阻尼環在整體葉盤結構中的減振應用

劉一雄，吳云伍，徐可寧，杜 青，陳育志，叢佩紅

（1.中國航發沈陽發動機研究所，2．遼寧省航空發動機沖擊動力學重點實驗室：沈陽 110015；3.中國航空發動機研究院，北京 101304）

0 引言

整體葉盤結構是推重比15～20的航空發動機設計和制造技術的發展方向之一，其設計特點是取消常規的盤榫連接方式，將葉片和輪盤作為一體結構，既能減輕轉子質量、減少零件數量，又可消除在榫根與榫槽間縫隙中的流動損失，提高氣動性能和工作效率。此外，整體葉盤對避免由榫連結構、凸肩、葉冠所導致的裂紋故障和微動疲勞問題也有著重要意義。目前國內外在研、在役的航空發動機風扇、壓氣機及渦輪上已經大量采用整體葉盤結構。然而，由于整體葉盤的盤體薄、盤片耦合性更強，振動能量無法在葉片榫頭-輪盤傳遞的過程中耗散，也不能通過設置緣板阻尼器、凸肩、葉冠和加強筋等常規摩擦阻尼結構進行減振設計。因此整體葉盤結構的高周疲勞問題相對更為突出，會極大降低葉盤的使用壽命。

國內外學者對航空發動機整體葉盤結構減振開展了大量研究工作。王嬌等在整體葉盤盤緣底部添加粘彈性阻尼材料Zn-33以實現整體葉盤振動抑制，并對比了涂層厚度對整體葉盤固有特性的影響；Panossian將顆粒阻尼用于高頻大振幅的航天飛機主發動機進口分流葉片上，取得了明顯的減振效果；夏兆旺等以填充顆粒的平板葉片為研究對象，分析了結構阻尼與顆粒阻尼器各參數間的非線性變化關系；孫偉等對3種涂層方案下整體葉盤振動局部化程度進行了測量并開展了硬敷涂層的減振性能研究；陳玉剛提出了整體葉盤振動抑制、抗振動疲勞的硬涂層阻尼技術；Zhou等和Mokrani等針對失諧葉盤提出了基于被動壓電分流阻尼技術的減振技術，將壓電材料貼覆在相鄰葉片之間的輪盤表面進行阻尼耗能；Tang等將壓電分支電路引入葉盤結構模型，設計了4種電路布局，均取得很好的阻尼效果；李琳等將壓電分支電路引入失諧葉盤結構，研究了壓電分支阻尼對失諧葉盤結構響應放大的抑制效果；Baek等針對帶阻尼環的整體葉盤的非線性響應提出了一種有效的求解方法，采用降階模型將非線性力表達為等效非線性阻尼和剛度參數；Laxalde等分別采用數值和試驗方法研究了阻尼環裝置在整體葉盤上的摩擦阻尼減振應用，在輪緣下側安裝阻尼環，對不同激勵水平或轉速下的阻尼特性進行了參數化研究；張歡等提出了一種渦輪整體葉盤的摩擦阻尼減振結構，通過在相鄰葉片之間切縫、在輪緣下方加工銷孔、裝配阻尼銷的設計，模擬盤-片分離結構的緣板摩擦阻尼器。

以上研究主要針對阻尼涂層和壓電阻尼，但這2種形式的阻尼在工程上的實用性仍有待提升。雖然也有部分阻尼環和阻尼銷的減振研究，但未對阻尼環布局形式和截面形狀等關鍵參數開展詳細分析。本文以3D打印的整體葉盤模型試驗件為研究對象，通過數值仿真與試驗研究探討了阻尼環位置、截面形狀對葉盤模態阻尼比的影響規律，為工程中整體葉盤減振設計提供支撐。

1 模型試驗件

考慮到在真實整體葉盤上開展阻尼環設計和試驗存在一定的風險且經濟性較差，本文通過建立風扇整體葉盤模型試驗件（如圖1所示）開展阻尼環減振研究工作。從圖中可見，在盤的安裝邊上均布8個螺栓孔，通過螺栓將盤與夾具連接；在葉盤的前緣緣板下方和尾緣緣板下方分別設計了阻尼環安裝槽，在前緣緣板下方安裝長方形阻尼環，在尾緣緣板下方安裝圓形阻尼環，阻尼環截面如圖2所示。

圖1 整體葉盤模型試驗件

圖2 阻尼環截面

安裝阻尼環風扇模型試驗件3維模型如圖3所示。長方形阻尼環和圓形阻尼環已經裝配在對應槽中。風扇葉盤和阻尼環的材料均為316不銹鋼（18Cr12 Ni2.5Mo），阻尼環參數見表1，18Cr12Ni2.5Mo的 性 能參數見表2。

表1 阻尼環參數

表2 18Cr12Ni2.5Mo的性能參數

圖3 安裝阻尼環風扇模型試驗件3維模型

通過3D打印技術將設計的整體葉盤模型試驗件加工出來，風扇模型試驗件及阻尼環實物如圖4所示。2種阻尼環均由2個半環組成，安裝時通過卡扣將2個半環卡緊組成完整的阻尼環，卡緊后長方形阻尼環與配合槽之間呈過盈配合，圓形阻尼環與配合槽之間呈間隙配合。這種安裝方式便于拆卸和復裝，如圖4（b）所示。

圖4 風扇模型試驗件及阻尼環實物

2 葉盤阻尼仿真分析

為評估阻尼環布局形式和截面形狀對減振效果的影響，采用諧波平衡法法開展數值仿真分析。

建立了仿真分析流程，如圖5所示。從圖中可見，首先提取葉盤-阻尼系統幾何特性和邊界條件，對葉盤進行非線性靜力學分析和約束模態分析，得到非線性響應分析所需要的力學參數，包括固有頻率和模態數據。根據接觸剛度和法向壓力結合模態分析的結果數據，開展非線性響應分析，獲取位移曲線和摩擦力等關鍵參數，并將獲取的結果數據代入模態方程中，通過諧波平衡法進行求解，獲取頻率/響應曲線，從而實現對阻尼減振效果的直觀顯示和有效評價。

圖5 仿真分析流程

建立有限元模型，如圖6所示。通過在第3個葉片葉尖前緣施加20 N的激勵用以模擬葉片真實模態試驗。

圖6 有限元仿真模型

計算分析了3種工況下的阻尼效果，如圖7所示。從圖中可見，在相同激勵下，不安裝阻尼環、安裝圓形阻尼環和長方形阻尼環的相對響應幅值分別為 0.126%、0.98% 和0.168%，說明圓形阻尼環具有較好的減振效果。

圖7 阻尼減振效果分析

3 葉盤阻尼測試

阻尼特性可以客觀反映整體葉盤結構振動過程中能量耗散的速度，對評估葉盤的減振和抗振性能有一定的參考價值，常用試驗的方法測量。

3.1 阻尼測試方法

葉盤結構的阻尼較小，只能得到阻尼比值，即葉盤某階模態阻尼與其臨界阻尼的比值，本文采用自由振動衰減法獲取了葉盤結構的阻尼比。自由衰減法主要用于時域信號的振動幅值對數衰減對阻尼比進行計算

式中：為阻尼比；為參與計算的波數；、A 分別為參與計算的首、尾波峰值。

自由振動衰減曲線如圖8所示。由于自由衰減法需要測試信號為單自由度的自由衰減信號，因此需要將實測的含有多階頻率的信號通過數字帶通濾波處理分離成各目標階次頻率的單頻振動信號，進行時域阻尼比計算以獲得各階振動頻率對應的阻尼比。在試驗過程中采用峰值拾取法，將頻響函數分成實部分量和虛部分量，直接從實、虛頻圖上讀取數據后進而獲得模態參數。

圖8 自由振動衰減曲線

3.2 試驗件安裝測試

為模擬真實整體葉盤的安裝方式，在鼓筒上加工若干螺栓孔，通過所設計的夾具（如圖9所示）將葉盤與測試儀器連接。在5個葉片葉尖部位分別安裝振動傳感器并編號，傳感器安裝位置如圖10所示，阻尼測試設備如圖11所示。

圖9 夾具

圖10 傳感器安裝位置

圖11 阻尼測試設備

為對比分析阻尼環對葉盤減振性能的影響，分別測定了在不安裝阻尼環、安裝長方形阻尼環、加圓形阻尼環3種工況下葉盤的阻尼特性。在試驗過程中通過錘擊法在不同葉片上的同一位置施加相同的力敲擊獲得葉盤的響應，通過自由振動衰減法計算葉盤的模態阻尼比。在試驗過程中可能存在測試系統、敲擊力大小、數據分析方法及應變片貼片位置等因素帶來的誤差，由于采用的是同一套測試設備、相同的數據分析方法和貼片位置，認為其帶來的誤差相同。而通過在力錘上連接傳感器，取相同的敲擊力下葉盤的測試結果以減小敲擊力帶來的誤差。

3.3 阻尼測試結果

在安裝阻尼環、安裝長方形阻尼環和安裝圓形阻尼環3種工況下，分別敲擊葉盤上的1～5號葉片激發出各階振型，敲擊力大小為（20±0.5）N，記錄3號葉片葉尖部位同一位置的幅頻曲線和各階阻尼比。主要低階模態有4個，頻率范圍為194.1～196.5 Hz（1階）、339.4～340.6 Hz（2階）、389.4～395.5 Hz（3階）和572.5～573.7 Hz（4階）。

在3種工況下敲擊1號葉片測得的3號葉片葉尖部位的幅頻曲線如圖12所示，圖中縱坐標單位為重力加速度。從圖中可見，在相同的激振力情況下，增加長方形阻尼環后，除2、3階頻率對應的曲線有所降低，其他階的幅頻曲線反而有所升高；增加圓形阻尼環后，3號葉片的1～4階頻率對應的振幅均比不加阻尼環的有不同程度減小。

圖12 3種工況下敲擊1號葉片測得的幅頻曲線

綜上所述，在相同敲擊力下，長方形阻尼環因與槽道過盈配合，摩擦力過大導致阻尼環無法起到摩擦減振效果，對阻尼提升不明顯；圓形阻尼環因與槽道是線接觸，摩擦接觸后可以起到減振作用，因此增大了葉盤的阻尼。

3.4 結果分析

3種工況下分別敲擊不同葉片后得到的3號葉片的前4階阻尼比如圖13所示。從圖中可見，黑色表征增加圓形阻尼環為葉盤提供的阻尼均大于不加阻尼環時的。為了更好地對比分析，將敲擊不同葉片得到的阻尼比進行平均，繪制3號葉片前4階平均阻尼比，如圖14所示。

圖13 3種工況下3號葉片前4階阻尼比

圖14 3種工況下3號葉片前4階平均阻尼比

通過分析圖7、13、14中的數據可見：

（1）圓形阻尼環起到了明顯的減振效果，除3階減振效果稍差，平均阻尼比僅增大1.48%以外，1、2、4階的阻尼比分別增大了25.48%、16.06%和21.57%；

（2）長方形阻尼環并未起到提升葉盤減振的效果，1～4階的阻尼比分別減小了4.92%、8.52%、4.67%和16.80%。

可能影響阻尼環減振效果的主要因素有：阻尼環與配合槽的接觸狀態、材料屬性、阻尼環表面加工狀態、阻尼環安裝形式等。其中，最主要因素是配合面的接觸狀態。

2種阻尼環的材料相同，長方形阻尼環與配合槽處于過盈壓緊狀態，而圓形阻尼環則為間隙配合。長方形形阻尼環裝配在配合槽后，阻尼環完全封閉了原有槽道，處于過盈配合且緊度過大，使得接觸面的擠壓應力過大，現場也無法轉動阻尼環，這種條件下阻尼環與葉盤組成了1個新的“葉盤系統”，其剛度和阻尼特性與原來葉盤的并不完全相同。在無阻尼環狀態下的凹形槽道可通過柔性變形耗散能量，而安裝長方形阻尼環且擠壓力過大的情況下，原有的凹形槽道本身柔性變形能力喪失，且也無法通過相對滑移進行摩擦減振，故而增加長方形阻尼環后的新“葉盤系統”的阻尼并未增大，但并不是長方形阻尼環無法用于減振，只是需要進行間隙設計。

圓形阻尼環則不存在這種情況，因為圓形阻尼環是線接觸，其與葉盤配合槽之間一直存在間隙，可以通過相對滑移摩擦有效降低葉盤的振動響應。

4 結論

（1）數值仿真結果表明：在相同激勵下，不安裝阻尼環、安裝圓形阻尼環和安裝長方形阻尼環的相對響應幅值分別為0.126%、0.98%和0.168%，圓形阻尼環具有較好的減振效果；

（2）試驗結果表明：在配合關系合理的情況下，增加圓形阻尼環結構可以增大風扇整體葉盤的低階模態阻尼比，提高減振能力，與數值仿真結果一致；

（3）數值仿真和試驗結果為整體葉盤結構減振設計提供了研究思路，具有一定的工程實用價值；另外，本文的研究尚需開展轉動試驗驗證阻尼環的減振效果。一旦葉盤轉動，離心力會影響阻尼環與槽道間的接觸狀態，從而影響干摩擦阻尼減振效果。