进气畸变条件下压气机转子叶片的振动特性研究

2018-09-17李荣华雷沫枝

航空发动机 2018年5期

李荣华，雷沫枝，2，李昊

（1.中国航发湖南动力机械研究所，2.航空发动机振动技术航发科技重点实验室：湖南株洲412002）

0 引言

叶轮机械的气动设计通常在均匀边界条件下进行，即认为上游的气流参数是均匀的。然而，在实际应用中，叶轮机械必须在非均匀进气条件（即畸变进口流场）下工作。航空发动机压气机和涡轮均是如此，因为进气道和燃烧室出口的流场都是不均匀的。

叶轮机械的叶片在气流激励下极易发生振动问题，在航空发动机研制或适航取证试验中，叶片振动应力测试是必不可少的手段[1-5]。一些发动机型号研制规范明确提出振动和应力测量应在发动机最大进气畸变条件下进行；航空发动机适航取证振动试验也要求评估进气道进气流场畸变对发动机部件振动特性的影响[6-7]。

国内外开展了大量的进气畸变对发动机性能和强度影响的数值模拟技术研究[8-14]，但对其进行试验研究的较少。在地面试验中，模拟航空发动机进气畸变通常将设计孔板式、楔板式等结构形式的畸变发生器置于试验发动机前方[15-16]。

本文分别在自然进气和进气畸变条件（采用孔板式畸变发生器）下对某航空发动机压气机第1级工作叶片振动应力进行测试，分析进气畸变对发动机叶片振动特性的影响。

1 压气机进气畸变模拟

开发了典型进气畸变的模拟装置-孔板式畸变发生器（如图1所示），安装在进气机匣前端模拟发动机进气畸变条件，对压气机进口进气畸变谱进行研究。

畸变发生器的目标图谱和试验实测图谱如图2、3所示。从图中可见，在相同的截面流量下，畸变板试验图谱与目标图谱相似。

图1 畸变发生器

图2 畸变目标图谱

图3 畸变板试验图谱

周向总压畸变指数Cmax与径向总压畸变指数Rmax测量值与目标值的差别较小，在±0.002以内，见表1。

表1 进气畸变指数目标值与测量值

2 振动应力测点

航空发动机压气机转子叶片振动应力测量的目的主要是为了确定转子叶片在工作转速范围内的振动应力、振动频率以及共振转速等，以明确转子叶片在工作转速范围内的共振风险。对于叶片的不同共振模态，峰值应力点的位置不尽相同，往往需要选择多个测试位置，以全面监测叶片在各阶模态下的振动应力水平。峰值应力位置应力梯度一般较大，容易带来大的测试误差，这些位置几何形状变化一般也较为剧烈，因此测量动应力的应变计粘贴位置通常选在与峰值应力点有一定距离且应力梯度比较平缓的区域。但是，这些测试位置能否反映叶片的振动状态，即是否具有足够的振动敏感性需开展分析。

测点位置确定的流程为：叶片振动特性分析—叶片应力分布分析—叶片备选测点—备选测点敏感性分析—选定测点位置和方向。

2.1 叶片振动特性分析

通过有限元计算分析，获得叶片的振动特性，包括振动频率和振型。在100%工作转速工况下，叶片前9阶固有频率见表2。

表2 叶片振动频率分析结果

2.2 叶片备选测点

根据叶片各阶振动频率对应的应力分布，初步选择应力相对较大而应力梯度相对较为平缓的部位布置测点，每个测点可以兼顾几阶振动频率。针对低阶振动频率初步选择如图4中P点所示。

图4 备选测点在叶片上的位置

2.3 测点敏感度分析

对P点进行敏感度分析。

敏感度定义如下

式中：（σi）cs为i测点在贴片方向的应力；σEQV为当量应力；σ1为最大主应力；σ3为最小主应力。

敏感度表征的是叶片以某阶模态振动时，测点处测得的振动应力值占最大应力值的百分比。百分比越高说明测点对该阶模态振动越敏感，一般要求敏感度不低于30%。

图4中测点P平行于进气边方向，对模态振型的敏感度分析结果见表3。该测点对叶片第 1、3、6阶模态较敏感，因此选定测点 P 为第 1、3、6 阶模态的振动应力测点。

表3 测点敏感度分析结果

3 叶片共振图分析

共振图又称坎培尔（Campbell）图，是判断叶片、盘和转子工作时是否存在共振的1种常用工程图解法。对于叶盘的振动设计，共振图用于判断叶盘在工作时是否发生共振，以确定叶盘发生共振的频率、阶次，从而确定激振源和共振转速等。

P测点的共振响应分析如图5所示。图中横向延伸的线fn（n=1，2，，，9）为叶片第n阶固有频率线，即描述叶片的频率随工作状态变化的曲线；射线是发动机转速频率的整数倍，称为激振频率线。在共振图上，叶片的频率线与激振频率线的交点称为共振点。在共振点激振频率与叶片固有频率重合，叶片将发生共振。

图5 P测点的共振响应分析

激振源一般考虑低阶激振源以及叶片上游激振源，压气机第1级叶轮的激振源和激振倍频数见表4。

表4 激振源和激振倍频数

因P点对叶片第1、3、6阶模态敏感，在k=1～4，18的激振源激励下，P点可能测到的共振点如图5中的f1、f3、f6与射线的交点，交点对应的转速即叶片第1、3、6阶模态的共振转速。

4 压气机叶片振动应力测试

在叶片上P点沿平行进气边的方向粘贴应变计。应变测试系统由应变计、应变引线、滑环信号传输系统、应变测量仪、计算机组成，从车台转速测量仪接入转速信号至应变测量仪，转速信号与应变信号同步采集，用于获得应变-转速变化曲线。

4.1 自然进气条件下叶片振动响应

对振动应力测试结果进行分析可以得到共振转速、共振频率、共振应力幅值和激振阶次。动应力幅值随转速变化的曲线上应力峰值所对应的转速即共振转速。4倍频激振阶次曲线如图6所示。从图中可见，叶片在40%转速下出现振动应力峰值。

图6 4倍频激振振动应力-转速曲线

在自然进气条件下P点振动应力测试数据见表5，实测振动应力campbell共振如图7所示。P点在整个转速范围内测到3个明显的共振峰，共振转速为31.2%、40%、75%，振动频率为叶片的第 3、1、6阶固有频率。这3个共振峰分别由k=4、18的激振源激起。

表5 自然进气条件的动应力测试结果

测试结果与上节所述叶片共振图分析的共振转速和振动频率基本一致，只是未出现k=3的低阶激振源，激振源为压气机结构因素。压气机进气机匣支板数为4，零级导叶叶片数为18，形成k=4、18的激振源。

图7 自然进气条件下实测振动应力campbell共振

4.2 进气畸变条件下叶片振动响应

在进气畸变条件下振动应力测试数据见表6。共振转速分布在20%转速到90%转速区间内，振动频率为叶片的第1、3、5、6阶。实测振动应力campbell共振如图8所示。从图中可见，试验数据与测点敏感度分析结果基本吻合，测到的主要是第1、3、6阶模态振动。

由测试结果可见，叶片激振源非常丰富，存在转速倍频 k=3、4、6、7、8、9、13、14、15、16、17、18 激起的叶片共振响应。

表6 进气畸变条件的共振频率和共振应变幅值

与叶片共振图分析所考虑的激振源（k=1～4、18）和在自然进气条件实测激振源（k=4、18）相比，在进气畸变条件下出现了很多额外的转速整倍频振动激励，相应地引起叶片更丰富的共振响应。从表6中可见，与自然进气条件相比，在相同共振转速下产生的应力幅值更大，为自然进气条件振动应力幅值的1.3～2.7倍。叶片共振频率越低，进气畸变对振动幅值的影响越大。