基于激光多普勒测振的叶片振动特性试验

2022-03-11王洪斌杜传宇

航空发动机 2022年1期

张琦，王洪斌，姜睿，杜传宇

（中国航发沈阳发动机研究所，沈阳 110015）

0 引言

叶片是航空发动机的重要零部件之一，其工作环境极其恶劣，叶片断裂导致发动机出现的重大事故时有发生。为保证叶片工作时的安全性与可靠性，需要对叶片的振动特性进行分析，以有效预测叶片在工作状态下的潜在共振点，从而采取措施使叶片避开危险工作状态。传统的振动特性试验方法主要有共振法和模态法。共振法的缺点在于受振动台激振频率限制，无法获得5 kHz 以上的振动特性结果，且其测量应力分布的方法为应变电测法，采用该方法只能获得叶片典型位置的应变值而无法获得全场应变；模态法的缺点在于叶片表面传感器附加质量对振动特性试验结果影响较大，且无法直接获得相对应力分布数据。

刘景云等将非接触式激光测振技术引入叶轮模态测试，测量出叶轮前5 阶固有频率和振型，并对叶片进行模态测试；杭超等借助扫描式激光多普勒测振仪，采用工作变形分析方法，分析出叶片的固有频率及振型，证明了工作变形分析结果的可靠性；P.Sriram 等人通过控制外部扫描镜的摆动实现了激光点在被测结构表面的扫描功能；非接触测量响应频带宽，测量精度高，动态响应快，可以有效消除传感器附加质量的影响，测量出叶片表面每个测点的瞬态响应、频率及振型，获得全场应力分布，在叶片振动特性研究方面取得了很好效果。

本文以某航空发动机压气机第2 级叶片为研究对象，采用3维全场扫描式激光测振仪，对该叶片前5阶固有频率和振型、前3 阶应力分布进行测量，并将测试结果与有限元分析和传统振动特性试验结果进行了对比验证。

1 测振原理与应用分析

激光多普勒测振技术基于光的多普勒频移效应，其原理是从运动物体反射回来的反射光频率与照射在物体上的光束频率之间有一定偏差，这种光波频率偏移带有运动物体本身的振动特性的现象称为光的多普勒频移。

为激光光源，为光电探测器，为运动粒子，光源发出的光束频率为，速度为，粒子的运动速度为，如图1 所示。假设光源和光电探测器是静止的。

图1 多普勒效应原理

光源发出频率为的光束照射在以速度运动的粒子上，根据相对论变化公式，粒子接收到光的频率变为

式中：为光源方向的单位向量。

由于≫·，式（1）近似为

光照在粒子表面发生漫散射，粒子本身等同于另外1 个光源向四周发射光。由于光电检测器是静止的，运动粒子与光电检测器产生了相对位移，等同于又发生1 次多普勒频移，所以光电检测器接收到粒子发出光的频率变为

式中：为粒子漫反射光方向上的单位向量。

光电检测器接收到粒子发出光的频率和光源频率之差的绝对值就是多普勒频移，记作，即

式中：为介质中的激光波长。

由于光源和光电探测器是静止的，光源、运动粒子和光电探测器三者的位置可以确定，光束和粒子的运动方向也已知，因此，根据光的多普勒频移原理就能求出粒子的运动速度。

激光频率高达10Hz，光电探测器无法直接测量，于是将激光多普勒技术和光学差拍技术相结合产生了多普勒参考光技术，通过将频率已知和频率未知的2 束光混频，通过差频信息获得光束的频率信息。激光多普勒测振原理如图2所示。

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图2 激光多普勒测振原理

光源发出频率为的激光光束经分光镜分成2 束光：一部分光透过分光镜照射到待测物体上，同时反射光经干涉产生正比于目标速度的多普勒频移信号Δ；另一部分光在反光镜表面反射作为参考光。频率为的参考光和频率为+ Δf的反射光经光电探测器信号处理系统得到频率为Δf- f拍频的电信号。利用控制器对激光多普勒测振仪的输出信号进行解码器处理，输出反应待测物速度和位移的模拟电压量，从而反映出被测目标的运动频率、运动振幅等振动特性信息。

2 测振系统构建与测试

航空发动机叶片结构复杂、模态阶次多、频率范围宽，为了测量出叶片振动时在3 维空间内的全部轴向信息，更全面了解叶片的模态信息，应用了3 维全场扫描式激光测振方法，激光测振方案如图3所示。

图3 激光测振方案

3 维连续扫描式激光测振仪是基于光的多普勒效应对振动物体进行测量的一种测振仪器，设备核心为3 台独立的高精度激光干涉仪。信号发生器发出正弦扫频信号驱动激振器工作，计算机控制3 路激光在扫描过程中始终照射目标的同一位置，在扫描同时由激光测振仪收集经目标散射回的激光，干涉产生正比与目标速度的多普勒频移信号，经高速A/D 变换后，通过模态分析软件将3 个激光多普勒测振仪在激光束方向上测得的振动数据直角变换后分解到3 个坐标方向，完成测量数据的处理和多区域扫描数据的拼接，进而拟合并输出3 维振型。测振系统可以实现扫描过程中叶片测点布置、激励信号产生、数据采集、模态分析等工作。通过3 维全场扫描式激光测振仪获取叶片的3 维形貌特征，有效地避免物体面内振动带来的影响，测量精度高，响应频带宽，可以用于航空发动机叶片3维振动模态测量上。

测振系统由3 台激光测振仪、信号发生器、功率放大器、连接箱和控制前段组成。本文采用PSV500激光测振仪的频率测量范围为100 kHz，测量点从1到255×255 个，最大扫描速度可达30 点/s。3 台激光测振仪通过近距三脚架固定，3路激光点垂直照射在叶片表面同一位置，连接箱与激光测振仪和信号发生器相连。测振系统采用声波这种非接触激励，有效避免对叶片附加质量和附近刚度的影响。叶片通过夹具固定在试验台上，声激振器悬挂在正对叶片盆侧处。试验用3维连续扫描式激光测振系统如图4 所示。扫描式激光仪在叶片表面布置153个测点，如图5所示。

图4 3维连续扫描式激光测振系统

图5 叶片表面测点

测量叶片的固有频率时，信号发生器发出快速正弦扫频信号，激振器每施加1 次正弦激励，激光测振仪同时测量叶片1 个测点的瞬时速度响应。激光头按照扫描网格从下至上，从左至右逐点进行扫描，对每个测点采用3 次平均测量，直至153 个测点全部完成，整个扫描过程约5 min。通过模态分析软件将振动响应信号解算出振动频谱，测量出10 kHz 频率内的前10 阶固有模态，频响函数如图6 所示，叶片前5阶振型如图7 所示。该叶片前5 阶模态振型依次是1阶弯曲、1 阶扭转、2 阶弯曲、2 阶扭转以及3 阶弯曲，对应频率分别为457、1346、1954、3503、4584 Hz。

图6 叶片频响函数

图7 叶片前5阶阵型

为测量叶片在各阶振型下的相对应力分布，信号发生器分别施加与固有频率对应的定频正弦激励信号，测量模式采用Fast Scan 变换，对每个测点采用32次平均测量。设置带通滤波器参数，将固有频率范围外不需要的低频高频信号衰减掉。利用应力应变模块对测量数据进行后处理，分析出叶片的全场应力应变值，找出叶片应力最大点。叶片前3 阶模态振型下的应力分布如图8所示。

图8 叶片前3阶模态振型下的应力分布

3 试验结果验证

为了验证该新型叶片振动特性试验方法结果的正确性，将试验结果与有限元理论计算结果及采用传统的振动特性试验方法所得结果进行对比。

3.1 有限元分析

某型航空发动机增压级第2 级叶片采用TC4 合金，依据其设计数据在UG 环境建模，导入ANSYS 环境中，生成有限元模型，采用10 节点四面体单元对叶片有限元模型网格划分，共划分243780 个节点，148497 个单元，如图9 所示。定义载荷和边界条件，对榫头2个面施加全约束，如图10所示。

图9 叶片有限元网格

图10 榫头位移约束

图11 叶片前5阶振型

图12 叶片前3阶应力分布

3.2 传统试验结果

3.2.1 共振法试验结果

传统的振动特性试验方法有共振法和模态法。共振法测振系统如图13所示。

图13 共振法测振系统

共振法试验平台由操纵台、振动台、功率放大器、位移测试系统、信号发生器以及动态应变测试系统等组成。信号发生器输出的正弦扫频信号通过功率放大器驱动振动台上叶片振动，当振动台输出频率与叶片某阶固有频率一致时叶片会发生共振，该共振信号可以通过位移传感器捕捉。由于振动台测振频率最高不能超过4500 Hz，通过共振法测得叶片前4阶频率，分别为458、1343、1959、3508 Hz。振型通过砂型法得到，如图14 所示。

图14 叶片前4阶振型

结合有限元分析和激光非接触测试得到的叶片应力分布，在振动应力较大处粘贴应变片，粘贴位置如图15 所示，测到叶片相对应力值见表1。叶片前3阶最大应力点如图16所示。

图15 叶片应变片粘贴位置

图16 叶片前3阶最大应力点

表1 应变电测法测得叶片相对应力值

3.2.2 模态法试验结果

模态法测振系统如图17所示。

图17 模态法测振系统

模态法测振系统由力锤、压电加速度传感器、动态信号采集分析仪、模态分析软件组成。通过力锤内部的力传感器识别力锤敲击叶片产生的激励信号，通过压电式加速度传感器收集响应信号，再由模态分析软件对2 种信号进行计算分析，得到模态参数。通过模态法测得叶片前5 阶频率，分别为458、1348、1951、3496、4602 Hz。模态法振型结果与有限元方法大致相同，但无法获得叶片的应力分布结果。

3.3 结果对比验证

将非接触激光测振法与有限元分析和传统振动特性试验得到的频率、振型、应力分布依次进行对比。

3.3.1 频率对比

前5阶频率对比结果见表2。

表2 叶片前5阶频率对比 Hz

频率对比结果表明，采用非接触激光测振技术测得叶片频率与共振法测得叶片频率的误差在1%以内，接近叶片真实固有频率。采用共振法获得叶片的低阶频率准确有效，但振动台受频响能力限制，无法测得叶片4500 Hz 左右的3 弯频率。相比于共振法，非接触测量可以测得叶片10 kHz 以内的高阶模态，有效解决了共振法测振受频率限制的问题。而采用模态法测量时，由于叶片质量较轻，传感器的附加质量会对叶片本身的固有特性造成影响，接触式传感器放置在叶片的不同位置会得到不同的测试结果。因此对于小尺寸、轻质量的叶片，一般不采用模态法测量固有频率。有限元模型简化了一些对计算频率影响较小的因素，如倒角、涂层和非线性等，且计算结果受网格划分、边界条件等的影响，造成与试验结果产生误差。

3.3.2 振型对比

前5阶振型图对比如图18所示。从图中可见，有限元方法与非接触激光测试方法获得的振型结果大致相同。采用非接触激光测得的振型结果以3D动画形式展现，相比于采用共振法利用细砂观察共振节线更加直观。

图18 叶片前5阶振型图对比

3.3.3 应力分布对比

叶片前3 阶应力分布对比如图19 所示。从图中可见，采用非接触激光测振法获得的应力分布与采用其他方法获得的大致相同，可以从图中明显分析出最大应力区，找出应力最大点。采用共振法只能获得叶片典型位置的应变值，且试验中需粘贴应变片，试验时间相对较长；采用模态法无法获得叶片的应力分布。非接触激光测振法有效解决了传统振动特性试验无法获得全场应力的问题，为叶片疲劳性能测试、台架动应力测量等提供试验数据保障。