郭小鵬，沙云東，何俊杰，王德友

(1.沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所 第十三研究室，沈陽(yáng)110015； 2.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空航天工程學(xué)部(院)，沈陽(yáng)110136)

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航空宇航工程

噪聲環(huán)境下壓氣機(jī)葉片斷裂故障試驗(yàn)

郭小鵬1，沙云東2，何俊杰1，王德友1

(1.沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所 第十三研究室，沈陽(yáng)110015； 2.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空航天工程學(xué)部(院)，沈陽(yáng)110136)

針對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子葉片斷裂故障，開展了發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)專項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證工作，并在試驗(yàn)中進(jìn)行了壓氣機(jī)內(nèi)部噪聲測(cè)試。通過分析轉(zhuǎn)子葉片振動(dòng)大時(shí)噪聲信號(hào)的頻譜和特征頻率的變化過程，得出高壓轉(zhuǎn)子葉片在故障時(shí)的振動(dòng)為非同步振動(dòng)的初步結(jié)論，并且特征頻率的聲源傳播方向是由壓氣機(jī)后部向前傳播，該結(jié)論對(duì)轉(zhuǎn)子葉片斷裂故障的分析討論提供了有重要價(jià)值的參考依據(jù)。

壓氣機(jī)葉片；噪聲測(cè)試；非同步式振動(dòng)；非定常流動(dòng)；聲共振

針對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片斷裂故障，開展了整機(jī)和部件試驗(yàn)條件下葉片振動(dòng)、流場(chǎng)、脈動(dòng)壓力和噪聲的同步測(cè)試，其目的是探索葉片振動(dòng)、流場(chǎng)和噪聲三者的相互作用機(jī)制，闡明葉片振動(dòng)的故障機(jī)理。經(jīng)過前期的測(cè)試和分析，發(fā)現(xiàn)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片存在非同步式振動(dòng)(NSV)。其特點(diǎn)是它與轉(zhuǎn)子葉片轉(zhuǎn)速呈非同步式，即轉(zhuǎn)子葉片的振動(dòng)是以軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的非整數(shù)倍進(jìn)行的，并且出現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，與典型的共振無(wú)關(guān)，是氣動(dòng)彈性現(xiàn)象的一種獨(dú)特形式。所以一般來(lái)講，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)諧波與葉片特征頻率一致時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生較大振幅，如果再疊加由聲波激起的共振應(yīng)力，就會(huì)導(dǎo)致裂紋甚至折斷[1-2]。由于氣流誘導(dǎo)振動(dòng)是由作用在結(jié)構(gòu)上的不穩(wěn)定氣動(dòng)載荷和結(jié)構(gòu)本身的相互作用而引起,此時(shí)，葉片正處于被由非均勻壓力區(qū)引發(fā)的非定常氣動(dòng)力激勵(lì)的狀態(tài)，這個(gè)壓力區(qū)是由上游靜葉的尾跡、下游靜葉或者更多的非對(duì)稱氣流環(huán)境的潛在影響造成的。非同步式振動(dòng)特征的發(fā)現(xiàn)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片斷裂故障的排故攻關(guān)具有重要意義。

1 非同步振動(dòng)物理模型

非同步振動(dòng)(NSV)是現(xiàn)代渦輪機(jī)械中遭遇的氣動(dòng)彈性現(xiàn)象的一種形式。其特點(diǎn)是它與轉(zhuǎn)子葉片轉(zhuǎn)速呈非同步式，轉(zhuǎn)子葉片的振動(dòng)是以軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的非整數(shù)倍進(jìn)行的，并且出現(xiàn)在工作狀態(tài)，與典型的共振無(wú)關(guān)。國(guó)內(nèi)對(duì)于“氣動(dòng)-結(jié)構(gòu)-聲”耦合導(dǎo)致葉片振動(dòng)問題的研究還處于起步階段，通過對(duì)2010～2014年開展的某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)聲激振實(shí)驗(yàn)與分析我們對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片振動(dòng)大導(dǎo)致斷裂故障有了更加深入的研究。國(guó)內(nèi)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)曾發(fā)生高壓壓氣機(jī)第1級(jí)轉(zhuǎn)子葉片斷裂故障，初步判斷為葉片1階彎曲振動(dòng)應(yīng)力過大所致。在摸清故障機(jī)理、排除故障的過程中，綜合分析葉片振動(dòng)、壓力脈動(dòng)和噪聲的測(cè)試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)其故障機(jī)理與壓氣機(jī)聲共振現(xiàn)象十分類似，振動(dòng)為非同步式振動(dòng)特征[3-9]。文獻(xiàn)1對(duì)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)行了聲激振試驗(yàn)研究，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)諧波與葉片特征頻率一致時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生較大振幅，如果再疊加由聲波激起的共振應(yīng)力，就會(huì)導(dǎo)致裂紋甚至折斷。隨著現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，以及壓氣機(jī)高壓比和高效率的設(shè)計(jì)要求，壓氣機(jī)葉片經(jīng)常工作在高負(fù)荷狀態(tài)下，加之受氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、聲學(xué)載荷的共同作用，壓氣機(jī)葉片經(jīng)常出現(xiàn)振動(dòng)過大、甚至疲勞斷裂等故障。壓氣機(jī)葉片斷裂故障是由氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、聲學(xué)共同作用的結(jié)果，因此研究壓氣機(jī)葉片振動(dòng)大時(shí)應(yīng)力和噪聲頻譜變化特征對(duì)壓氣機(jī)葉片斷裂故障的排故攻關(guān)具有重要意義。國(guó)外一些學(xué)者對(duì)非同步振動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究，其中Owczarek提出，葉片振動(dòng)是由相鄰葉柵的反射波產(chǎn)生的力造成的[10-13]。這個(gè)理論后來(lái)被詳細(xì)闡述，最近Helmich和Seume發(fā)現(xiàn)了高速軸流壓氣機(jī)中涵道聲共振的證據(jù)[14]。最近，Thomassin等人提出了一種新穎的理論，用來(lái)解釋本質(zhì)上耦合了葉尖間隙氣流和聲波現(xiàn)象的NSV機(jī)理[15]。當(dāng)壓氣機(jī)級(jí)的氣動(dòng)載荷較高時(shí)，葉尖區(qū)域的再循環(huán)區(qū)情況如圖1a所示。

圖1 Thomassin等人得出的NSV物理模型

圖1b中實(shí)線表示的是圍繞葉片后緣發(fā)展的葉尖間隙回流平均流量路徑，該路徑最終到達(dá)相鄰葉尖的下方，虛線表示的是通過下一個(gè)葉尖間隙泄漏的葉尖間隙流量。圖1c和圖1d示出了通過切割圖1b得到的2D軸平面。Thomassin等人用來(lái)研究NSV的一種新的方法就是利用圖1d中的反饋波，這種反饋波將葉尖間隙氣流帶到共振狀態(tài)，產(chǎn)生足夠高的不穩(wěn)定壓力，這能夠解釋為什么在NSV期間會(huì)出現(xiàn)高的振動(dòng)級(jí)。這樣，反饋波被壓縮，并沿正切方向、以當(dāng)?shù)芈曀贉p去平均旋渦結(jié)構(gòu)對(duì)流速度的速度差(c-UF)向上游傳播。Thomassin等人已經(jīng)確定了NSV的共振狀態(tài)，它發(fā)生在反饋波長(zhǎng)等于葉片間距離，或柵距s時(shí)。聲反饋的傳播速度是當(dāng)?shù)芈曀賑與葉尖不穩(wěn)定對(duì)流速度UF之間的差值。當(dāng)滿足(c-UF)=2sfb條件時(shí)，反饋速度等于來(lái)自于葉片振動(dòng)的聲的傳播速度時(shí)發(fā)生共振，fb為葉片固有振動(dòng)頻率。聲波在發(fā)動(dòng)機(jī)兩個(gè)整階數(shù)頻率穿越時(shí)會(huì)產(chǎn)生反饋波，使得葉尖間隙流動(dòng)的剪切層漩渦結(jié)構(gòu)產(chǎn)生同步于葉片自然頻率，此時(shí)自保持的NSV將自鎖。

2 壓氣機(jī)內(nèi)部噪聲測(cè)量分析

2.1 測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)點(diǎn)位置

測(cè)試采用聲波導(dǎo)管噪聲測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由聲探頭、聲波導(dǎo)管、傳聲器、信號(hào)放大器、數(shù)據(jù)采集器和信號(hào)記錄分析系統(tǒng)等組成。噪聲測(cè)試系統(tǒng)框圖和測(cè)點(diǎn)位置如圖2、 圖3所示。

壓氣機(jī)部件試驗(yàn)選取了4個(gè)測(cè)量位置，分別在高壓0級(jí)靜子槽道(測(cè)點(diǎn)1)、I級(jí)轉(zhuǎn)子葉片前(測(cè)點(diǎn)2)，I級(jí)轉(zhuǎn)子葉片光纖測(cè)試孔(測(cè)點(diǎn)3)、I級(jí)靜子槽道處(測(cè)點(diǎn)4)布置傳感器測(cè)量其聲壓信號(hào)，同時(shí)記錄高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N2。通過測(cè)試壓氣機(jī)內(nèi)部噪聲得到內(nèi)部噪聲總聲壓級(jí)及高壓一級(jí)葉片振動(dòng)最大時(shí)對(duì)應(yīng)的噪聲聲壓級(jí)；通過測(cè)量壓氣機(jī)軸向不同位置處的噪聲信號(hào)，分析聲波軸向的相位關(guān)系，并用于判斷其對(duì)轉(zhuǎn)子葉片振動(dòng)的影響。

圖2 噪聲測(cè)試系統(tǒng)框圖

圖3 部件試驗(yàn)噪聲測(cè)試位置

2.2 葉片振動(dòng)應(yīng)力分析

在上推油門桿過程中，當(dāng)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速在9 726 r/min～10 105 r/min時(shí)第1 級(jí)轉(zhuǎn)子葉片的1 階彎曲振動(dòng)逐漸加劇，各葉片振動(dòng)逐漸“鎖定”為1 階彎曲振動(dòng)，頻率趨于一致。如圖4 所示。動(dòng)應(yīng)力明顯增大，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到9 941 r/min左右時(shí)，振動(dòng)應(yīng)力最大，如圖5 所示。油門桿下拉過程中壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速在10 178 r/min～9 583 r/min，各葉片振動(dòng)逐漸“鎖定”為1 階彎曲振動(dòng)，頻率趨于一致。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到9 995 r/min時(shí)，振動(dòng)應(yīng)力最大，且葉片間的相位差趨于相對(duì)不變，如圖6所示，呈現(xiàn)出“鎖頻鎖相”的階躍性振動(dòng)特點(diǎn)，其中葉片1彎振動(dòng)轉(zhuǎn)速段較寬，與轉(zhuǎn)速成非整階次4.4k～4.6k關(guān)系(k為軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率基頻)。圖7給出了國(guó)外真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片應(yīng)變片在NSV下的響應(yīng)，發(fā)動(dòng)機(jī)在慢減速過程中正好在第6階數(shù)頻率穿越時(shí)NSV進(jìn)行了自鎖。

圖4 各葉片振動(dòng)主頻與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

圖5 各葉片應(yīng)力與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

圖6 各葉片振動(dòng)的相位差與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)慢減速時(shí)的非同步式振動(dòng)

2.3 壓氣機(jī)內(nèi)部噪聲特性分析

為了找到壓氣機(jī)葉片斷裂故障作用機(jī)理，我們進(jìn)行了大量試驗(yàn)。本文選取壓氣機(jī)某次試車高壓一級(jí)葉片振動(dòng)大時(shí)噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片頂端噪聲三維頻譜見圖8 ，各測(cè)點(diǎn)噪聲頻譜曲線如圖9所示。

圖8 一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片頂端噪聲三維譜陣圖

試驗(yàn)過程中當(dāng)改變IGV和靜子葉片的角度時(shí)，葉片振動(dòng)應(yīng)力增大，同時(shí)該共振頻率逐漸“鎖定”為1 階彎曲振動(dòng)頻率，與轉(zhuǎn)速成非整階次4.4k～4.6k關(guān)系。分析一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片頂端噪聲三維頻譜圖可以發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子葉片在共振轉(zhuǎn)速段內(nèi)出現(xiàn)1 400 Hz～1 500 Hz聲頻譜峰，該聲頻譜峰頻率在一定轉(zhuǎn)速段內(nèi)也表現(xiàn)出“鎖頻鎖相”的振動(dòng)特性(聲頻主峰約為8.6k)，當(dāng)轉(zhuǎn)子葉片退出共振轉(zhuǎn)速，葉片振動(dòng)應(yīng)力變小時(shí)聲頻特征頻率消失，同時(shí)在低頻411 Hz和550 Hz附近出現(xiàn)聲壓峰值，當(dāng)“鎖頻鎖相”振動(dòng)特性發(fā)生時(shí)，葉片振幅、應(yīng)力和噪聲聲壓級(jí)均很大，此時(shí)噪聲總聲壓級(jí)約為147 dB。隨壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速的增大或減小，壓氣機(jī)葉尖間隙流動(dòng)的剪切層漩渦結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的渦旋脫落頻率將涵蓋一定范圍，并將激發(fā)該范圍內(nèi)的聲模態(tài)，壓氣機(jī)內(nèi)部壓力脈動(dòng)大幅度增加；同時(shí)由于渦聲干涉所具有的鎖頻特性，渦流頻率將“自動(dòng)跟蹤”不同的聲模態(tài)，在聲信號(hào)頻率中產(chǎn)生階躍變化。當(dāng)壓力脈動(dòng)頻率與葉片振動(dòng)的固有頻率一致時(shí)，將產(chǎn)生較大的葉片應(yīng)力，甚至產(chǎn)生應(yīng)力破壞。通過以上所述，某型壓氣機(jī)的故障特點(diǎn)與Thomassin研究過的非同步式振動(dòng)(NSV)現(xiàn)象具有很強(qiáng)的相似性。

通過分析各測(cè)點(diǎn)噪聲頻譜可以得出：

(1)高壓一級(jí)葉片振動(dòng)大時(shí)，同步出現(xiàn)噪聲特征頻譜峰線頻率為1 411 Hz，測(cè)點(diǎn)2噪聲頻譜圖中有非常明顯的轉(zhuǎn)速基頻、2倍頻和3倍頻。

(2)特征頻率是軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的非整數(shù)倍,約8.6k(k為軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率基頻)。

(3)測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2特征頻率下的聲壓級(jí)為同一量級(jí)，測(cè)點(diǎn)3和測(cè)點(diǎn)4特征頻率下的聲壓級(jí)為同一量級(jí),但前兩者小于后兩者，相差約25 dB。

2.4 葉片振動(dòng)大時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)各調(diào)整狀態(tài)、關(guān)角度下的噪聲特征

為了得到部件試車中高壓壓氣機(jī)一級(jí)葉片振動(dòng)大時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)不同調(diào)整狀態(tài)的噪聲總聲壓級(jí)和特征頻率聲壓級(jí)的變化規(guī)律，采取列表方式對(duì)各次所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如表1所示。(IGV:進(jìn)氣導(dǎo)向葉片,α2：高壓壓氣機(jī)0級(jí)導(dǎo)向葉片角度)

由表1可看到兩個(gè)變化規(guī)律，(1)調(diào)整高壓壓氣機(jī)0級(jí)導(dǎo)向葉片到偏關(guān)2°后，相應(yīng)測(cè)點(diǎn)特征頻率聲壓級(jí)降低約4 dB，總聲壓級(jí)變化不大；(2)α2角度的變化導(dǎo)致了葉片振動(dòng)頻率的變化，關(guān)角度振動(dòng)頻率增高。

2.5 壓氣機(jī)內(nèi)部噪聲測(cè)試相位分析

通過測(cè)量壓氣機(jī)軸向不同位置處的噪聲，分析聲波沿軸向的相位關(guān)系，判斷聲波的相位關(guān)系對(duì)轉(zhuǎn)子葉片振動(dòng)的影響。在N2轉(zhuǎn)速為10 073 r/min～10 494 r/min范圍內(nèi)，高壓一級(jí)葉片出現(xiàn)振動(dòng)大的情況。為探討聲場(chǎng)傳播特性，以1 481 Hz特征峰值為例，做各測(cè)點(diǎn)間的相位分析。

圖9 轉(zhuǎn)速9 900 r/min時(shí)各測(cè)點(diǎn)噪聲頻譜曲線

調(diào)整狀態(tài)轉(zhuǎn)速/(r·min-1)傳感器位置特征頻率/Hz特征頻率/dB噪聲總聲壓/dBIGV初始α2初始N2:測(cè)點(diǎn)11411106.3121.59900測(cè)點(diǎn)21411106.8114.4測(cè)點(diǎn)31411131.1145測(cè)點(diǎn)41411133.1143.7IGV初始α2關(guān)2°10260測(cè)點(diǎn)11481102.5126.7測(cè)點(diǎn)21481108114.6測(cè)點(diǎn)31481127.2145.7測(cè)點(diǎn)41481129143.5

圖10 測(cè)點(diǎn)1與測(cè)點(diǎn)2的互譜

圖11 測(cè)點(diǎn)1與測(cè)點(diǎn)3的互譜

圖12 測(cè)點(diǎn)1與測(cè)點(diǎn)4的互譜

通過以上各測(cè)點(diǎn)間的相位計(jì)算與分析發(fā)現(xiàn)：葉片振動(dòng)大時(shí)對(duì)應(yīng)的特征頻率信號(hào)在4個(gè)截面測(cè)點(diǎn)處為同一聲波，所選取的1、2、3和4截面特征頻率信號(hào)的相位關(guān)系為依次滯后。 從特征頻率聲信號(hào)的聲壓級(jí)幅值來(lái)看，1、2截面聲壓級(jí)低，3、4截面聲壓級(jí)高，高出約25 dB以上，其中以4截面最高，經(jīng)分析該特征頻率信號(hào)應(yīng)起源于截面4(高壓I級(jí)靜子)后，包括該截面本身。

3 結(jié)論

(1)轉(zhuǎn)子葉片振動(dòng)大時(shí)對(duì)應(yīng)的噪聲特征信號(hào)，經(jīng)分析認(rèn)為它符合由氣流旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性或稱為聲共振的信號(hào)特征，這類激勵(lì)可能造成葉片的非同步振動(dòng)。

(2) 葉片振動(dòng)大時(shí)對(duì)應(yīng)的特征頻率信號(hào)在4個(gè)截面測(cè)點(diǎn)處為同一聲波，相位關(guān)系為依次滯后，經(jīng)分析該特征頻率信號(hào)應(yīng)起源于截面4后，包括該截面本身。

(3)調(diào)整高壓壓氣機(jī)0級(jí)導(dǎo)向葉片振動(dòng)頻率變化，關(guān)角度2度振動(dòng)頻率增高，相應(yīng)測(cè)點(diǎn)特征頻率聲壓級(jí)降低約4 dB，總聲壓級(jí)變化不大。

4 后續(xù)工作及建議

(1)針對(duì)葉片非同步振動(dòng)機(jī)理分析，特別是聲共振機(jī)理分析，需進(jìn)一步開展發(fā)動(dòng)機(jī)軸向、周向相關(guān)位置處的噪聲測(cè)量和數(shù)據(jù)分析工作。研究聲傳播特點(diǎn)、頻率特性和相位信息，完善發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)內(nèi)部聲共振測(cè)量方法、分析方法和數(shù)據(jù)處理方法。

(2)進(jìn)一步開展葉片非整階振動(dòng)、非定常流動(dòng)(局部區(qū)域分離，流場(chǎng)堵塞，導(dǎo)致葉片尖部流動(dòng)不穩(wěn)定 )和聲場(chǎng)的作用和影響機(jī)制的數(shù)值分析和試驗(yàn)研究。

(3)根據(jù)故障再現(xiàn)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，開展葉片、盤、各葉片之間的頻率特性、相位特征、鎖頻、鎖相現(xiàn)象的研究，以建立發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片故障的分析方法和判別依據(jù)。

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(責(zé)任編輯：宋麗萍 英文審校：王云雁)

Experiment of the fracture of compressor-blade in noisy environment

GUO Xiao-peng1，SHA Yun-dong2，HE Jun-jie1，WANG De-you1

(1.The 13thResearch Dept.,Shengyang Aeroengine Research Institute,Shenyang 110015,China;2.Faculty of Aerospace Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China)

Regarding a high-pressure rotor blades failure of the engine,we carried out particular experimental verification and tested the internal noise of engine compressor.By analyzing the change of noise signals spectrum and the characteristic frequency of rotor blades with violent vibration,it is concluded that high-pressure rotor blades vibrate non-synchronously during breakdown,and that the sound source with characteristic frequency propagates from the rear of the compressor to the front.The conclusions of the analysis provide valuable reference to the study of the rotor blades′ breakage.

compressor blade;acoustic measurement;non-synchronous vibrations;unsteady blade forcing;acoustic resonance

2095-1248(2015)06-0028-06

2014-12-03

國(guó)家重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目資助(項(xiàng)目編號(hào)：×××××)

郭小鵬(1982-)男，河北淶水人，工程師，主要研究方向:航空發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度、振動(dòng)及噪聲,E-mail:guoxiaopeng312@163.com。

V232.4

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2015.06.002