模拟叶片气激及涂层阻尼减振有效性研究

2013-07-07宁智轶杜少辉韩清凯王洪斌

航空发动机 2013年5期

关键词：阻尼涂层气体

宁智轶，杜少辉，韩清凯，王洪斌

（1.中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015；2.大连理工大学机械工程学院，辽宁大连116024）

模拟叶片气激及涂层阻尼减振有效性研究

宁智轶1，杜少辉1，韩清凯2，王洪斌1

（1.中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015；2.大连理工大学机械工程学院，辽宁大连116024）

针对航空发动机叶片高阶振动及阻尼涂层减振有效性的试验验证问题，通过构建旋笛式高频气激试验器，对单个非旋转叶片进行气体激振试验研究，同时完成有无涂层阻尼叶片在高频气激下的振动响应对比试验。结果表明：气动激振可以使叶片处于高应力工作状态，施加阻尼涂层是1种有效抑制振动响应的手段；气体激振测频结果与A N SY S计算、振动台测频结果基本吻合，说明气体激振不仅可以完成振动特性试验，而且可以通过调节气压和流量来控制激振力的大小，以此来控制振幅并完成振动疲劳试验。

叶片；高频振动；高阶振动；阻尼涂层；气体激振；阻尼减振；航空发动机

0 引言

在航空发动机工作过程中，叶片振动应力过大会导致叶片发生高周疲劳失效，周期性尾流激振是叶片产生高循环疲劳（High Cycle Fatigue,HCF）的主要原因。随着航空技术的不断提高，叶片变得更轻更薄，这就导致叶片在发动机工作转速范围内可能发生共振，特别是高阶振动无法完全避开[1-4]。因此，需要研究改变构件振动模态、提高构件疲劳强度、改变激振因素或降低激振力，从而降低构件响应的动应力水平。气体激振在国外已是1种成熟且有效的试验手段，国外很早就开展了高频气固耦合试验研究，RR公司在20世纪70年代成功研制了气体激振试验器，可用于压气机（风扇）叶片叶根振动磨损研究及进行批量叶片振动疲劳试验[5]。对于单个叶片的高频、高阶振动试验，常规的电磁振动台激励频率和激振力都有局限性，而脉冲气流激振即旋笛式气激试验器是1种有效的解决途径[6-7]。

本文通过建立旋笛式气激试验器进行叶片高频高阶激振试验，对气体激振的原理及可行性进行验证；研究叶片表面附着黏弹性阻尼涂层减振方案的有效性，以此提高叶片抗高周疲劳的能力。

1 旋笛试验系统的建立

单个叶片的高频气激试验需要连续的脉冲气体对叶片表面施加激励力，为此设计旋笛式气激试验器，如图1所示。其基本工作原理为：通过马达带动轴高速旋转，旋转盘周向均布圆孔，当其转动时，圆孔经过气嘴间歇地喷出高速气体，形成一定脉冲的高压高速气体，间断地打在叶片上，当激振气体的频率等于叶片的固有频率时，即发生共振。旋笛试验器旋转盘上的孔数与激振频率直接相关，且孔的面积与激振能量成正比。

图1 旋笛试验器

激振频率

式中:n为孔数；N为转速。

根据式（1），设计了30个孔的旋转盘（如图2所示），孔的总面积约为1908 mm2。

假设马达转速为10000 r/min，则激振频率最高至5000 Hz，激振频率控制精度为0.5 Hz。可设计不同孔数的盘，以满足激振频率及频率精度的需求。

以旋笛试验器为主体建立气激试验系统。在系统以气涡轮驱动，而没有选择电机驱动，是由于气涡轮可精确控制转速，在压力及流量稳定的情况下，转速即使达到5000 r/min，其控制精度仍达±1 r/min，从而实现激振频率的精确控制，对试验十分关键。同时试验系统还配备了稳压装置（减压阀），以保证管路中的压力恒定，方便观察激振压力并维持气马达转速稳定。试验系统原理如图3所示，系统组成如图4所示。

图2 旋转盘

图3 气涡轮驱动旋笛试验系统原理

图4 气涡轮驱动旋笛试验系统

2 模拟叶片气激振动试验

2.1 气嘴孔大小、激励位置及角度对激励效果的影响

（1）待供气后，将减压阀2打开调至0.5 MPa（激振气压），试验中分别选取6种口径的气嘴，气嘴距叶片距离均为8 mm（激振能量充分），其激振效果见表1。

表1 气嘴孔大小对激振效果的影响

表2 激励气压对激励效果的影响

（2）试验中选取6 mm口径气嘴，激励气压对激励效果的影响见表2。

（3）试验中对激励位置进行比较，发现激励叶尖、叶尖中部及改变气嘴方向与叶片夹角（越接近直角，激励效果越好）对激励效果影响不大。2.2 固有频率测试结果

试验中选取3种模拟直板叶片作为试验件，分别为模拟直板叶片Ⅰ(材料A3，叶身厚度为2 mm)、Ⅱ(材料A3，叶身厚度为1.5 mm)、Ⅲ(材料TC4，叶身厚度为2 mm)。在旋笛试验器上选择30个孔的旋转盘（激振频率为模拟叶片的1阶固有频率，是转速的2倍），激励气压为0.5 MPa，缓慢调节转速，可实现对模拟叶片的扫频激励，通过调节减压阀来控制压力及流量的恒定进而保证转速的稳定性，并利用转速表实时监测旋转轴的转速。

采用电涡流位移传感器在叶尖中部测量，经数采系统并利用B&K软件完成频谱分析，所测得的模拟叶片振动电压信号响应具有周期性特点。模拟直板叶片Ⅲ的时域、频域响应结果如图5所示。

图5 模拟直板叶片Ⅲ在气激作用下的时域频域响应

利用旋笛激振器扫频激振，测得3个模拟叶片的固有频率。同时，与振动台扫频激励测得的模拟叶片固有频率和用有限元法计算得到的结果进行了对比，表明试验结果具有合理性。3种叶片测频结果对比分别见表3～5。

表3 模拟叶片Ⅰ测频试验结果对比

表4 模拟叶片Ⅱ测频试验结果对比

表5 模拟叶片Ⅲ测频试验结果对比

以模拟叶片Ⅲ为例，其前3阶振型分别如图6～ 8所示。

由此可见，在固夹边界条件一致的情况下,与传统模态试验和振动特性试验相比，气体激振也能完成测频及振型的试验目的，只要激振频率稳定，叶片的振动疲劳试验也可以实现，而其在激振力方面优势明显。

3 阻尼减振有效性试验

图6 第1阶振型

图7 第2阶振型

图8 第3阶振型

在模拟叶片Ⅱ、Ⅲ的单面和双面分别附着阻尼涂层，在旋笛试验器上进行减振性对比试验。

阻尼层的厚度分别取0.10、0.05 mm，由阻尼材料和隔离纸组成。对于模拟叶片Ⅱ、Ⅲ，分别测得在单面和双面附着阻尼层时第1阶弯曲振动的位移响应。所测数据见表6。

表6 模拟叶片附着阻尼涂层的测试结果

试验结果表明：对于模拟叶片Ⅱ，涂层厚度为0.10 mm时，一面贴阻尼的振幅比无阻尼的减小93.6%；涂层厚度为0.05 mm时，一面贴阻尼的振幅比无阻尼的减小87.5%。对于模拟叶片Ⅲ，涂层厚度为0.10 mm时，一面贴阻尼的振幅比无阻尼的减小97.1%；涂层厚度0.05 mm时，一面贴阻尼的振幅比无阻尼的减小96.8%。对于直板叶片，0.10 mm的阻尼可以明显抑制振动，单面贴阻尼层已经能达到很好的效果。

表7 有无阻尼涂层模态阻尼对比

以模拟叶片Ⅲ为例，选用涂层厚度为0.05 mm的阻尼，阻尼处理前后模态频率和模态阻尼的对比见表7。

从表7中可见，添加阻尼涂层后，模态阻尼增大，尤其是对于2阶频率，模态阻尼显著增大，其减振效果明显。

4 结论

（1）旋笛式气体脉冲激振试验器可以有效激振模拟叶片。通过控制激振气压来调节振幅，改变激振频率可以测定试验件的固有频率且具备测量振动疲劳强度极限的能力。

（2）用气体激振测得频率结果接近于振动台试验结果。其误差产生的原因是采用气涡轮驱动负载时还需要稳压罐及精确的流量控制，以保证气涡轮的稳态转速输出。在高转速下配以一定孔的旋转盘，可实现激励更高阶的振动。在激振气压足够大时，比振动台具有更大优势。

（3）在模拟叶片上附着黏弹性阻尼涂层的振动试验表明：阻尼涂层的振动抑制效果明显，但其抵抗发动机流道内恶劣环境的能力有待提高。

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Study on Validity of Air-Excited Vibration and Coating Vibration Damping of Simulation Blade

NING Zhi-yi1,DU Shao-hui1,HAN Qing-kai2,WANG Hong-bin1
（1.AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China; 2.School of Machine,Dalian University of Technology,Dalian Liaoning 116024,China）

Aiming at the experimental verification of the validity ofhigh order vibration and coat vibration damping of aeroengine blade,the air-excited vibration test were studied on single non-rotationally blade by constructing a siren-type high frequency air-excited vibration test rig.The vibration response comparison test with and without damping blade were finished in high frequency air-excited vibration.The results show that air-excited vibration can make the blade in high stress state,damping coat is an effective mean of suppressing vibration response,the results of air-excited vibration are in good agreement with ANSYS calculation and the test results,the air-excited vibration not only complete the test of vibration characteristic,but also control exciting force by adjusting the air pressure and flow to control the amplitude of the vibration and achieve fatigue test.

blade;high frequency vibration;high order vibration;damping coating;air-excited vibration;damping vibration suppression;aeroengine