賈丙輝， 馮 勇， 閆國棟， 張 杰

(1.南京工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 南京,211167) (2.長安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安，710064)

?

轉(zhuǎn)子裂紋對(duì)葉尖間隙動(dòng)態(tài)變化規(guī)律的影響*

賈丙輝1，2， 馮 勇1， 閆國棟1， 張 杰1

(1.南京工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 南京,211167) (2.長安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安，710064)

為指導(dǎo)葉尖間隙的動(dòng)態(tài)測(cè)量和主動(dòng)控制，建立了航空發(fā)動(dòng)起渦輪轉(zhuǎn)子縮減模型，在考慮轉(zhuǎn)子部件所受熱應(yīng)力、離心力基礎(chǔ)上，重點(diǎn)考慮了不同深度的裂紋發(fā)生在葉片和轉(zhuǎn)子盤不同位置時(shí)對(duì)葉尖間隙的影響。結(jié)果表明:葉尖間隙變化范圍隨裂紋深度變大而變大；保持裂紋深度與葉片寬度比為0.5，分別取裂紋距離葉尖0.005，0.025和0.04 m時(shí)，葉尖間隙變化范圍較正常工況下最大偏移量分別為0.11，0.38和0.9 mm；裂紋位于葉根時(shí)葉尖間隙的變化范圍較均勻應(yīng)力作用下葉尖間隙變化范圍明顯增大，且在發(fā)動(dòng)機(jī)加、減速過程中的葉尖軌跡呈現(xiàn)明顯不對(duì)稱現(xiàn)象。

葉尖間隙； 航空發(fā)動(dòng)機(jī)； 轉(zhuǎn)子裂紋； 動(dòng)態(tài)模型

引 言

葉尖間隙的動(dòng)態(tài)變化反映了轉(zhuǎn)子部件在不同負(fù)載下產(chǎn)生的位移或變形，是影響渦輪效率衰減的主要因素[1]。葉尖間隙微小的變化對(duì)整機(jī)性能有著至關(guān)重要的影響，為此，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)葉尖間隙的設(shè)計(jì)及對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響展開了廣泛的研究[2]。文獻(xiàn)[3]研究了葉頂吹氣對(duì)葉尖間隙密封性能的影響。Jonathan[4]研究了基于LPV的預(yù)測(cè)控制理論的主動(dòng)間隙控制方法。楊曉光等[5]改進(jìn)了一種預(yù)測(cè)渦輪葉尖間隙的縮減模型，用以模擬發(fā)動(dòng)機(jī)各工況下溫度、轉(zhuǎn)速和壓差對(duì)間隙的影響。費(fèi)成巍等[6]從概率的角度對(duì)葉尖徑向運(yùn)行間隙可靠性進(jìn)行了分析。賈丙輝等[7-8]以某航空燃?xì)廨啓C(jī)為對(duì)象研究建立了其渦輪部件縮減模型，并仿真分析了渦輪葉尖間隙在不同工況下的變化規(guī)律。這些研究從試驗(yàn)或數(shù)值分析的角度分析了葉尖間隙對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)性能的影響或溫度、轉(zhuǎn)速等均勻載荷作用下葉尖間隙的變化規(guī)律。然而，長期運(yùn)行的轉(zhuǎn)子，由于熱應(yīng)力、疲勞應(yīng)力及殘余應(yīng)力的作用，特別是在起停車或加載過程中，往往導(dǎo)致轉(zhuǎn)子裂紋的產(chǎn)生[9]。當(dāng)前，對(duì)轉(zhuǎn)子裂紋故障的診斷多采用傳統(tǒng)軸系振動(dòng)監(jiān)測(cè)的方法來實(shí)現(xiàn)[10],這種方法在一定程度上解決了裂紋故障診斷的部分問題，但其所得早期裂紋信息常常湮沒在噪聲中，無法得到充分利用。葉尖間隙的變化能直接反映轉(zhuǎn)子振動(dòng)的實(shí)際大小變化[11]，同時(shí)，避免了因轉(zhuǎn)子柔性而導(dǎo)致的非線性時(shí)變特征湮沒裂紋故障的本質(zhì)特征，通過檢測(cè)葉尖間隙的動(dòng)態(tài)變化是實(shí)現(xiàn)渦輪健康監(jiān)測(cè)有效的方法之一。

筆者在前期均勻載荷對(duì)葉尖間隙瞬態(tài)變化影響規(guī)律研究基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究發(fā)動(dòng)機(jī)起、停過程中不同位置、不同深度的裂紋對(duì)葉尖間隙變化的影響，建立了葉尖間隙變化的動(dòng)態(tài)模型，并從葉尖間隙動(dòng)態(tài)檢測(cè)及早期裂紋故障診斷角度展開討論。

1 葉尖間隙模型總體結(jié)構(gòu)

1.1 變化機(jī)理

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，均勻變化的載荷(離心力、熱應(yīng)力及內(nèi)壓力等)引起的固定或旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)均勻的徑向位移(應(yīng)變)導(dǎo)致葉尖間隙軸對(duì)稱性變化，不均勻載荷(如慣性、不平衡振動(dòng)等)往往引起非軸對(duì)稱性葉尖間隙變化。當(dāng)轉(zhuǎn)子裂紋故障發(fā)生時(shí)，在熱應(yīng)力、離心力等載荷作用下，裂紋的開合現(xiàn)象導(dǎo)致轉(zhuǎn)子產(chǎn)生與正常工作或其他不平衡振動(dòng)不同的振動(dòng)特性。

1.2 模型總體結(jié)構(gòu)

圖1所示葉尖間隙動(dòng)態(tài)變化綜合分析模型主要包括機(jī)匣、葉片及渦輪轉(zhuǎn)子三部分。主要考慮溫度對(duì)機(jī)匣內(nèi)徑、溫度變化和離心力作用對(duì)轉(zhuǎn)子盤及葉片的形變的影響。在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究不同大小裂紋發(fā)生在葉片及轉(zhuǎn)子盤不同位置時(shí)轉(zhuǎn)子的振動(dòng)及其對(duì)間隙變化的影響。綜合以上因素，得到葉尖間隙動(dòng)態(tài)模型表達(dá)

(1)

其中：d(t)，rshroud(t),rrotor(t),lblade(t),vvibration(t)分別為葉尖間隙、機(jī)匣內(nèi)徑、轉(zhuǎn)子盤外徑、葉片長度和轉(zhuǎn)子振動(dòng)幅值隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化量。

圖1 葉尖間隙的動(dòng)態(tài)變化綜合分析模型Fig.1 Dynamic model of tip clearance

2 葉尖間隙動(dòng)態(tài)變化模型

2.1 均勻載荷作用下間隙模型

根據(jù)均勻載荷作用下所產(chǎn)生的間隙變化現(xiàn)象建立如圖2所示的簡(jiǎn)化機(jī)匣和轉(zhuǎn)子盤模型[1,8]。機(jī)匣的內(nèi)層為起隔熱作用的耐溫易磨材料(石墨)，外層為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度支撐材料。內(nèi)徑與接近渦輪進(jìn)口溫度渦輪燃?xì)庀嘟佑|，機(jī)匣的外表面與壓氣機(jī)排放氣體相接觸。葉片暴露于高溫燃?xì)饬髦型瑫r(shí)受離心力和熱膨脹作用。將轉(zhuǎn)子模型中轉(zhuǎn)子盤和葉根作為一個(gè)整體分析，并將兩部分模型化為一個(gè)均勻厚度的圓盤，且只考慮離心力和溫度引起的形變。葉根只有上部分暴露在高溫核心流，假定熱膨脹由壓氣機(jī)排氣與轉(zhuǎn)子盤之間產(chǎn)生的熱交換決定，轉(zhuǎn)子盤的邊緣認(rèn)為是絕熱的且不與葉片熱交換，得到僅考慮熱應(yīng)力、離心力均勻載荷作用下的間隙變化模型

d0(t)=rshroud(t)-rrotor(t)-lblade(t)=(ra+us1)- (r0+ur1+ur2)-(L+ub1+ub2)

(2)

圖2 簡(jiǎn)化后的機(jī)匣及渦輪轉(zhuǎn)子盤模型Fig.2 Simplified model of casing and turbine rotor

其中：ra為機(jī)匣初始內(nèi)徑；us1為機(jī)匣在熱應(yīng)力作用下的形變；r0為轉(zhuǎn)子初始半徑；ur1為轉(zhuǎn)子盤在熱應(yīng)力下的形變；ur2為轉(zhuǎn)子盤在離心作用力下的形變；L為葉片的初始長度；ub1為葉片在熱應(yīng)力作用下的形變；ub2為葉片在離心力作用下的形變。

2.2 裂紋轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)模型

航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪支承多為深溝球或雙排滾棒軸承，具有較好的剛性。為此，筆者將轉(zhuǎn)子支承簡(jiǎn)化為剛性支承，建立如圖3所示Jeffcott轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。此外，考慮到軸承故障的時(shí)域波形往往表現(xiàn)為以軸承通過頻率為載波的周期性沖擊脈沖調(diào)制信號(hào)和大量背景噪聲的疊加，同時(shí)，特征信息常常被強(qiáng)大的背景信號(hào)所淹沒[12-13]，故研究中不考慮轉(zhuǎn)子軸承故障，只考慮不同大小裂紋位于葉片及轉(zhuǎn)子盤的不同位置時(shí)轉(zhuǎn)子振動(dòng)特性及其對(duì)間隙變化的影響。

圖3 Jeffcott轉(zhuǎn)子模型及其裂紋在葉片的位置Fig.3 Model of Jeffcott rotor and the location of crack on blade

圖3所示的Jeffcott簡(jiǎn)支剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模型運(yùn)動(dòng)微分方程為

(3)

對(duì)于裂紋發(fā)生在葉片上，如圖3(b)所示，筆者將發(fā)動(dòng)機(jī)葉片簡(jiǎn)化為帶裂紋和規(guī)則平板[14]，如圖4所示具有單邊裂紋的平板示意圖。

圖4 具有單邊裂紋的平板Fig.4 Plate containing edge crack

根據(jù)文獻(xiàn)[15],葉片上裂紋開口δb為

(4)

其中：a為裂紋深度；b為葉片寬度；σ(a)為平面在裂紋面位置處的正應(yīng)力；E為葉片的彈性模量。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[16]，V(a/b)為

(5)

根據(jù)文獻(xiàn)[14],平板在裂紋面位置處的正應(yīng)力σ(a)為

(6)

(7)

(8)

其中：φ為轉(zhuǎn)子角速度；β為角加速度；ρ為葉片密度；L1(t)為轉(zhuǎn)子幾何中心到葉片裂紋中心的直線距離隨時(shí)間變化的函數(shù)；L2(t)為裂紋中心到葉尖的距離隨時(shí)間變化的函數(shù)。

L1(t)=rrotor(t)+lblade(t)-L2=

(r0+ur1+ur2)+(L+ub1+ub2)-L2

(9)

葉片長度L較短，故在計(jì)算中忽略裂紋到葉尖段葉片在熱應(yīng)力和離心力作用下的應(yīng)變?yōu)?/p>

(10)

由式(4)所得應(yīng)力作用下裂紋開度，結(jié)合裂紋深度a及葉片厚度τ(見圖4)，可得裂紋在應(yīng)力作用下產(chǎn)生的近似質(zhì)量變化量為

(11)

其中：g為重力加速度；τ為葉片厚度。

葉片裂紋發(fā)生時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)x和y軸方向的作用力分別為

(12)

(13)

對(duì)于裂紋發(fā)生在葉片根部、輪盤和輪軸時(shí)，將圖3(a)所示Jeffcott簡(jiǎn)支剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)簡(jiǎn)化為厚度均勻的圓盤，如圖5所示。位于葉根或轉(zhuǎn)子盤邊緣的裂紋(圖5(a))主要由發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)轉(zhuǎn)子環(huán)向應(yīng)力決定

(14)

其中：rrotor(t)為轉(zhuǎn)子盤外徑隨時(shí)間變化的函數(shù)；σH為等厚盤裂紋所受環(huán)向作用力[16]。

圖5 裂紋在轉(zhuǎn)子盤上的示意圖Fig.5 The location of crack on disk and shaft of the rotor

(15)

其中：r=rrotor(t)；R=rrotor(t)+lblade(t)；ν為轉(zhuǎn)子盤材料泊松比；φ為轉(zhuǎn)子角速度；ρ為轉(zhuǎn)子材料密度。

(16)

由式(14)所得應(yīng)力作用下裂紋開度，結(jié)合裂紋深度a及轉(zhuǎn)子盤厚度τ，得裂紋在應(yīng)力作用下產(chǎn)生的近似質(zhì)量變化為

(17)

裂紋位于葉片根部時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)x和y軸方向作用力分別為

(18)

(19)

記圖3(a)所示Jeffcot簡(jiǎn)支剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子橫向運(yùn)動(dòng)阻尼系數(shù)為c1；轉(zhuǎn)子偏心為e；轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)角速度為φ；m為轉(zhuǎn)子質(zhì)量；k為彎曲剛度，得到帶裂紋葉片轉(zhuǎn)子系統(tǒng)等轉(zhuǎn)速振動(dòng)微分方程為

(20)

帶裂紋位于葉片根部時(shí)等轉(zhuǎn)速振動(dòng)微分方程為

(21)

對(duì)于裂紋位于轉(zhuǎn)子盤內(nèi)或轉(zhuǎn)軸上時(shí)，如圖5(b)所示，考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的葉盤結(jié)構(gòu)大多屬于盤片弱耦合設(shè)計(jì)，因此，可忽略葉片剛度變化對(duì)輪盤剛度的影響，通過分析轉(zhuǎn)子盤裂紋時(shí)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為研究其對(duì)葉尖間隙的影響[17]。

2.3 考慮轉(zhuǎn)子裂紋的間隙變化動(dòng)態(tài)方程

綜合以上分析，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、均速及停止過程中，熱應(yīng)力和離心力作用下的間隙變化為

(22)

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、均速及停止過程中裂紋分別處于葉片、葉根或轉(zhuǎn)子盤時(shí)，引入熱應(yīng)力和離心力作用因素，并考慮裂紋轉(zhuǎn)子在x和y方向的振動(dòng)的vx，vy引起的間隙變化分別記為

3 系統(tǒng)仿真分析

筆者描述的間隙模型在Matlab/Simulink環(huán)境下實(shí)現(xiàn)。仿真分析中所采用葉尖間隙在溫度、轉(zhuǎn)速等因素作用下的變化所需的輸入由某型低涵道比混合排氣加力渦扇軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)非線性模型給出。用數(shù)值分析的方法求解不同裂紋轉(zhuǎn)子振動(dòng)微分方程，得到轉(zhuǎn)子振動(dòng)幅值。

本研究主要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起、停過程中均勻應(yīng)力作用下葉尖間隙變化規(guī)律和3種裂紋發(fā)生情況下的葉尖間隙動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行仿真。

1) 均勻應(yīng)力作用下葉尖間隙變化僅考慮轉(zhuǎn)子盤、葉片在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、勻速、減速過程中受的熱應(yīng)力和離心力，以及機(jī)匣所受的熱應(yīng)力。

2) 不同深度裂紋位于葉片相同位置時(shí)以裂紋深度與葉片寬度的比值a/b為分析量，分別取a/b為0,0.25,0.5和0.75時(shí)，裂紋位于葉片徑向方向1/2處，即L2為0.025 m時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)起、停過程中轉(zhuǎn)子分別在x和y方向振動(dòng)位移變化及其葉尖間隙變化規(guī)律。

3) 同一深度裂紋在葉片徑向不同位置時(shí)以裂紋深度與葉片寬度的比值a/b為分析量，取a/b為0.25，裂紋離葉尖距離分別為葉片徑向長度方向的1/10處、1/2處和4/5處,即L2的長度分別為0.005，0.025和0.04 m時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)起、停過程中轉(zhuǎn)子分別在x和y方向振動(dòng)位移變化及其葉尖間隙變化規(guī)律。

4) 轉(zhuǎn)子盤取a/b為0.25時(shí)，分別分析裂紋位于葉根(轉(zhuǎn)子盤邊緣)及裂紋離轉(zhuǎn)子盤中心距離分別為轉(zhuǎn)子盤半徑的1/4處、1/2處時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)起、停過程中轉(zhuǎn)子分別在x和y方向振動(dòng)位移變化及其葉尖間隙變化規(guī)律。

3.1 均勻應(yīng)力作用下間隙變化規(guī)律

發(fā)動(dòng)機(jī)起、停過程轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化關(guān)系曲線如圖6所示。根據(jù)式(2)，圖7給出僅考慮熱應(yīng)力、離心力作用下發(fā)動(dòng)機(jī)葉尖間隙在該過程的變化范圍大約為0.8～1.38 mm。在起動(dòng)階段，由于溫度和轉(zhuǎn)速提高，在離心力和熱應(yīng)力作用下轉(zhuǎn)子盤、葉片徑向應(yīng)變迅速增大，葉尖間隙達(dá)到最小值0.8 mm。由于材料特性不同，機(jī)匣內(nèi)徑的應(yīng)變速度較慢，隨機(jī)匣熱增長間隙大小恢復(fù)到約1.1 mm，并在發(fā)動(dòng)機(jī)勻速運(yùn)行階段保持葉尖間隙值。在減速階段，葉尖間隙值逐步恢復(fù)到初始狀態(tài)。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)起、停過程轉(zhuǎn)速變化范圍示意圖Fig.6 Schematic of simplified engine mission spectrum

圖7 起、停過程中在均勻應(yīng)力作用下的間隙變化Fig.7 Changes of tip clearance under uniform stresses in engine starting and stopping mission

3.2 不同深度裂紋位于葉片相同位置時(shí)葉尖間隙變化規(guī)律

如圖8所示，當(dāng)a/b為0，即葉片無裂紋產(chǎn)生時(shí)， 葉尖間隙受轉(zhuǎn)子加減速引起的振動(dòng)發(fā)生微小的變化。在裂紋產(chǎn)生及裂紋深度不斷加大過程中，由圖8中a/b分別為0.25，0.5和0.75時(shí)可見，葉尖間隙在x和y方向的變化不斷加大。隨裂紋深度到一定程度時(shí)，如當(dāng)a/b為0.5時(shí)，因轉(zhuǎn)子振動(dòng)而引起的間隙變化超過發(fā)動(dòng)機(jī)起、停過程中因熱應(yīng)力、離心力等均勻應(yīng)力作用下的間隙變化。當(dāng)a/b為0.75時(shí),葉尖間隙值出現(xiàn)負(fù)值，此時(shí)葉尖將會(huì)在機(jī)匣內(nèi)層隔熱材料上畫出一定深度的痕跡。圖9對(duì)比了a/b為0和0.75時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)起、停周期內(nèi)隨時(shí)間變化的葉尖掃過軌跡曲線。由圖9可見，較深裂紋產(chǎn)生時(shí)葉尖掃過的軌跡變化范圍擴(kuò)大，且呈現(xiàn)明顯的非線性。

圖8 不同深度裂紋在葉片同一位置葉尖間隙的變化Fig.8 Tip clearance changes of different depth crack in the same location of blade

圖9 不同裂紋深度時(shí)轉(zhuǎn)子葉尖在發(fā)動(dòng)機(jī)起、停周期內(nèi)所掃過軌跡Fig.9 Locus of blade tip in engine starting and stopping mission with different depth crack

3.3 同一深度裂紋位于葉片不同位置時(shí)葉尖間隙動(dòng)態(tài)變化

圖10所示為取裂紋深度與葉片寬度比a/b為0.5，裂紋距離葉尖分別為0.005，0.025和0.04 m(即L2取0.005，0.025和0.04 m)時(shí)x方向和y方向葉尖間隙在發(fā)動(dòng)機(jī)起、停一周期內(nèi)隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化。裂紋距離葉尖的位置越大，在相同裂紋深度下的葉尖間隙變化范圍越大,葉片引起的轉(zhuǎn)子不平衡振動(dòng)加劇。在L2分別取0.005，0.025和0.04 m時(shí)，因裂紋引起的間隙變化量與只考慮均勻應(yīng)力作用下的間隙值(見式(2))相比，最大偏移量分別約為0.11，0.38和0.9 mm。

3.4 裂紋位于葉根及轉(zhuǎn)子盤情況下葉尖間隙動(dòng)態(tài)變化

圖11為a/b取0.5時(shí)裂紋位于葉根處(即L2=0.05 m)情況下葉尖間隙在x方向和y方向隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化曲線。由圖11可知，發(fā)動(dòng)機(jī)勻速工況下的葉尖間隙x方向變化較y方向變化量大；但在整個(gè)循環(huán)周期內(nèi)，葉尖間隙在變化范圍約為只考慮均勻應(yīng)力作用下葉尖間隙變化范圍的14.1倍和10倍。

圖10 同一深度裂紋在葉片不同位置時(shí)葉尖間隙的變化Fig.10 Tip clearance changes of same depth crack in the difference location of blade

圖11 裂紋位于葉根位置時(shí)葉尖間隙動(dòng)態(tài)變化曲線Fig.11 Tip clearance change curve of crack locate at blade root

圖12所示為葉尖掃過軌跡隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線。由圖12可知，在發(fā)動(dòng)機(jī)加、減速過程中的葉尖間隙明顯不對(duì)稱。

圖12 裂紋位于葉根位置時(shí)葉尖掃過軌跡Fig.12 Locus of blade tip in engine starting and stopping mission with crack in blade root

圖13為a/b取0.5時(shí)裂紋分別位于距離轉(zhuǎn)子盤0.19和0.098 m(即L1=0.19和0.098 m)情況下葉尖間隙在x方向和y方向隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化曲線。由圖13可知，葉尖間隙在x方向的變化范圍分別為0～2.7 mm和0.2～2.65 mm，y方向變化范圍約為0.6～2.9 mm和0.9～2.9 mm，表明裂紋在轉(zhuǎn)子盤的位置對(duì)葉尖間隙整體變化影響不明顯。對(duì)比裂紋發(fā)生在不同位置處時(shí)葉尖掃過軌跡，不對(duì)稱現(xiàn)象均較明顯，在勻加速變勻速瞬態(tài)和由勻速進(jìn)入減速瞬態(tài)，裂紋在L1=0.19 m時(shí)較L1=0.098 m時(shí)葉尖掃過軌跡表現(xiàn)出更強(qiáng)的非線性。

圖13 裂紋位于轉(zhuǎn)子盤時(shí)葉尖間隙動(dòng)態(tài)的變化及葉尖掃過軌跡Fig.13 Tip clearance changes of same depth crack in the difference location of disk

4 討 論

圖14和圖15分別為美國NASA所開展的模擬裂紋轉(zhuǎn)子及其轉(zhuǎn)速由6 500～10 000 r/min加速過程所得轉(zhuǎn)子振動(dòng)幅值試驗(yàn)數(shù)據(jù)[18]。該試驗(yàn)中裂紋長度為50.8 mm，位于轉(zhuǎn)子盤中部(見圖14)。圖15所得模擬轉(zhuǎn)子裂紋下的轉(zhuǎn)子振動(dòng)變化趨勢(shì)，與圖11和圖12所得仿真結(jié)果(0～50 s葉尖間隙變化過程)趨勢(shì)一致:a.隨轉(zhuǎn)速增加，葉尖間隙變化范圍增大；b.間隙的變化非線性特征明顯，證明了裂紋轉(zhuǎn)子對(duì)間隙變化的影響不可忽略。由于NASA模擬裂紋轉(zhuǎn)子試驗(yàn)未引入溫度、壓力等因素的影響，所得具體結(jié)果與本研究仿真有所偏差。

圖14 模擬裂紋轉(zhuǎn)子Fig.14 Simulated engine disk with notch

圖15 NASA模擬裂紋轉(zhuǎn)子振動(dòng)測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.15 Disk crack detection for fault engine test of NASA

5 結(jié) 論

1) 當(dāng)葉片無裂紋產(chǎn)生時(shí)，葉尖間隙受轉(zhuǎn)子加減速引起的振動(dòng)發(fā)生微小的變化。在裂紋產(chǎn)生及裂紋深度不斷加大過程中，葉尖間隙在x和y方向的變化不斷加大，且隨裂紋深度到一定程度時(shí)，轉(zhuǎn)子振動(dòng)引起的間隙變化超過發(fā)動(dòng)機(jī)起、停過程中因熱應(yīng)力、離心力等均勻應(yīng)用作用下的間隙變化。

2) 同一裂紋深度位于葉片不同位置時(shí)，裂紋距離葉尖的位置越遠(yuǎn)，葉尖間隙變化范圍越大,葉片引起的轉(zhuǎn)子不平衡振動(dòng)加劇。在L2分別取0.005，0.025和0.04 m時(shí)，因裂紋引起的間隙變化量與只考慮均勻應(yīng)力作用下的間隙值相比，最大偏移量分別約為0.11，0.38和0.9 mm。

3) 裂紋位于葉根處情況下葉尖間隙的變化范圍約為只考慮均勻應(yīng)力作用下葉尖間隙變化范圍的14.1倍和10倍，且在發(fā)動(dòng)機(jī)加、減速過程中的葉尖間隙分布出現(xiàn)明顯不對(duì)稱現(xiàn)象。

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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2016.06.019

*國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51405222)；江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK20131341)；道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長安大學(xué))開放基金資助項(xiàng)目(2014G1502045)

2015-11-25；

2016-03-21

TH17; V233.7

賈丙輝，男，1983年1月生，博士、講師。主要研究方向?yàn)閭鞲衅骷皽y(cè)控技術(shù)。曾發(fā)表《轉(zhuǎn)子對(duì)高壓渦輪葉尖間隙變化規(guī)律的影響》(《振動(dòng)、測(cè)試與診斷》2012年第32卷第3期)等論文。 E-mail:bhjia@njit.edu.cn