航空发动机风扇叶片振动应力分析

董妍　范秀杰　刘涛

摘 要：航空发动机是工业设计制造的集大成之作。 航空发动机需要在高温、高压的恶劣工况条件下工作，且航空发动机中的各零部件将承受巨大的作用力，以涡扇航空发动机中的转子叶片为例，由于风扇叶片的尺寸较大且处于航空发动机的最前沿，对于复杂工作环境的影响反应也越敏感，风扇叶片的损伤频次、故障率也是最高的，在航空发动机风扇叶片的设计过程中出于减振方面的考虑，在航空发动机风扇叶片的设计中多采用的是凸肩的设计，而这一设计将使得航空发动机风扇叶片在运动的过程中因凸肩之间的挤压和摩擦而使得风扇叶片的自振频率和应力分布产生较大的变化，为保障航空发动机风扇叶片的正常运作需要积极做好航空发动机风扇叶片的振动测试，测取航空发动机风扇叶片在实际工作中所承受的振动应力，为后续航空发动机风扇叶片的设计和制造提供有力的数据支撑。

关键词：航空发动机；风扇叶片；振动；测试

中图分类号：V232 文献标志码：A

0 前言

航空发动机风扇叶片在实际的运行过程中承受着复杂的工作应力，对航空发动机风扇叶片运行过程中的振动应力进行相应的测试对于后续航空发动机风扇叶片的设计验证和优化改进有着重要的意义。本文在分析航空发动机风扇叶片振动测试必要性的基础上以某型号航空发动机风扇叶片为例设计航空发动机风扇叶片振动应力地面试验方案，通过开展台架试验和装机地面试验用以对某型号的航空发动机风扇叶片的振动数据进行测量，从而开展航空发动机风扇叶片的振动应力分析，以此来保障航空发动机风扇叶片具有足够的结构强度。

1 航空发动机风扇叶片振动测试的重要意义

航空发动机风扇叶片振动应力测试是保障航空发動机风扇叶片具有足够结构强度的重要举措之一，通过对航空发动机风扇叶片实际运行中的振动应力进行测试测量能够有效地帮助航空发动机风扇叶片进行设计优化和试验验证。以涡扇航空发动机风扇叶片为例，航空发动机风扇叶片的尺寸较大且处于发动机进气的最前端，受到外部复杂环境的影响最大为保障航空发动机风扇叶片的使用寿命，需要积极做好航空发动机风扇叶片的振动测试以确保航空发动机风扇叶片具有足够的结构强度。航空发动机风扇叶片在设计中为了减振，在设计时多采用的是凸肩结构设计，带凸肩的航空发动机风扇叶片的振动应力将会受到叶片叶型、叶片材料、凸肩之间的挤压和摩擦等多种因素的影响，上述各种因素相互交叉共同作用于航空发动机风扇叶片，使得航空发动机风扇叶片的自振频率和应力分布极难预测和计算，航空发动机风扇叶片振动除了受上述因素的影响外，还受航空发动机风扇叶片工作时周边大气环境温度、航空发动机的安装状态等因素的影响，各种因素的影响使得航空发动机风扇叶片振动特性的计算与预测难度极大，为了了解和掌握航空发动机风扇叶片的振动特性，需要积极开展航空发动机整机测试，用以对航空发动机风扇叶片实际工作中的振动应力进行测试测量。相对于国外我国在航空发动机旋转件的载荷测量领域起步较晚，国外通过多年的研究与发展已经形成了较为系统完善的航空发动机风扇转子叶片振动应力测量方法与技术。我国对航空发动机风扇转子叶片的振动应力测量相对于国外起步较晚，应当积极加强对于航空发动机风扇转子叶片振动应力试验的研究与应用。本文以某型号航空发动机为例对航空发动机风扇转子叶片振动测试方案进行设计，用以对航空发动机风扇转子叶片在实际工作条件下的振动应力数据进行测试测量。

2 某型号航空发动机风扇转子叶片振动测试方案

在对航空发动机风扇转子叶片振动测试方案的设计上需要以航空发动机风扇转子叶片的静强度、振动模态仿真分析和疲劳试验数据为依据，在航空发动机风扇转子叶片上选定应力较为集中的区域作为应力测试点，使用应变计来对进行叶片振动频率、幅度的测量。在地面试验中主要分为台架和装机地面两大试验阶段。对于航空发动机风扇转子叶片的地面试验主要包括稳定状态试验和过渡状态试验两大方面的内容，为更好地反应航空发动机风扇转子叶片在各种航空发动机各种工作状态下的振动频率和振动幅度，应当从航空发动机的各个工作状态入手（最小、中间及最大状态）对航空发动机风扇转子叶片的振动特性进行测试：

（1）在航空发动机稳定状态下的地面试验，航空发动机按照规范进行正常启动用以测试航空发动机在各种状态下稳定工作时航空发动机风扇转子叶片的振动特性。航空发动机的稳定状态应当囊括地面慢车、空中慢车、最大连续和最大状态等多个典型的稳定工作状态，油门杆往返各两次用以对航空发动机风扇转子叶片在这一工作状态下的振动数据进行测量记录。

（2）过渡状态地面试验，这一状态下的测试中航空发动机在正常启动后由地面慢车稳定工作状态缓缓加大油门至最大状态，稳定工作后再匀速降低至地面慢车状态，多次重复上述动作并对航空发动机风扇转子叶片在这一过程中的振动数据进行测量和记录。

3 航空发动机风扇转子叶片振动测试中所受到的影响因素分析

依照上述航空发动机风扇转子叶片试验方案对航空发动机完成了发动机台架和地面装机试验。通过对分布于航空发动机风扇转子叶片上的10个应变测试点的信号进行采集和记录，通过对所测得的相关数据进行时域和频域分析，以及对比航空发动机风扇转子叶片在台架和装机试验数据中的振动应力极值、应力点的应力分布以及叶片上测试点的振动谱图，用以查找影响航空发动机安装状态对风扇转子叶片振动应力的影响。通过对航空发动机风扇转子叶片在台架和装机地面试验中各测试点振动应力的统计分析绘制出航空发动机风扇转子叶片上的最大应力分布，通过对比分析发现相对于台架在装机试验中航空发动机风扇转子叶片的振动应力增长较大。航空发动机风扇转子叶片在台架试验和装机地面中的最大应力分布如图1所示。

结语

为做好对于航空发动机风扇转子叶片的振动测试，通过对航空发动机风扇转子叶片在台架试验和装机地面试验中的振动应力测试数据进行分析后确定所设计的试验方案能够满足需求， 航空发动机风扇转子叶片在台架试验和装机地面试验中的应力分布具有相同的变化趋势和峰值转速。此外，发动机安装状态的变化对于叶片的振动应力变化有着较大的影响。

参考文献

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