某型渦軸發動機壓氣機離心葉輪葉片多種振動特性試驗方法對比研究

劉振臣 欒 想 唐 旭 銀越千 王 濤

（1.中國航發湖南動力機械研究所，株洲 412002；2.中國航發湖南動力機械研究所 中小型航空發動機葉輪機械湖南省重點實驗室，株洲 412002；3.上海交通大學 機械與動力工程學院，上海 200240）

離心葉輪作為離心壓氣機中的關鍵零件，在工作過程中會承受旋轉產生的離心力、氣動力以及熱載荷等。復雜且惡劣的工作環境可能會使離心葉輪發生疲勞破壞。據統計，航空發動機故障引起的飛機事故多是由于發動機振動過大導致[1-2]，其中葉片振動故障占主要原因[3-4]。因此，想要對離心壓氣機振動有一個深刻的認識，需要對葉片振動特性進行深入研究。

力錘作為激振手段普遍應用于葉片振動特性試驗[5-6]。它具備操作方便和試驗流程簡單等特點，但往往需要根據關注的葉片頻率范圍選擇相應的力錘錘頭質量和錘頭硬度，且對葉片高階振動的激振效果較差。郭雪蓮[7]采用隨機聲場作為激振力，通過處理試驗數據能夠識別由葉片主導振動的模態參數。美國航天航空局NASA Langley 研究中心研制的壓電纖維復合材料MFC[8]，通過將壓電纖維片與金屬薄片粘貼結合的方式帶動金屬片發生彎曲和扭轉等形變，可用于振動控制和形狀控制。它利用更強的縱向常數d33獲得更高的機電耦合，具有良好的平面驅動力[9]。黃丹丹[10]在寬弦風扇葉片上以多點布置MFC 的試驗方法，指出應將MFC 布置于葉片各階模態下纖維極化方向應變較大的位置，得出了不同位置MFC 的激振和各階模態響應有較大差異的結論。曾丹[11]以單獨切下的離心葉輪葉片為試驗件研究了其振動特性，得到了與仿真結果擬吻合度較高的試驗數據。

1 試驗方法

本文以某型渦軸發動機壓氣機離心葉輪上的大葉片（如圖1 所示）為試驗對象，通過橡膠片消除其他葉片對試驗葉片振動的影響。采用3 種不同的試驗系統研究葉片振動的固有頻率和振型，并與仿真計算數據進行對比。

圖1 離心葉輪試驗件

1.1 試驗系統

1.1.1 MFC 試驗系統

MFC 激振的相關振動試驗在上海交通大學民用航空發動機測試驗證中心的振動實驗室完成，使用的設備包括M2814-P1 型MFC 激振器、AFG31000 任意波函數信號發生器、PA05039 恒電壓功率放大器以及PSV-500-H 多點掃描激光測振儀。含有MFC 的激振器粘貼于平放在振動臺上的葉片離心葉輪。信號發生器通過恒電壓功率放大器提供MFC 激振器的開環控制的電壓信號，從而激起葉片振動。多點激光測振儀逐一掃描粘貼于葉片表面的反光紙上劃分的網格點的振動速度，得到各模態參數和振型，如圖2 所示。試驗系統如圖3 所示。

圖2 葉片壓力面網格點布置

圖3 MFC 試驗系統簡圖

1.1.2 力錘法模態測試試驗系統

該試驗系統設備包括PCB086E80 模態力錘、PCB352C68加速度傳感器（質量為2g）以及LMS Test.Lab 模態分析儀。用裝有力傳感器的力錘依次敲擊葉片上事先布置好的網格點，用力傳感器拾取激勵力的信號，用安裝在葉片的某測點上的加速度傳感器拾取響應信號，從而將力及響應信號輸入信號采集分析系統，得到相應的傳遞函數并識別出試驗件的模態參數。試驗系統如圖4 所示。

1.1.3 靜頻測試試驗系統

該試驗系統設備包括B&K4958聲傳感器和DEWETRON動態信號分析儀。將葉輪自由放置在海綿上用小鋼棒施加人為激勵（脈沖激振）葉片，然后利用聲傳感器采集其振動響應輸出信號，通過DEWE 動態信號分析儀進行傅里葉頻譜分析獲得葉片的頻譜圖，從而得到其靜態固有頻率。

1.2 激振位置

MFC 的激振位置與傳統的錘擊方法不同，需要根據測量的該階模態的MFC 極化方向的應變大小來確定，從而保證有足夠大的能量傳遞給葉片。貼放的位置要求接近二維平面，以更利于其粘貼固定。根據葉片前16 階模態沿豎直方向的應變分布情況，綜合考慮MFC 布置的客觀條件，將MFC 的粘貼位置定于大葉片吸力面進口前緣，如圖5 所示。

圖4 力錘試驗系統簡圖

圖5 MFC 粘貼位置

力錘激振位置根據試驗件整體結構情況，在保證力錘敲擊能夠垂直葉片表面且不出現連擊的情況下，在大葉片吸力面表面布置與圖2 類似的敲擊點網格，如圖6 和圖7所示。

圖6 力錘敲擊位置網格點

2 試驗結果分析

為了確定MFC 與反光紙、加速度傳感器對葉片固有頻率的影響，建立相應的仿真計算模型。仿真與試驗的頻率對比情況如表1 所示。

圖7 力錘敲擊試驗過程

表1 葉片頻率的仿真和試驗數據對比

根據表1 可知，葉片表面粘貼MFC 和反光紙的葉片固有頻率仿真值從第3 階開始均比相同階次理想葉片的仿真值大，偏大3%～5%。粘貼加速度傳感器的葉片固有頻率仿真值每一階均比理想葉片仿真值小，偏小15%～25%。MFC 系統葉片頻率試驗值與其對應的仿真值偏差在3%～5%浮動，但第6 階振動和第8 階振動在試驗過程中并沒有被激起。力錘系統葉片頻率的試驗值相比于粘貼加速度傳感器葉片的頻率仿真值更接近于理想葉片的仿真值，但試驗僅測到1 ～5 階和第7 階的振動。靜頻試驗系統得到的試驗結果與理想葉片的仿真偏差在2%～5%浮動，且前16 階頻率均有試驗結果。

圖8、圖9 和圖10 是MFC 試驗系統和力錘試驗系統得到的葉片振型和仿真結果的對比情況。MFC 試驗系統得到的葉片振型除了第6 階和第8 階，其余振型都得到了對應模態頻率階次的結果，表現為低階振動的振型對應情況優于高階振動的振型。力錘試驗系統僅得到葉片1 ～5 階和第7 階的振型，振型分布情況與仿真得到的振型同樣表現為低階對應情況較好。

圖8 MFC 試驗振型圖一

圖9 MFC 試驗振型圖二

圖10 力錘試驗系統振型圖

3 結語

本文通過3 種不同試驗系統對比了某型渦軸發動機壓氣機離心葉輪葉片振動特性。MFC 作為激振器可以較好地激起葉片的高階振動，但存在某幾階模態的丟失，且高階振動的振型對比理想葉片仿真得到的振型存在差異，原因可能是仿真模型和試驗件存在差異（仿真采用單獨葉片，而試驗件是整體葉輪通過橡膠片隔離振動的狀態）。當需要深入研究離心葉輪葉片振動特性時，應當使用MFC 激振并將葉片單獨從輪盤上切割下來，以得到更加真實的試驗結果。力錘系統作為類似該型渦軸發動機的離心葉輪葉片振動特性研究存在一定的局限性。由于葉片本身較小，粘貼于葉片表面的加速度傳感器對葉片本身固有頻率的影響較大，通過試驗僅能獲得前幾階振動的振型，振型對應情況尚可，但當研究對象為葉片高階振動時該方法會受到限制。靜頻測試系統測得的葉片頻率與理想葉片仿真的頻率對應情況優于其余兩種方法，且操作步驟簡便，試驗本身也不需要在葉片上增加附加質量，對試驗件的影響最小，但它的局限性在于無法得到葉片振型。當僅需要了解葉片加工質量等情況時，采用此種方法性價比和效率最高。