高溫動(dòng)應(yīng)力測(cè)量技術(shù)簡(jiǎn)析

■ 王樂(lè) 周軍 鞠新 / 中國(guó)航發(fā)渦輪院

為了確定渦輪葉片在工作狀態(tài)下的動(dòng)應(yīng)力水平，必須開展各極端使用狀態(tài)下航空發(fā)動(dòng)機(jī)及其零部件的動(dòng)應(yīng)力測(cè)量。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端部件（尤其是渦輪葉片根部等處）承受著高溫、高轉(zhuǎn)速、復(fù)雜氣動(dòng)激振力和較大離心載荷復(fù)合作用，容易發(fā)生斷裂故障,從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)嚴(yán)重事故。隨著低周循環(huán)疲勞基礎(chǔ)試驗(yàn)技術(shù)水平的提升,發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片主要失效模式已由傳統(tǒng)的靜強(qiáng)度失效轉(zhuǎn)為振動(dòng)疲勞失效,而為了確定渦輪葉片在工作狀態(tài)下的動(dòng)應(yīng)力水平,除數(shù)值仿真之外,還必須進(jìn)行動(dòng)應(yīng)力的測(cè)量。與此同時(shí)，高溫、高轉(zhuǎn)速等因素對(duì)動(dòng)應(yīng)力的測(cè)量技術(shù)提出了極高的要求，需要根據(jù)測(cè)試對(duì)象的工作環(huán)境選擇合適的高溫應(yīng)變計(jì)，須采用點(diǎn)焊或高溫固化處理提高安裝的可靠性，并采用專用高溫線進(jìn)行連接，還需要同時(shí)進(jìn)行各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力和溫度分布測(cè)量并進(jìn)行修正。

高溫動(dòng)應(yīng)力測(cè)量技術(shù)概況

應(yīng)力最大的位置通常是測(cè)試對(duì)象容易產(chǎn)生裂紋的地方。根據(jù)材料力學(xué)原理，金屬材料在外部載荷作用下，幾何形狀和尺寸會(huì)發(fā)生變形，通常用長(zhǎng)度的相對(duì)變化率——應(yīng)變來(lái)表征變形的大小。在金屬材料的屈服應(yīng)力以下的彈性范圍內(nèi)，外部載荷產(chǎn)生的應(yīng)力與材料應(yīng)變成線性關(guān)系。因此，可通過(guò)采用測(cè)量故障點(diǎn)的應(yīng)變值計(jì)算得到應(yīng)力值。根據(jù)測(cè)量方式不同，高溫動(dòng)應(yīng)力測(cè)量可分為接觸式和非接觸式。

在接觸式測(cè)量中，所用傳感器都是應(yīng)變片，其中使用最廣泛的是電阻應(yīng)變計(jì)（如圖1所示），一般由敏感柵、引線、黏結(jié)劑、基底和蓋層組成。將電阻應(yīng)變計(jì)安裝在構(gòu)件表面，構(gòu)件在受載荷后表面產(chǎn)生的微小變形（伸長(zhǎng)或縮短），會(huì)使應(yīng)變計(jì)的敏感柵隨之變形，應(yīng)變計(jì)的電阻就發(fā)生變化，其變化率與安裝應(yīng)變計(jì)處構(gòu)件的應(yīng)變成比例，測(cè)出此電阻的變化，即可按公式算出構(gòu)件表面的應(yīng)變和相應(yīng)的應(yīng)力。這種測(cè)量方式具有測(cè)量精度和靈敏度高、量程大、尺寸小和技術(shù)成熟的特點(diǎn)，也是目前在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的一類方法。盡管這種測(cè)量方式比較實(shí)用，但弊端頗多，例如需要一系列的應(yīng)變儀、傳輸電纜、遙測(cè)發(fā)射器或滑動(dòng)環(huán)，裝在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的應(yīng)變片及滑動(dòng)環(huán)容易損壞，會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)性能，安裝過(guò)程及伴之而來(lái)的修理過(guò)程都需要拆卸發(fā)動(dòng)機(jī)，費(fèi)工耗時(shí)。

圖1 電阻應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)示意

非接觸式測(cè)量方法是一種非常有潛力的測(cè)量方式，最常使用的為光學(xué)測(cè)量方法，包括光纖光柵法和光彈性法等。這種方法具有準(zhǔn)備工作簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)快、可測(cè)量同級(jí)所有葉片、適合持續(xù)在線測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，但也存在采樣不充分（通常是欠采樣）、測(cè)量精度較低、頻率分辨率較差等缺點(diǎn)。

電阻應(yīng)變計(jì)方法的發(fā)展

作為目前在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的高溫動(dòng)應(yīng)力測(cè)量方法，電阻應(yīng)變計(jì)方法的發(fā)展歷程最早起始于在20世紀(jì)進(jìn)行的一系列型號(hào)研制和技術(shù)驗(yàn)證項(xiàng)目。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)階段，相關(guān)規(guī)范和準(zhǔn)則就對(duì)動(dòng)應(yīng)力測(cè)量做出了規(guī)定和約束。美國(guó)《MIL-E-5007D通用規(guī)范》在振動(dòng)和應(yīng)力測(cè)量試驗(yàn)章節(jié)中明確規(guī)定，“應(yīng)在發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行振動(dòng)和應(yīng)力試驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)和壽命分析要求具體化”。美國(guó)《MIL-STD-1783發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)完整性大綱》在葉片、盤和靜子結(jié)構(gòu)的振動(dòng)章節(jié)中提出，“在發(fā)動(dòng)機(jī)工作范圍內(nèi)，葉片、盤和靜子結(jié)構(gòu)的固有頻率不得引起危險(xiǎn)共振。為確定振動(dòng)應(yīng)力和研究顫振邊界，應(yīng)盡早在核心機(jī)上開展動(dòng)應(yīng)力測(cè)量，整機(jī)上也要開展”。英國(guó)《DEF STAN00971航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范》對(duì)葉片動(dòng)應(yīng)力測(cè)量的規(guī)定與美國(guó)通用規(guī)范基本一致。

GE公司和普惠公司在20世紀(jì)70年代末至80年代初研制高效節(jié)能發(fā)動(dòng)機(jī)（E3）核心機(jī)時(shí)，取得了大量的動(dòng)應(yīng)力測(cè)量研究經(jīng)驗(yàn)，這些經(jīng)驗(yàn)表明，在壓氣機(jī)和渦輪轉(zhuǎn)、靜子葉片上粘貼應(yīng)變片是監(jiān)測(cè)壓氣機(jī)和渦輪結(jié)構(gòu)完整性的重要措施。F100發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò)程中也進(jìn)行了動(dòng)應(yīng)力測(cè)量，經(jīng)驗(yàn)表明，渦輪葉片的振動(dòng)應(yīng)力和壓氣機(jī)的喘振應(yīng)力必須要在整機(jī)或核心機(jī)上測(cè)量，并需要結(jié)合振動(dòng)應(yīng)力準(zhǔn)則進(jìn)行評(píng)判。1993年，美國(guó)開展了F119發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪工作葉片動(dòng)應(yīng)力測(cè)量。

俄羅斯在動(dòng)應(yīng)力測(cè)量理論研究和型號(hào)驗(yàn)證等方面的經(jīng)驗(yàn)也非常豐富。例如，117S發(fā)動(dòng)機(jī)首批次共計(jì)生產(chǎn)了5臺(tái)份，其中03臺(tái)份就專門用來(lái)做動(dòng)應(yīng)力測(cè)量。烏克蘭前進(jìn)設(shè)計(jì)局繼承了蘇聯(lián)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，可以開展航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件動(dòng)應(yīng)力測(cè)量。

高溫動(dòng)應(yīng)力測(cè)量典型案例

F100發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)應(yīng)力測(cè)量

美國(guó)研制F100發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，選擇在核心機(jī)或整機(jī)環(huán)境下開展動(dòng)應(yīng)力測(cè)量，得出渦輪葉片的振動(dòng)應(yīng)力和壓氣機(jī)的喘振應(yīng)力。為了保證最終結(jié)果的準(zhǔn)確性，測(cè)試完成后將測(cè)試結(jié)果與振動(dòng)應(yīng)力準(zhǔn)則進(jìn)行比較。

在核心機(jī)上開展試驗(yàn)時(shí)，允許所有的高壓轉(zhuǎn)子葉片在一個(gè)簡(jiǎn)化了的單轉(zhuǎn)子試驗(yàn)中進(jìn)行結(jié)構(gòu)評(píng)定，來(lái)獲取整機(jī)上的部分氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)過(guò)程中，在壓氣機(jī)和渦輪葉片各測(cè)點(diǎn)分別粘貼應(yīng)變片和熱電偶獲取相應(yīng)的應(yīng)力和溫度數(shù)據(jù)，之后再用滑環(huán)引電器將數(shù)據(jù)傳出發(fā)動(dòng)機(jī)。

在整機(jī)上開展試驗(yàn)時(shí)，風(fēng)扇和低壓轉(zhuǎn)子按照之前試驗(yàn)確定的位置或分析結(jié)果安裝應(yīng)變片和熱電偶，測(cè)得的應(yīng)力和溫度數(shù)據(jù)通過(guò)滑環(huán)傳出發(fā)動(dòng)機(jī)。為保護(hù)高壓轉(zhuǎn)子，只在高壓轉(zhuǎn)子上粘貼適量的應(yīng)變片和熱電偶，測(cè)得的葉片應(yīng)變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)遙測(cè)設(shè)備傳遞。

E3核心機(jī)試驗(yàn)

20世紀(jì)70年代末到80年代初，GE航空集團(tuán)和普惠公司聯(lián)合研制了E3高效節(jié)能發(fā)動(dòng)機(jī)，并開展了核心機(jī)環(huán)境下的高壓渦輪葉片振動(dòng)應(yīng)力和頻率動(dòng)應(yīng)力測(cè)量。研究人員在第一級(jí)高壓渦輪的葉片上粘貼了11個(gè)應(yīng)變片（第一級(jí)葉片分布在壓力面氣膜孔排附近前緣跨度的12%），第二級(jí)粘貼了8個(gè)應(yīng)變片。這些應(yīng)變片除測(cè)得各級(jí)葉片的共振點(diǎn)、振型及應(yīng)力分布以驗(yàn)證葉片模型計(jì)算結(jié)果外，并在部件試驗(yàn)、核心機(jī)和驗(yàn)證機(jī)試驗(yàn)中起到對(duì)葉片結(jié)構(gòu)完整性的安全監(jiān)視作用。另外，普惠公司在整機(jī)試驗(yàn)中，先測(cè)取了高、低壓轉(zhuǎn)子應(yīng)力數(shù)據(jù)，得出初期機(jī)械特性，并與葉片設(shè)計(jì)計(jì)算及部件試驗(yàn)測(cè)得應(yīng)力進(jìn)行分析對(duì)比，得到評(píng)定結(jié)論，然后又進(jìn)行了性能試驗(yàn)。

烏克蘭艦船國(guó)立大學(xué)葉片機(jī)動(dòng)應(yīng)力測(cè)量

烏克蘭艦船國(guó)立大學(xué)在進(jìn)行葉片機(jī)交變應(yīng)力振型和振動(dòng)頻率試驗(yàn)研究過(guò)程中開展了動(dòng)應(yīng)力測(cè)量。應(yīng)變片沿葉片前緣和后緣粘貼在葉背和葉盆側(cè)，并和Z軸（與葉片截面重心軸線重合）平行，沿渦輪軸線徑向分布。傳感器基準(zhǔn)為2.5～3mm，可以容納更多的測(cè)點(diǎn)，更精確地測(cè)量葉身的振動(dòng)應(yīng)力。前緣和后緣距傳感器長(zhǎng)5mm，傳感器中心間沿葉片長(zhǎng)的間距為10mm，應(yīng)變計(jì)電阻波動(dòng)范圍在0.7%～1%之間。

結(jié)束語(yǔ)

目前，國(guó)際上廣泛采用應(yīng)變計(jì)進(jìn)行航空發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)應(yīng)力測(cè)量，盡管這種測(cè)試方法在理論和應(yīng)用方面都相對(duì)成熟，但也存在測(cè)點(diǎn)數(shù)少、貼片要求高，發(fā)動(dòng)機(jī)改裝大、試驗(yàn)周期長(zhǎng)，安裝引電器的支板對(duì)靠近的轉(zhuǎn)子葉片特性有影響等缺點(diǎn)，促使對(duì)非接觸式測(cè)量方法開展積極探索。由于具有準(zhǔn)備工作簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)快、可測(cè)量同級(jí)所有葉片、適合持續(xù)在線測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，基于光纖的非接觸測(cè)量或?qū)⒊蔀楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)高溫?zé)岫瞬考?dòng)應(yīng)力測(cè)量的主要發(fā)展趨勢(shì)。