型如下所示：第一， 單元類(lèi)型。對(duì)壓氣機(jī)葉片一共擁有三個(gè)單元類(lèi)型可以被人們選擇，具體包含梁?jiǎn)卧Ⅲw單元和殼單元。在具體應(yīng)用的時(shí)候，梁?jiǎn)卧谱鞅容^粗糙、精準(zhǔn)度水平不達(dá)標(biāo);體單元對(duì)網(wǎng)絡(luò)粗細(xì)有著較高的要求[4]。同時(shí)，各個(gè)單元在三個(gè)方向上的尺寸比例不能過(guò)大，因?yàn)檩^大的比例往往需要較長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間和計(jì)算成本。在綜合考慮多種因素之后文章選擇了8節(jié)點(diǎn)40個(gè)自由度的超參數(shù)殼元，在考慮橫向剪切效應(yīng)的情況下能夠有效模擬出復(fù)雜葉片的形狀和模式。第二，計(jì)算模型。葉片被劃分為56個(gè)基本單元和199個(gè)節(jié)點(diǎn)。第三，邊界條件。取葉片根部作為固定支持端。經(jīng)過(guò)計(jì)算分析之后發(fā)現(xiàn)，二級(jí)葉片一階段固有頻率在225～253Hz之間。

4 ?發(fā)動(dòng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)完整性的表述和綜合評(píng)定方法

4.1 合理選擇評(píng)定參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)葉片容易出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)性損傷檢測(cè)包含四種，一種是判斷結(jié)構(gòu)內(nèi)部是否會(huì)出現(xiàn)損傷。第二種是判斷結(jié)構(gòu)損傷是否真實(shí)發(fā)生，如果發(fā)生需要獲得損傷的具體位置。第三種是確定損傷位置之后來(lái)判定出損傷的程度。第四種在以上判定基礎(chǔ)上評(píng)估損傷對(duì)整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響[5]。

結(jié)構(gòu)損傷的第一表現(xiàn)是裂紋的出現(xiàn)和擴(kuò)展，伴隨損傷的嚴(yán)重還會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)作 安全性和穩(wěn)定性。振動(dòng)診斷是現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用一種先進(jìn)診斷技術(shù)，在這一技術(shù)的作用下能夠精準(zhǔn)的分析損傷部位。在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)實(shí)施振動(dòng)診斷的時(shí)候需要了解固有頻率、模態(tài)、頻響函數(shù)、振型特點(diǎn)等信息。

4.2 葉片結(jié)構(gòu)完整性表述方法

發(fā)動(dòng)機(jī)葉片完整的結(jié)構(gòu)必須保證在設(shè)計(jì)壽命或者規(guī)定檢修周?chē)鷥?nèi)的任意時(shí)刻，結(jié)構(gòu)實(shí)際應(yīng)力要小于結(jié)構(gòu)的實(shí)際抗力，且在結(jié)構(gòu)的外物損傷、腐蝕、裂紋等損傷出現(xiàn)之后，發(fā)動(dòng)機(jī)葉片能夠滿(mǎn)足規(guī)定功能要求的基本能力。

在損傷形式所引起的損傷超過(guò)疲勞缺口系數(shù)kf=3的缺口所引起的損傷時(shí)，葉片結(jié)構(gòu)的完整性也會(huì)被破壞。定義當(dāng)前狀態(tài)下結(jié)構(gòu)完整性SI為0，葉片在沒(méi)有出現(xiàn)損傷時(shí)，定義結(jié)構(gòu)完整性SI為1。為了能夠更好的測(cè)量、描述發(fā)動(dòng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)的完整性，在測(cè)量的時(shí)候會(huì)引入損傷度的概念，將葉片出現(xiàn)損傷后損傷位置疲勞缺口系數(shù)定義為Kf，損傷度定義為D=（Kf-1）/2。由此證明發(fā)動(dòng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)完整性和損傷度具備如下關(guān)系：SI=1-D。伴隨損傷在葉片上相對(duì)位置的變化，各個(gè)階段固有頻率的變化趨勢(shì)也會(huì)呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。

4.3 葉片結(jié)構(gòu)完整性的評(píng)定

第一，在評(píng)定之前需要確定葉片的大小，之后按照無(wú)損檢測(cè)方法要求確定損傷的類(lèi)型、形狀、位置和尺寸等信息，了解損傷部位沒(méi)有損傷時(shí)的應(yīng)力變化。第二，需要全面了解葉片材料的基本性能參數(shù)信息，具體包含應(yīng)力集中敏感度、彈性、密度以及缺陷參數(shù)。第三，確定葉片的損傷度和葉片結(jié)構(gòu)完整性。

5 ?結(jié)語(yǔ)

將測(cè)試結(jié)果和計(jì)算結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合比較分析發(fā)現(xiàn)測(cè)試數(shù)值和計(jì)算數(shù)值處于一種吻合的狀態(tài)，只有四個(gè)葉片固有頻率測(cè)試的計(jì)算數(shù)值較低，而出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是在對(duì)葉片固有頻率測(cè)試的時(shí)候，先應(yīng)用的是表現(xiàn)質(zhì)量較好的，后面四個(gè)葉片 質(zhì)量出現(xiàn)了缺陷，最終導(dǎo)致固有頻率測(cè)試數(shù)值降低。但是總體上的葉片測(cè)試 結(jié)果和計(jì)算結(jié)果保持在了一致的狀態(tài)，由此證明葉片固有頻率測(cè)試計(jì)算方法和分析方法正確，為日后航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的設(shè)計(jì)和壽命延伸提供了重要理論支持。

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