某发动机转子叶片应力分布试验研究

刘涛　范秀杰　经留洋

摘 要：针对某航空发动机高压压气机第5级转子叶片，利用敲击法得出前三阶固有频率；通过叶片应力分布试验，找出最大应力点位置，为叶片采取排故措施或安全监测提供重要数据。

关键词：叶片；固有频率；应力分布

1 概述

发动机故障中大部分属于叶片振动故障，由于叶片振动引起断裂故障的影响因素很多，目前还很难用理论的方法准确地计算或进行预测[1]。所以，对叶片振动特性的确定，必须建立在可靠的试验基础上。

某高压压气机第5级转子叶片选用TA19制造。该合金在国外商用发动机已得到成熟而广泛的应用，但在国内首次作为转动件用材料使用，对于技术标准的应用和TA19转子叶片的制造工艺缺乏经验积累。由于前期未开展充分的工艺研究工作，叶片在腐蚀检查时发现锻造过程中产生的剪切带组织，为研究这些剪切带是否对叶片性能产生影响，急需开展相关振动特性测试工作，为后续处理类似问题提供数据支持。

2 试验技术要求

（1）试验温度为室温；（2）试验时叶片保持刚性固定；（3）频率测量精度不低于1Hz。

3 叶片固有频率测试

3.1 试验测试系统

固有频率测试试验采用敲击法[2]，测试系统示意图如图1所示。

3.2 叶片固有频率测试试验

通过锤击法，经过传递函数分析完成叶片1～3阶固有频率测试。测试结果见表1。

4 叶片应力分布试验

在一阶弯曲频率下测量叶片表面的应力分布，确定应力最大区域。

4.1 应变片粘贴

在叶片的同一截面内，应变片贴在振动应力较大的地方，即叶盆的进、排气边缘，叶背的中部。

应变片的方向沿着叶片长度方向粘贴，其密度程度视叶片振动应力急剧变化的程度而定，应力变化急剧时，应变片粘贴密集些，以便判断叶片的振型及绘制应力曲线分布图。应变片是传递试件的微小变形的敏感元件，因此其粘贴工作，是整个试验中最重要环节，应变片处理的好坏直接影响测试结果。在应变片粘贴前，需要对叶片的贴片部位进行打磨，用酒精、丙酮擦拭，以保持粘贴部位的清洁。粘贴好的应变片应有一定的粘结强度，才能准确传递叶片的变形，还应有一定的绝缘强度，才能进行电阻的正确测量。本试验应变片粘贴位置示意图见图2。

粘贴好的应变片，经固化和稳定处理后，应测量应变片电阻和绝缘，以检查贴片过程中敏感栅和引线是否损坏，引线与叶片之间是否绝缘。

4.2 应力分布测试结果

将贴好应变片的叶片分别安装到电磁振动台上，调整振动台的激振力大小，使之达到一弯共振状态，记录数据。应力分布试验数据见表2，应力沿叶高分布曲线见图3。

4.3 叶片应力-幅值标定试验

标定试验为随机抽取三件叶片，在叶盆和叶背分别粘贴应变片[3]。在一弯共振频率下，调整振动台的激振力，读取不同激振力下叶尖的振动幅值和应力值，利用最小二乘法进行直线拟合，经计算确定幅值与应力的对应关系。经过反复贴片对比，三件叶片的最大应力点均在叶背根部。

5 结束语

研究叶片振动，因此通常将重点放在一阶弯曲振动上。从整个试验研究过程可以得出以下结论：（1）从叶片应力分布曲线可以看

出，一阶弯曲振动应力从叶根到叶尖呈从大到小的趋势，而且叶背的应力明显大于叶盆进、排气边的应力。（2）由应力-幅值标定试验可看出，最大应力点在叶背根部。（3）整个试验过程中，应变片工作正常，应力分布结果符合规律。

参考文献

[1]佟刚，喬永利.航空发动机涡轮转子叶片-盘耦合共振特性分析[J].沈阳航空工业学院学报，2010（5）：6-7.

[2]宋兆泓，李其汉.发动机强度振动测试技术[M].北京：国防工业出版社，1981.

[3]张如一，沈观林，李朝弟.应变电测与传感器[M].北京：清华大学出版社，1999.

作者简介：刘涛（1979-），女，辽宁省锦州市人，工程师，就职于沈阳黎明公司技术中心，主要从事航空发动机零部件的强度分析、

振动特性及疲劳考核试验研究等工作。