轉(zhuǎn)子葉盤(pán)結(jié)構(gòu)減振方法研究

張洋溢，林蓬成，周春燕

（1.北京理工大學(xué) 宇航學(xué)院，北京 100081；2.北京航天動(dòng)力研究所，北京 100071）

0 引言

葉盤(pán)結(jié)構(gòu)在航空、火箭、汽輪發(fā)電機(jī)組等轉(zhuǎn)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中具有廣泛的應(yīng)用。液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中的渦輪葉盤(pán)結(jié)構(gòu)是制約火箭運(yùn)載器可重復(fù)使用的重要部分，是降低運(yùn)載火箭發(fā)射成本的關(guān)鍵，是宇航界研究的重點(diǎn)［1］。在工作時(shí)，不可避免會(huì)受到氣流激振、轉(zhuǎn)子不平衡、熱變形、軸承破損等原因?qū)е录ふ窳Φ淖饔谩Ｈ~盤(pán)因振動(dòng)過(guò)大導(dǎo)致結(jié)構(gòu)高度疲勞，從而引起局部裂紋甚至斷裂的故障偶爾發(fā)生，嚴(yán)重影響整體結(jié)構(gòu)安全。為了降低葉盤(pán)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，提高機(jī)械產(chǎn)品的穩(wěn)定性、可靠性和壽命，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)葉盤(pán)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性進(jìn)行了大量研究。其中通過(guò)特定的設(shè)計(jì)增加葉盤(pán)結(jié)構(gòu)阻尼，被認(rèn)為是最可靠而有效的減振方式。阻尼作用的本質(zhì)是將機(jī)械振動(dòng)的能量轉(zhuǎn)變成可以損耗的能量，從而降低結(jié)構(gòu)振動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)。

本文對(duì)葉盤(pán)結(jié)構(gòu)減振的工程方法進(jìn)行了分析，根據(jù)引起能量耗散機(jī)理的不同分為界面、內(nèi)摩擦阻尼、碰撞阻尼和其他阻尼。在此基礎(chǔ)上提出轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)減振方法的未來(lái)研究展望，為今后航空、汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)組、可重復(fù)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的相關(guān)研究提供參考。

1 界面摩擦阻尼

界面摩擦阻尼其核心是在振動(dòng)系統(tǒng)上附加結(jié)構(gòu)，以增加摩擦結(jié)合面。在系統(tǒng)振動(dòng)時(shí)，結(jié)合面間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)產(chǎn)生熱能，從而使系統(tǒng)的振動(dòng)能量得到消耗，達(dá)到減振的目的。界面摩擦阻尼方法簡(jiǎn)單有效，因而被廣泛使用。根據(jù)摩擦結(jié)合面的位置不同，大致可以分為葉冠、凸肩、緣板阻尼。

1.1 葉冠阻尼

葉冠阻尼指在葉片、葉尖添加葉冠結(jié)構(gòu)，通過(guò)設(shè)計(jì)一定程度預(yù)扭，使工作狀態(tài)下相鄰葉冠的貼合面間產(chǎn)生一定的預(yù)壓力，整環(huán)葉冠形成連鎖圍帶。工作時(shí)，利用結(jié)合面的摩擦，達(dá)到減振的目的。由于葉冠抵緊后還可以增強(qiáng)葉片剛度，減小葉片尖部的漏氣降低二次損失，因此帶冠葉片已經(jīng)在汽輪機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)上獲得廣泛應(yīng)用，如用于波音777 民航客機(jī)的GE 90 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)六級(jí)低壓渦輪葉片［2］，我國(guó)現(xiàn)役航空發(fā)動(dòng)機(jī)如F 100、F 110、AL-31F 型均為帶冠葉片［3］。早在1992 年哈爾濱汽輪機(jī)廠的周宏利等［4］自主設(shè)計(jì)了自帶平行四邊形圍帶的預(yù)扭葉片，試驗(yàn)表明，當(dāng)葉片工作時(shí)，葉冠在預(yù)扭的作用下形成整圈連接的圍帶，為葉片提供良好的阻尼作用。李康迪等［5］也通過(guò)增加圍帶的方式，令氣流作用下渦輪葉片的靜應(yīng)力降低了50%，動(dòng)應(yīng)力下降了65%。常見(jiàn)的葉冠有平行冠和鋸齒冠2 種，如圖1所示［3］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了葉冠的形狀、接觸角、預(yù)扭、接觸正壓力等參數(shù)對(duì)系統(tǒng)阻尼的影響，還研究了降低葉片最大應(yīng)力，延長(zhǎng)葉片使用壽命的方法。

圖1 兩種常見(jiàn)的葉冠［3］Fig.1 Two common leaf crowns［3］

葉冠的預(yù)扭設(shè)計(jì)能夠?yàn)槿~冠接觸面間提供正壓力，而葉冠接觸面之間的正壓力需要保持在一定范圍內(nèi)，以保證當(dāng)葉片發(fā)生振動(dòng)時(shí)能夠提供合適的摩擦阻尼。沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所孫立業(yè)等［6］通過(guò)計(jì)算得知，葉冠上最大等效應(yīng)力和預(yù)扭角基本成正比關(guān)系。因此葉冠預(yù)扭角存在一個(gè)最大值，以保證接觸面間的擠壓應(yīng)力小于材料允許的值。此外由于葉片的榫頭和輪盤(pán)的榫槽之間存在間隙，榫頭能在榫槽之間發(fā)生扭轉(zhuǎn)，能夠抵消一部分預(yù)扭角，因此預(yù)扭角也存在一個(gè)最小值，如果小于該最小值，葉冠之間會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)的現(xiàn)象。北京航空航天大學(xué)陳璐璐等［7］指出，葉冠接觸角度的選取需要綜合考慮接觸面切向和法向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)比例關(guān)系。且對(duì)于不同的振型，減振效果最好的接觸角度不同。李迪等［8］研究了葉冠和摩擦塊之間接觸緊度對(duì)葉片響應(yīng)的影響。當(dāng)葉冠接觸角度較大時(shí)，增加安裝緊度能有效減小葉片響應(yīng)。但是當(dāng)葉冠接觸角度減小到一定值后，增加安裝緊度反而會(huì)增大葉片響應(yīng)。

上海交通大學(xué)王小寧等［2］基于滯后的彈簧摩擦模型，通過(guò)有限元模型分析得知，存在一個(gè)最優(yōu)正壓力能夠使系統(tǒng)減振幅度達(dá)到最大。對(duì)于文中模型而言，最佳正壓力70 N 能夠使葉片減振幅度達(dá)到53.4%。最佳正壓力受到摩擦系數(shù)的影響，但兩者數(shù)值的乘積基本不變。針對(duì)研究的算例，冠間間隙的大小對(duì)葉片減振影響較小，幅值最大僅相差2.3%。中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院陳香等［9］設(shè)計(jì)了一套渦輪帶冠葉片干摩擦阻尼減振試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)阻尼塊的接觸面積、材料以及外部激振力對(duì)帶冠葉片減振效果的影響進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，不同材料阻尼塊的減振效果與接觸面積有關(guān)，且存在一個(gè)最優(yōu)的正壓力區(qū)域，能夠達(dá)到最優(yōu)的減振效果。西安交通大學(xué)吳君等［10］設(shè)計(jì)了干摩擦阻尼透平葉片振動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)具有阻尼圍帶結(jié)構(gòu)的模型葉片進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，存在一個(gè)最優(yōu)的正壓力使得葉片減振效果最佳。當(dāng)正壓力小于最優(yōu)正壓力時(shí)，圍帶之間貼合不緊密，摩擦力較小，因而摩擦耗散的能量較小；當(dāng)正壓力大于最優(yōu)正壓力時(shí)，摩擦力增大，但接觸面間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)減小，導(dǎo)致摩擦耗散的能量減小。

杭州汽輪動(dòng)力集團(tuán)有限公司隋永楓等［11］采用有限元模型以嚙合角和冠形角為葉冠設(shè)計(jì)變量，通過(guò)基于Kriging 響應(yīng)面的遺傳算法對(duì)某型工業(yè)汽輪機(jī)的葉冠進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化參數(shù)改善了70%轉(zhuǎn)速下葉冠接合面的狀態(tài)，降低了6.6% 的葉身振動(dòng)應(yīng)力。

盡管葉冠阻尼具有各種優(yōu)點(diǎn)，中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所白忠愷等［12］指出葉片帶冠設(shè)計(jì)的過(guò)程中也需要注意其缺陷：1）在高轉(zhuǎn)速下，葉冠帶來(lái)的附加離心載荷會(huì)增大葉身的應(yīng)力，導(dǎo)致葉片強(qiáng)度降低；2）葉冠與葉身的非均勻過(guò)度會(huì)導(dǎo)致一定的應(yīng)力集中，導(dǎo)致葉片的疲勞壽命降低；3）葉冠的設(shè)計(jì)如果不合理，可能會(huì)導(dǎo)致相互抵緊的接觸面之間過(guò)度磨損，導(dǎo)致葉片疲勞失效，甚至引發(fā)斷裂事故。

1.2 凸肩阻尼

大展弦比葉片通常采用葉身凸肩阻尼減振。當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)，凸肩/圍帶貼合面產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，通過(guò)摩擦生熱的方式消耗振動(dòng)能量，達(dá)到葉片減振的效果。凸肩阻尼盡管存在氣動(dòng)性能損失較大和加工工藝性差的缺點(diǎn)，在軍民用發(fā)動(dòng)機(jī)上仍得到廣泛的應(yīng)用，如JT3D、CF6-6、JT8D、JT9D、RB 211-524 B、MK202、F 100-PW-100、CF6-80C2、PW4 000、CFM 56-3、RB 199、F110-GE-129、F404-GE-400、АЛ 31Ф、M 88、F414-GE-400 等發(fā)動(dòng)機(jī)［13］。最著名的凸肩阻尼結(jié)構(gòu)來(lái)自美國(guó)西屋公司設(shè)計(jì)出的“Z-Lock”型凸肩阻尼，如圖2 所示［14］。凸肩接觸面與軸向垂直，對(duì)葉片的扭轉(zhuǎn)恢復(fù)效果有較好的抑制作用。

圖2 “Z-lock”型凸肩阻尼結(jié)構(gòu)［14］Fig.2 "Z-lock" type shoulder damping structure［14］

GE 公司［15］提出了一種帶冠渦輪葉片的阻尼插件方法，如圖3 所示，載體罩和蓋罩從葉片相反方向延伸。阻尼插入件布置在載體罩的凹槽中，且其可以在凹槽中自由上下浮動(dòng)。阻尼插入件通過(guò)與凹槽內(nèi)表面和相鄰葉片的蓋罩接合抑制葉片的振動(dòng)。阻尼插入件施加在相鄰葉片蓋罩上，遠(yuǎn)端的接觸力由葉片的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定。

圖3 一種帶冠渦輪葉片的阻尼插件［15］Fig.3 A damping insert with shrouded turbine blades［15］

文獻(xiàn)［16］提出了一種鏟斗減振結(jié)構(gòu)，包括2 個(gè)阻尼構(gòu)件，其接觸可根據(jù)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和阻尼振動(dòng)改變，如圖4 所示。第1 阻尼構(gòu)件布置在葉片的一個(gè)表面上，第2 阻尼構(gòu)件布置在葉片的另一表面與第1阻尼構(gòu)件相對(duì)應(yīng)的位置。

圖4 1 種鏟斗減振結(jié)構(gòu)［16］Fig.4 A bucket vibration damping structure［16］

隨著汽輪機(jī)不斷向大容量方向發(fā)展，末級(jí)葉片越來(lái)越長(zhǎng)其剛度越來(lái)越小。阻尼圍帶連同凸臺(tái)拉筋結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代汽輪機(jī)長(zhǎng)葉片設(shè)計(jì)中，通過(guò)相鄰葉片圍帶和拉筋接觸摩擦降低葉片振動(dòng)應(yīng)力，同時(shí)使葉片呈現(xiàn)整圈振動(dòng)改善其振動(dòng)特性。日立公司采用連續(xù)蓋葉（Continuous Cover Blade，CCB）的結(jié)構(gòu)，即葉片之間的蓋部和連接凸臺(tái)接觸，可以增加單環(huán)全圓周葉片的剛性，避免在額定轉(zhuǎn)速附近所有低階模態(tài)共振，如圖5 所示。因此，在允許的工作轉(zhuǎn)速內(nèi)，葉片振動(dòng)應(yīng)力極低［17-18］。

圖5 連續(xù)蓋葉結(jié)構(gòu)［18］Fig.5 Structural diagram of continuous cover blades［18］

三菱KANEKO 等［19］對(duì)48 英寸鋼葉片提出了一種整體凸肩結(jié)構(gòu)（Integral Shroud Blade，ISB），通過(guò)有限元計(jì)算獲取了參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，模態(tài)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量證實(shí)了該設(shè)計(jì)的有效性。西安交通大學(xué)謝永慧等［20］建造了可以進(jìn)行具有阻尼圍帶和拉筋結(jié)構(gòu)葉片振動(dòng)特性測(cè)試的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并且具體研究了一個(gè)具有整體阻尼圍帶和凸臺(tái)拉筋的實(shí)際汽輪機(jī)長(zhǎng)葉片在不同轉(zhuǎn)速下的阻尼振動(dòng)特性。試驗(yàn)表明，由于阻尼圍帶和拉筋接觸面間的摩擦作用而導(dǎo)致的模態(tài)阻尼比較大，有利于汽輪機(jī)葉片在升速過(guò)程中安全通過(guò)“三重點(diǎn)”轉(zhuǎn)速。然而當(dāng)轉(zhuǎn)速大于2 600 r/min 后葉片由于壓力過(guò)大，接觸面處于鎖死狀態(tài)導(dǎo)致模態(tài)阻尼比與自由葉片基本一致。

北京航空航天大學(xué)洪杰等［21］設(shè)計(jì)了一套能夠施加凸肩接觸面正壓力的非旋轉(zhuǎn)狀態(tài)帶凸肩葉片減振特性試驗(yàn)系統(tǒng)，并試驗(yàn)分析了凸肩接觸面正壓力、凸肩接觸角度及凸肩位置等重要參數(shù)對(duì)凸肩結(jié)構(gòu)減振效果的影響。試驗(yàn)結(jié)果顯示，對(duì)一定激振力存在一個(gè)最優(yōu)的接觸面初始正壓力，使得凸肩減振效果最好。凸肩接觸角度和位置使凸肩接觸面相對(duì)運(yùn)動(dòng)越大，凸肩的減振效果越好。

北京航空航天大學(xué)單穎春等［22］通過(guò)自創(chuàng)的數(shù)值軌跡跟蹤法計(jì)算凸肩接觸摩擦力，并應(yīng)用時(shí)頻轉(zhuǎn)換方法對(duì)葉片的非線性響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明，對(duì)于振動(dòng)的不同階次，存在不同的最優(yōu)正壓力使得減振效果最佳。正壓力大于最優(yōu)正壓力時(shí)，摩擦系數(shù)越小，越有利于葉片減振，反之，當(dāng)正壓力小于最優(yōu)正壓力時(shí)，摩擦系數(shù)越大越好。凸肩工作面間隙過(guò)大會(huì)導(dǎo)致葉片振動(dòng)時(shí)凸肩的碰撞和磨損，因此需要保證凸肩的緊度。適當(dāng)?shù)卦黾油辜缇o度可以降低葉尖振動(dòng)應(yīng)力，同時(shí)延長(zhǎng)凸肩結(jié)構(gòu)的工作壽命。

中航商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司陳璐璐［23］指出，葉片凸肩結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定需要綜合考慮氣動(dòng)效率、靜強(qiáng)度特性、振動(dòng)特性以及接觸面磨損等方面的影響，這些因素相互制約導(dǎo)致凸肩結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的個(gè)體性，較難采用統(tǒng)一的多目標(biāo)優(yōu)化方法。建議優(yōu)化順序應(yīng)為：徑向位置、軸向位置、嚙合角和初始過(guò)盈量。這3 項(xiàng)分別對(duì)應(yīng)的作用是提高葉片剛度、提高低模態(tài)共振裕度、抑制振動(dòng)應(yīng)力幅值。

1.3 緣板阻尼

由于葉片工作時(shí)工況的復(fù)雜性及工藝、裝配等因素的影響，葉冠與凸肩阻尼實(shí)際工作中可能會(huì)有凸肩對(duì)某些振型不起減振作用的情況發(fā)生。另外，為減少氣動(dòng)損失和提高強(qiáng)度，最好采用無(wú)凸肩葉片設(shè)計(jì)。為控制無(wú)凸肩葉片的振動(dòng)，或進(jìn)一步提高帶凸肩葉片的可靠性，構(gòu)造了一種緣板摩擦阻尼器［23］。將摩擦阻尼器放置在兩葉片的緣板下方，利用葉盤(pán)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力使阻尼器和緣板之間產(chǎn)生正壓力，從而在葉片振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生摩擦，達(dá)到消耗振動(dòng)能量，降低振動(dòng)響應(yīng)的目的。

北京航空航天大學(xué)郝燕平等［24］實(shí)驗(yàn)研究表明，對(duì)于緣板阻尼器存在一個(gè)最優(yōu)的阻尼器質(zhì)量，能夠使阻尼器和緣板之間達(dá)到最優(yōu)正應(yīng)力，使得葉片的彎曲振動(dòng)應(yīng)力最小。僅考慮兩葉片同相振動(dòng)時(shí)，不存在最優(yōu)正壓力，但是對(duì)于反相振動(dòng)，葉片的振幅隨著正壓力的增大先減小后增大。即對(duì)于反相振動(dòng)，存在一個(gè)最優(yōu)正壓力使得葉片的振幅最小。在激振力為5 N 的條件下，阻尼器為葉片帶來(lái)的振幅降幅為83.6%。同時(shí)考慮同相和反相振型時(shí)振幅降幅也達(dá)到70%。

JARELAND［25］對(duì)傾斜接觸面的緣板（楔形）阻尼器進(jìn)行了研究，如圖6 所示。研究結(jié)果表明，阻尼器的效率隨著接觸面傾角的增加而增加。增大阻尼器和緣板之間的摩擦系數(shù)會(huì)導(dǎo)致阻尼器的最佳質(zhì)量降低。此外，增加阻尼器剛度還可以導(dǎo)致頻率偏移。

圖6 楔形阻尼器［25］Fig.6 A cottage-roof damper［25］

李全通等［26］對(duì)帶有緣板阻尼的葉片進(jìn)行了1 階彎曲、扭轉(zhuǎn)以及2 階彎曲強(qiáng)迫振動(dòng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于1 階彎曲振動(dòng)，阻尼器可以降低80%左右的振幅；對(duì)于1 階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，相較于無(wú)阻尼結(jié)果，1 階扭轉(zhuǎn)振型的振幅峰值降低50%，一扭二彎復(fù)合振型峰值降低了75%；在2 階彎曲強(qiáng)迫振動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，阻尼器對(duì)2 階彎曲振動(dòng)沒(méi)有減振作用。

Rolls-Royce 公司資助英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)針對(duì)具有楔形面摩擦的緣板阻尼開(kāi)展了一系列非旋轉(zhuǎn)狀態(tài)摩擦阻尼的葉片振動(dòng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真工作［27-28］。最新的計(jì)算模型采用了改進(jìn)的Valanis 模型和3D 微滑動(dòng)接觸元件的網(wǎng)格接觸單元，能夠分析由于壓力分布不均勻?qū)е碌暮暧^微滑移，以及由于表面粗糙度導(dǎo)致的微觀微滑移，能夠模擬實(shí)驗(yàn)中不同激勵(lì)條件下的FRF 曲線。意大利都靈理工大學(xué)接受安薩爾多能源有限公司資助開(kāi)展了對(duì)具有圓柱形的緣板阻尼一系列實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真工作［29］。

1.4 其他干摩擦阻尼

除了以上3 種摩擦阻尼形式，研究者還通過(guò)阻尼塊、阻尼環(huán)以及阻尼銷(xiāo)等形式減輕轉(zhuǎn)子葉片的振動(dòng)。對(duì)于葉片和輪盤(pán)分開(kāi)的結(jié)構(gòu)，胡然［30］在葉片與輪盤(pán)之間添加橡膠阻尼塊，如圖7 所示，這使得葉片的固有頻率下降了0.25%，應(yīng)變片采集的應(yīng)變峰峰值降低了50.20%，減振效果顯著。SHANGGUAN［31］提出了一種研究帶燕尾附件葉片動(dòng)態(tài)響應(yīng)的試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖8 所示。隨著離心力的增大，共振振幅先減小后增大，即存在最優(yōu)離心力值使得共振振幅最小。當(dāng)離心力為1.5 kN 時(shí)，阻尼比達(dá)到峰值0.84，是實(shí)驗(yàn)中最小阻尼比0.02 的42 倍。李德信等［32］提出了在葉根處設(shè)計(jì)一處凹槽，在凹槽處填充金屬橡膠材料的方案，如圖9 所示。這種結(jié)構(gòu)容易加工，且不會(huì)對(duì)流場(chǎng)造成影響。通過(guò)有限元仿真，證明了其降低固有頻率、減小動(dòng)應(yīng)力、降低葉片工作振幅的作用，但其實(shí)際效果還需進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖7 阻尼塊位置［30］Fig.7 Position of the damping block［30］

圖8 帶燕尾連接葉片［28］Fig.8 Blade with loosely assembled dovetail attachment［28］

圖9 葉根部分凹槽［29］Fig.9 Groove at the blade root part［29］

對(duì)于整體葉盤(pán)，阻尼環(huán)是一種常見(jiàn)的減振結(jié)構(gòu)。劉一雄等［33］研究了長(zhǎng)方形阻尼環(huán)和圓形阻尼環(huán)對(duì)整體葉盤(pán)的減振作用。試驗(yàn)結(jié)果表明，圓形阻尼環(huán)結(jié)構(gòu)對(duì)增大1、2、4 階阻尼比的效果較為顯著，1 階阻尼比增大了25.48%，長(zhǎng)方形阻尼環(huán)會(huì)減小葉盤(pán)的阻尼比。SUN［34］對(duì)3 種不同幾何形狀的環(huán)形阻尼器進(jìn)行了研究，如圖10 所示。有限元分析得知，曲面接觸面環(huán)形阻尼器（環(huán)c）的阻尼性能最好。即阻尼環(huán)的減振性能與其同阻尼槽之間的接觸面有關(guān)。

圖10 3 種環(huán)形阻尼器的幾何形狀［34］Fig.10 Geometrical shapes of three kinds of annular dampers［34］

溫偉等［35］通過(guò)仿真計(jì)算確定了環(huán)形摩擦阻尼器的安裝位置對(duì)整體葉盤(pán)結(jié)構(gòu)的減振效果，如圖11所示。當(dāng)阻尼器安裝在如圖12 所示的位置時(shí)，振幅降低了75%，減振效果最好。

圖11 環(huán)形摩擦阻尼器［35］Fig.11 Annular friction damper［35］

圖12 環(huán)形阻尼器安裝位置［35］Fig.12 Installation position of the annular friction damper［35］

阻尼銷(xiāo)也是一種常見(jiàn)的減輕葉片振動(dòng)的結(jié)構(gòu)。阻尼銷(xiāo)可以安裝于葉片之間［36-38］，如圖13、圖14 所示，也可以置于輪緣下方。張歡等［39］提出了一種在輪緣下方加工銷(xiāo)孔安裝阻尼銷(xiāo)的方式，如圖15 所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，該減振方法適用于高壓渦輪葉盤(pán)，葉片振動(dòng)應(yīng)力降低約70%。但是對(duì)低壓渦輪葉片，振動(dòng)應(yīng)力水平無(wú)明顯降低。通過(guò)有限元仿真試驗(yàn)可得，對(duì)于盤(pán)-片強(qiáng)耦合的葉盤(pán)，這種加裝阻尼銷(xiāo)的方式能夠有效減低葉盤(pán)的振動(dòng)，但是對(duì)于盤(pán)-片弱耦合的葉盤(pán)而言，主要是葉片在振動(dòng)，其安裝在輪緣下方的阻尼器減振效率較低。

圖13 周向相鄰渦輪葉片之間的阻尼銷(xiāo)［36］Fig.13 Damping pin between the circumferential adjacent turbine blades［36］

圖14 渦輪末級(jí)葉片“之”字形阻尼銷(xiāo)［38］Fig.14 “Z” line damping pin of the turbine last stage blade［38］

圖15 輪緣下方的阻尼銷(xiāo)結(jié)構(gòu)［39］Fig.15 Damping pin structure under the rim［39］

隨著非金屬?gòu)?fù)合材料研究的進(jìn)步，大批力學(xué)性能優(yōu)秀的材料被研究出來(lái)。高興等［40］利用可塑性良好、耐高低溫、耐磨、高承載性的聚氨酯材料設(shè)計(jì)了一款阻尼器，能將葉片振幅從無(wú)減震器的6.1 mm降至1 mm。

綜上所述，葉冠、凸肩、緣板、阻尼環(huán)、阻尼銷(xiāo)等通過(guò)增大葉盤(pán)系統(tǒng)摩擦接合面的方式增大系統(tǒng)阻尼的方法簡(jiǎn)單可行，效果顯著，但是均要面對(duì)的問(wèn)題是摩擦接合面的磨損，這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)摩擦阻尼大幅下降，即這些結(jié)構(gòu)可能需要定時(shí)檢修更換。此外，葉冠和凸肩結(jié)構(gòu)的添加會(huì)改變?nèi)~片的外形，降低葉盤(pán)的氣動(dòng)轉(zhuǎn)換效率。

2 涂層阻尼

當(dāng)物體受到外力作用時(shí)，阻尼材料分子產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成摩擦，產(chǎn)生熱能。當(dāng)葉盤(pán)有整體減振需求時(shí)，多采用涂層阻尼進(jìn)行減振。張修銘等［41］研究了汽輪機(jī)葉片無(wú)涂層、AI、Ti、AI-Ti 膜情況下的振動(dòng)。其中鍍Al-Ti 膜的葉片阻尼減振效果最佳，最大形變量減小了11.81%。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的阻尼損耗因子從大到小排序?yàn)殄傾l-Ti、鍍Al、鍍Ti 膜葉片以及無(wú)鍍膜葉片。阻尼損耗因子越大，吸收的激振力越多，阻尼減振效果越好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果吻合，驗(yàn)證了鍍膜后葉片的阻尼減振效果得到了提升。

寧智軼等［42］在旋笛試驗(yàn)器上進(jìn)行了單面和雙面分別附著阻尼涂層的葉片減振性對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于材料TC 4，葉身厚度為2 mm 的葉片，當(dāng)涂層阻尼厚度為0.1 mm 時(shí)，一面貼阻尼的振幅比無(wú)阻尼的振幅減小97.1%，減振效果明顯。高峰［43］以葉片雙面涂敷硬Ni Co Cr Al Y+YSZ 涂層，顯著抑制了整體葉盤(pán)的共振響應(yīng)。

隨著復(fù)合材料的發(fā)展，學(xué)者們?cè)噲D將復(fù)合材料鋪層應(yīng)用于葉片振動(dòng)抑制。相較于單一材料的涂層，復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，能夠應(yīng)對(duì)更惡劣的工作環(huán)境。同時(shí)，復(fù)合材料鋪層還能通過(guò)不同的鋪設(shè)方式達(dá)到不同的減振效果。以下提出幾種僅通過(guò)有限元仿真的復(fù)合材料鋪層減振方法，這些方法可能為未來(lái)的研究提供理論層面的參考。

張洪寧等［44］采用多層約束阻尼結(jié)構(gòu)進(jìn)行抑顫，如圖16 所示，通過(guò)仿真對(duì)比了多層約束阻尼結(jié)構(gòu)葉片與單層約束阻尼葉片的減振效果。相對(duì)于普通葉片1 階模態(tài)對(duì)應(yīng)的相對(duì)最大位移，單層約束阻尼葉片的最大相對(duì)位移降低了16.27%，而多層約束結(jié)構(gòu)葉片降低了17.95%。在額定風(fēng)速下，單層、多層約束阻尼葉片在展向50%、75%以及100%這3 個(gè)位置的最大位移降低的百分比分別為7.7%、-2.4%、-5.8%以及20.5%、11.9%、15.0%，即多層約束阻尼葉片減振效果更佳。

圖16 多層嵌入式共固化阻尼葉片結(jié)構(gòu)［44］Fig.16 Structural diagram of multilayer embedded co-cured damping blade［44］

楊偉［45］設(shè)計(jì)了以0°、90°、±45°這4 種鋪層交錯(cuò)對(duì)稱(chēng)鋪設(shè)的鋪層，阻尼材料ZN-33 橡膠。將阻尼材料嵌入復(fù)合材料中固化成型，該處理不易出現(xiàn)阻尼層剝離。通過(guò)有限元計(jì)算可知，帶阻尼材料的葉片相較于無(wú)阻尼葉片結(jié)構(gòu)損耗因子增大了26.99 倍，減振能力明顯提升。

趙樹(shù)萍［46］將共固化黏彈性復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)應(yīng)用于風(fēng)力機(jī)葉片，如圖17 所示。通過(guò)仿真對(duì)比可知，共固化阻尼葉片葉尖在揮舞和擺振方向的振幅分別下降了95.31%和88.22%。

圖17 共固化黏彈性復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)示意圖［43］Fig.17 Schematic diagram of the co-cured viscoelastic composite laminated structure［43］

CHENG 等［47］設(shè)計(jì)了具有黏性阻尼控制的復(fù)合纖維，增強(qiáng)了葉片的振動(dòng)和阻尼特性。隨著黏性層阻尼比的增加，葉片頻率響應(yīng)的峰值振幅顯著降低。孫大剛等［48］提出了穿孔阻尼結(jié)構(gòu)，如圖18 所示。在黏彈性層上打孔，讓樹(shù)脂在共固化過(guò)程中流過(guò)阻尼層，形成局部耦合。

圖18 穿孔阻尼結(jié)構(gòu)［45］Fig.18 Perforated damping structure［45］

該結(jié)構(gòu)相較于無(wú)阻尼葉片固有頻率僅下降了0.067%，且1 階模態(tài)下的最大位移降低了1.06%。在保持原有葉片剛度的同時(shí)，達(dá)到傳統(tǒng)阻尼葉片的減振效果。

MENG 等［49］模仿竹壁的微觀結(jié)構(gòu)，在葉片上提出多孔阻尼結(jié)構(gòu)，通過(guò)Abaqus 仿真得出，在最大振動(dòng)幅度方面，相較于無(wú)孔阻尼葉片在葉展30%、65% 和100% 這3 個(gè)位置處的減振幅度分別為27.5%、18.19%、17.16%，多孔阻尼葉片減振幅度分別為44.25%、22.06%、20.01%。即多孔阻尼結(jié)構(gòu)的減振性能要優(yōu)于無(wú)孔阻尼葉片。

楊波等［50］提出了多翼型黏彈性阻尼層葉片。通過(guò)有限元仿真可得，加4 層阻尼層可以最大程度降低位移響應(yīng)幅值，在前3 階頻率處分別下降了-22.45%、49.50%、94.89%。阻尼層厚度的增加無(wú)法有效降低1 階頻率對(duì)應(yīng)的位移幅值，但是對(duì)2 階以上的響應(yīng)幅值有降低作用。相較于界面摩擦阻尼，涂層阻尼不存在摩擦接合面磨損的問(wèn)題，對(duì)葉片外形的影響也較小，同時(shí)也能顯著抑制葉片的振動(dòng)。但是涂層在惡劣的工作環(huán)境中可能會(huì)發(fā)生老化、開(kāi)裂、剝落等故障，會(huì)嚴(yán)重影響葉片的正常工作。復(fù)合材料的加入能使該問(wèn)題得到改善，但是目前上述復(fù)合材料鋪層方法僅停留在理論層面，未來(lái)可能成為一個(gè)新的研究方向。

3 碰撞阻尼

碰撞阻尼分為顆粒碰撞阻尼和其他結(jié)構(gòu)碰撞阻尼，其本質(zhì)都是發(fā)生碰撞而消耗振動(dòng)能量，達(dá)到減振效果。夏兆旺等［51］以填充顆粒的平板葉片為研究對(duì)象，如圖19 所示，研究了結(jié)構(gòu)阻尼與顆粒阻尼器各參數(shù)間的非線性關(guān)系。

圖19 不同打孔方式的平板葉片［48］Fig.19 Flat blades with different drilling methods［48］

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著顆粒材料密度的增大，系統(tǒng)的阻尼比增大。填充率70%左右可以使平板葉片的各階阻尼比達(dá)到最大值。橫向打孔有利于彎曲振動(dòng)的減振，豎向打孔有利于扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的減振。

SWANSON［52］等研制了一種用于梁?jiǎn)卧募s束粉末阻尼器，如圖20 所示，其阻尼性能與黏彈性阻尼梁甚至優(yōu)于黏彈性阻尼梁。同時(shí)其還具備黏彈性阻尼梁不具有的高溫相容性。

圖20 約束層粉末阻尼結(jié)構(gòu)［49］Fig.20 Constrained layer powder damping structure［49］

李錄平等［53］通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了自帶冠葉片的碰撞減振阻尼性質(zhì)。葉冠之間的間隙越小，碰撞阻尼越好。相比于對(duì)稱(chēng)間隙，不對(duì)稱(chēng)間隙能夠?yàn)槿~片提供更好的減振效果。在葉片外額處添加碰撞組件會(huì)對(duì)葉片的外形造成影響，而在葉片內(nèi)部打孔添加顆粒材料則不會(huì)。但是這種葉片加工不易，且顆粒材料磨損后不易更換。

4 其他阻尼技術(shù)

除了上述增大葉盤(pán)阻尼的方法外，壓電和調(diào)諧阻尼技術(shù)也是常見(jiàn)的振動(dòng)抑制方案。ZHOU 等［54］提出了一種基于被動(dòng)壓電分流阻尼技術(shù)的振動(dòng)控制策略。通過(guò)在相鄰葉片之間的葉盤(pán)表面安裝共振分流壓電貼片，如圖21 所示，將振動(dòng)時(shí)葉片擾動(dòng)的機(jī)械能通過(guò)壓電貼片轉(zhuǎn)化為電能，隨后在諧振并聯(lián)中消耗電能，以此達(dá)到減振的目的。ZHOU 等［54］對(duì)壓電分流阻尼技術(shù)進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)分析，在實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析下葉盤(pán)的振幅幅度可降低80%，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)阻尼比增大至2.5 倍，可以看出其減振效果較為明顯。

圖21 壓電傳感器在渦輪盤(pán)上的位置［54］Fig.21 Position of piezoelectric sensor on the turbine disk［54］

文獻(xiàn)［55］提出了包括阻尼環(huán)和耦合阻尼環(huán)多個(gè)壓電元件的壓電阻尼環(huán)。其中，壓電元件接受機(jī)械能，將儲(chǔ)存的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。每個(gè)壓電元件都能將電能傳輸給另一個(gè)壓電元件，也能接受來(lái)自其他壓電元件的電能，同時(shí)還能將接收到的電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，以抑制葉片的振動(dòng)。

LUPINI 等［56］研究了摩擦增強(qiáng)的調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（Tuned Mass Dampers，TMD）對(duì)整體葉盤(pán)結(jié)構(gòu)的減振效果。該阻尼器能夠?qū)⒄駝?dòng)能量從主體結(jié)構(gòu)傳遞到阻尼器，在阻尼器中，該能量通過(guò)摩擦耗散。該設(shè)計(jì)能夠較好地解決阻尼器與主體結(jié)構(gòu)間由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)受限而導(dǎo)致的摩擦阻尼有效性降低的問(wèn)題。宋吉祥等［57］對(duì)TMD 在周期和沖擊載荷作用下抑制懸臂梁振動(dòng)的效果進(jìn)行了研究。基于數(shù)值計(jì)算模型，得到懸臂端在周期和沖擊載荷的作用下最大位移降低了46.67%和12.31%。使用多個(gè)TMD 可以提高控制效果，但對(duì)安裝位置需要進(jìn)行設(shè)計(jì)以避免碰撞。DUFFY［58］提出了一種自調(diào)諧撞擊方法為葉片提供阻尼。在葉片頂部安裝一個(gè)小的球面腔室，在腔室中放置一個(gè)小鋼球，當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)起來(lái)后，小鋼球緊貼在腔室球面上，葉片振動(dòng)以后，小鋼球通過(guò)撞擊腔室的壁面提供阻尼。自調(diào)諧撞擊方法結(jié)合了傳統(tǒng)沖擊減振器和利用旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的離心加速度調(diào)諧減振器的特點(diǎn)，能夠克服摩擦和不對(duì)中問(wèn)題對(duì)沖擊體的影響，保證阻尼器在高離心力環(huán)境下的有效性。

壓電阻尼能將葉盤(pán)的振動(dòng)幅度降低80%，是一種非常有效的減振方法。但相對(duì)于干摩擦減振方法，壓電方法需要布置大量的壓電元件，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。TMD 同樣可以抑制振動(dòng)，但其對(duì)安裝位置要求較高。此外，以動(dòng)力吸振器為基礎(chǔ)的TMD 可能無(wú)法適應(yīng)葉盤(pán)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的工作環(huán)境。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著對(duì)渦輪盤(pán)結(jié)構(gòu)減振降噪需求的不斷增加以及對(duì)結(jié)構(gòu)輕量化和功能一體化的追求，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)研究發(fā)展出多種阻尼器。干摩擦阻尼器在渦輪盤(pán)減振方面的應(yīng)用最為廣泛，其優(yōu)點(diǎn)在于經(jīng)濟(jì)且有效。但其缺點(diǎn)也較為明顯，在一定程度上犧牲了輕量化和渦輪的其他功能，例如凸肩和葉冠阻尼相對(duì)減少了氣動(dòng)轉(zhuǎn)換效率。而其他阻尼器雖然不如干摩擦阻尼器的減振效果明顯，并且部分制作工藝復(fù)雜，但其滿足了一定的輕量化和功能一體化要求。在未來(lái)如何實(shí)現(xiàn)制備工藝穩(wěn)定性和制造成本最小化的統(tǒng)一是今后結(jié)構(gòu)阻尼器和阻尼材料研究面臨的挑戰(zhàn)。在阻尼器之外，改變渦輪盤(pán)的結(jié)構(gòu)，改善其振動(dòng)性能也是今后的重點(diǎn)研究方向。

針對(duì)帶長(zhǎng)葉片的葉盤(pán)，添加葉冠、凸肩、緣板阻尼器，原理簡(jiǎn)單，效果明顯。學(xué)者們通過(guò)接觸角度、接觸應(yīng)力、阻尼器質(zhì)量等參數(shù)對(duì)葉盤(pán)阻尼性能的影響做了大量研究。凸肩阻尼與葉冠阻尼和緣板阻尼相比，可以設(shè)計(jì)更多不同的結(jié)構(gòu)以增加葉盤(pán)的摩擦阻尼，但其對(duì)葉片氣動(dòng)性能的影響不可避免。在設(shè)計(jì)凸肩時(shí)，需要綜合考慮葉片的振動(dòng)和氣動(dòng)性能，增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。相較于在葉片上附加結(jié)構(gòu)的方法，葉身涂層或葉片內(nèi)部顆粒碰撞阻尼對(duì)葉片外形的影響更小，同時(shí)也能達(dá)到顯著的減振效果。但是，葉片涂層在面對(duì)惡劣的工作環(huán)境時(shí)容易遭到破壞。涂層被破壞后，原有的減振能力降低，可能會(huì)造成安全事故。用復(fù)合材料鋪層取代單一材料涂層的方法可能是對(duì)涂層破壞問(wèn)題的一種解決辦法。葉片內(nèi)部添加顆粒阻尼可以通過(guò)不同的打孔方式和填充材料應(yīng)對(duì)不同的振動(dòng)，但其加工較為困難。壓電分流阻尼容易實(shí)現(xiàn)且減振效果相較于其他方式更加優(yōu)越，但是其需要布置大量壓電元件，結(jié)構(gòu)相較于摩擦阻尼更為復(fù)雜，不利于大范圍推廣。

復(fù)合材料鋪層以及葉冠、凸肩、涂層等方法均作用于葉片，但對(duì)于葉片較短的整體葉盤(pán)結(jié)構(gòu)，這些方法均不適用。將輪盤(pán)由一體結(jié)構(gòu)拆分為螺栓連接的幾部分是增加葉片較短的整體葉片結(jié)構(gòu)阻尼比的一種方法。輪盤(pán)分體件以及螺栓之間的摩擦接合面可以為葉盤(pán)提供較大的摩擦阻尼，同時(shí)葉片和輪盤(pán)一體，避免常規(guī)盤(pán)榫連接方式導(dǎo)致的裂紋故障以及榫根和榫槽間間隙對(duì)葉盤(pán)氣動(dòng)性能的影響。后續(xù)將對(duì)輪盤(pán)分體方式對(duì)葉盤(pán)系統(tǒng)阻尼比的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。同時(shí)對(duì)各摩擦接合面對(duì)系統(tǒng)摩擦阻尼增長(zhǎng)的影響程度進(jìn)行研究，找到影響最大的摩擦接合面，為后續(xù)不同葉盤(pán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)參考。

綜上所述，葉冠、凸肩、緣板3 種阻尼已經(jīng)發(fā)展比較成熟，后續(xù)對(duì)減振性能的優(yōu)化很難出現(xiàn)飛躍性的提升。應(yīng)當(dāng)考慮如何降低生產(chǎn)成本，控制產(chǎn)品合格率，并將其充分應(yīng)用于工程實(shí)際中。基于涂層阻尼提出的復(fù)合材料鋪層阻尼可能是后續(xù)一個(gè)新的研究方向。目前已經(jīng)在理論層面證明了其減振性能，后續(xù)需要將理論應(yīng)用于實(shí)際，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其減振能力。此外，將整體葉盤(pán)的輪盤(pán)部分拆分成由螺栓或過(guò)盈配合連接的幾部分，可以在不影響葉片氣動(dòng)性能的前提下提升葉盤(pán)的阻尼比，是未來(lái)一個(gè)比較有價(jià)值的研究方向。