董妍 范秀杰

摘 ? 要：葉片具有造型復(fù)雜、承受較高負(fù)荷和溫度的特點(diǎn)，是引起航空發(fā)動機(jī)運(yùn)行故障的主要器件，在發(fā)動機(jī)朝向高性能、長壽命發(fā)展的過程中，葉片使用的安全性和可靠性問題引起了人們的進(jìn)一步關(guān)注。中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司發(fā)動機(jī)葉片的固有頻率測試技術(shù)和先進(jìn)的有限元計(jì)算方法，并以固有頻率變化率和損傷位置作為基本參數(shù)，一套航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子葉片結(jié)構(gòu)完整性評定方法，經(jīng)過驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果達(dá)到了令人滿意的狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機(jī) ?葉片 ?固有頻率 ?測試 ?有限元計(jì)算方法 ?完整性評定

中圖分類號：TP274 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）02（c）-0067-02

葉片是整個(gè)葉輪機(jī)中的重要組件，在運(yùn)作的時(shí)候一般會受到較高離心負(fù)荷、氣動負(fù)荷、振動變交負(fù)荷的影響，由此出現(xiàn)故障，以中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司 研發(fā)的航空發(fā)動機(jī)為例，在調(diào)查研究之后發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)迫振動頻率和葉片固有頻率相同時(shí)就會因?yàn)楣舱竦陌l(fā)生而破壞葉片。為此，文章借助先進(jìn)的技術(shù)形式和技術(shù)手段就發(fā)動機(jī)葉片的固有頻率測試問題進(jìn)行探究。

1 ?發(fā)動機(jī)葉片的固有頻率測試

1.1 測試依據(jù)

在發(fā)動機(jī)葉片的固有頻率測試工作中應(yīng)用了YZP-2型葉片疲勞試驗(yàn)自動控制儀，整個(gè)設(shè)備在使用的時(shí)候具備頻率跟蹤、數(shù)據(jù)報(bào)警定位、恒幅控制等功能作用，借助葉片固有的頻率來作為主要振動信號，由電渦流傳感器來拾取振動產(chǎn)生的電信號，將識取的電信號來作為整個(gè)系統(tǒng)的信號源。壓氣機(jī)的振蕩頻率由葉片固有頻率決定，通過對固有頻率的調(diào)節(jié)能夠提升整個(gè)激振系統(tǒng)的穩(wěn)定性[1]。

1.2 測試系統(tǒng)

葉片的固有頻率測試系統(tǒng)基本上由四個(gè)部分共同組成。第一，夾具系統(tǒng)。夾具系統(tǒng)主要是用來夾持葉片，因而整個(gè)系統(tǒng)本身要具備足夠 剛性。第二，激振系統(tǒng)。激振系統(tǒng)包含功率放大器、直流勵磁線圈、電容箱等。在激振系統(tǒng)的作用下能夠促使葉片在交變電磁力的作用下產(chǎn)生振動。第三，控制系統(tǒng)。整個(gè)葉片的固有頻率測試系統(tǒng)的控制系統(tǒng)包含恒?？刂苾x器、功率放大器、電容箱、振動位移測量儀等，在控制系統(tǒng)的作用下能夠確保葉片在恒幅條件下完成共振。第四，測量系統(tǒng)。測量系統(tǒng)主要由頻率計(jì)、示波器、讀數(shù)顯微鏡、閉路電視等共同組成，在測量系統(tǒng)的作用下能夠控制葉尖的振動幅度[2]。

2 ?發(fā)動機(jī)葉片的損傷模式

2.1 疲勞斷裂失效

疲勞性的斷裂失效是中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子葉片中常見的一種失效模式，在出現(xiàn)這種情況之后會對整個(gè)航空發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來不利影響。從發(fā)展實(shí)際情況來看，轉(zhuǎn)子葉片疲勞斷裂失效 主要原因是離心力疊加彎曲應(yīng)力作用過大，而這種現(xiàn)象的出現(xiàn)深受振動環(huán)境、振轉(zhuǎn)共振、彎曲振動強(qiáng)度的影響。

2.2 外物損傷失效

在飛機(jī)處于起飛狀態(tài)、降落、低空飛行時(shí)候時(shí)候受飛機(jī)進(jìn)氣流吸引力的影響，沙塵、石塊、飛鳥、金屬碎片、冰塊等物質(zhì)很容易被吸入發(fā)動機(jī)氣流通道內(nèi)部，影響發(fā)動機(jī)前端風(fēng)扇、壓氣機(jī)葉片部件的運(yùn)作，由此對壓氣機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生了十分不利的影響，嚴(yán)重的情況下還會使得飛機(jī)葉片出現(xiàn)斷裂失效，出現(xiàn)比較嚴(yán)重的飛行事故[3]。

2.3 腐蝕失效

在制造發(fā)動機(jī)葉片 的過程中雖然采取了一系列表面防腐蝕措施，但是在使用一年之后，葉片表面的防腐蝕涂層會日漸稀少，最終都被腐蝕。被腐蝕的發(fā)動機(jī)，在工作的時(shí)候，氣流中的腐蝕介質(zhì)會高速沖刷葉片表面，對整個(gè)葉片造成更深入的腐蝕性損傷，在停止?fàn)顟B(tài)的時(shí)候腐蝕性大氣環(huán)境也會對發(fā)動機(jī)的葉片造成新的損傷。

3 ?發(fā)動機(jī)葉片固有頻率的有限元計(jì)算

ADINA84是當(dāng)前世界上有名的有限元分析程序，被人們廣泛的應(yīng)用到結(jié)構(gòu)靜力學(xué)和動力學(xué)的分析中。有限元分析的計(jì)算模型如下所示：第一， 單元類型。對壓氣機(jī)葉片一共擁有三個(gè)單元類型可以被人們選擇，具體包含梁單元、體單元和殼單元。在具體應(yīng)用的時(shí)候，梁單元制作比較粗糙、精準(zhǔn)度水平不達(dá)標(biāo);體單元對網(wǎng)絡(luò)粗細(xì)有著較高的要求[4]。同時(shí)，各個(gè)單元在三個(gè)方向上的尺寸比例不能過大，因?yàn)檩^大的比例往往需要較長的計(jì)算時(shí)間和計(jì)算成本。在綜合考慮多種因素之后文章選擇了8節(jié)點(diǎn)40個(gè)自由度的超參數(shù)殼元，在考慮橫向剪切效應(yīng)的情況下能夠有效模擬出復(fù)雜葉片的形狀和模式。第二，計(jì)算模型。葉片被劃分為56個(gè)基本單元和199個(gè)節(jié)點(diǎn)。第三，邊界條件。取葉片根部作為固定支持端。經(jīng)過計(jì)算分析之后發(fā)現(xiàn)，二級葉片一階段固有頻率在225～253Hz之間。

4 ?發(fā)動機(jī)葉片結(jié)構(gòu)完整性的表述和綜合評定方法

4.1 合理選擇評定參數(shù)

發(fā)動機(jī)葉片容易出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)性損傷檢測包含四種，一種是判斷結(jié)構(gòu)內(nèi)部是否會出現(xiàn)損傷。第二種是判斷結(jié)構(gòu)損傷是否真實(shí)發(fā)生，如果發(fā)生需要獲得損傷的具體位置。第三種是確定損傷位置之后來判定出損傷的程度。第四種在以上判定基礎(chǔ)上評估損傷對整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響[5]。

結(jié)構(gòu)損傷的第一表現(xiàn)是裂紋的出現(xiàn)和擴(kuò)展，伴隨損傷的嚴(yán)重還會影響整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)作 安全性和穩(wěn)定性。振動診斷是現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用一種先進(jìn)診斷技術(shù)，在這一技術(shù)的作用下能夠精準(zhǔn)的分析損傷部位。在對發(fā)動機(jī)葉片結(jié)構(gòu)實(shí)施振動診斷的時(shí)候需要了解固有頻率、模態(tài)、頻響函數(shù)、振型特點(diǎn)等信息。

4.2 葉片結(jié)構(gòu)完整性表述方法

發(fā)動機(jī)葉片完整的結(jié)構(gòu)必須保證在設(shè)計(jì)壽命或者規(guī)定檢修周圍內(nèi)的任意時(shí)刻，結(jié)構(gòu)實(shí)際應(yīng)力要小于結(jié)構(gòu)的實(shí)際抗力，且在結(jié)構(gòu)的外物損傷、腐蝕、裂紋等損傷出現(xiàn)之后，發(fā)動機(jī)葉片能夠滿足規(guī)定功能要求的基本能力。

在損傷形式所引起的損傷超過疲勞缺口系數(shù)kf=3的缺口所引起的損傷時(shí)，葉片結(jié)構(gòu)的完整性也會被破壞。定義當(dāng)前狀態(tài)下結(jié)構(gòu)完整性SI為0，葉片在沒有出現(xiàn)損傷時(shí)，定義結(jié)構(gòu)完整性SI為1。為了能夠更好的測量、描述發(fā)動機(jī)葉片結(jié)構(gòu)的完整性，在測量的時(shí)候會引入損傷度的概念，將葉片出現(xiàn)損傷后損傷位置疲勞缺口系數(shù)定義為Kf，損傷度定義為D=（Kf-1）/2。由此證明發(fā)動機(jī)葉片結(jié)構(gòu)完整性和損傷度具備如下關(guān)系：SI=1-D。伴隨損傷在葉片上相對位置的變化，各個(gè)階段固有頻率的變化趨勢也會呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。

4.3 葉片結(jié)構(gòu)完整性的評定

第一，在評定之前需要確定葉片的大小，之后按照無損檢測方法要求確定損傷的類型、形狀、位置和尺寸等信息，了解損傷部位沒有損傷時(shí)的應(yīng)力變化。第二，需要全面了解葉片材料的基本性能參數(shù)信息，具體包含應(yīng)力集中敏感度、彈性、密度以及缺陷參數(shù)。第三，確定葉片的損傷度和葉片結(jié)構(gòu)完整性。

5 ?結(jié)語

將測試結(jié)果和計(jì)算結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合比較分析發(fā)現(xiàn)測試數(shù)值和計(jì)算數(shù)值處于一種吻合的狀態(tài)，只有四個(gè)葉片固有頻率測試的計(jì)算數(shù)值較低，而出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是在對葉片固有頻率測試的時(shí)候，先應(yīng)用的是表現(xiàn)質(zhì)量較好的，后面四個(gè)葉片 質(zhì)量出現(xiàn)了缺陷，最終導(dǎo)致固有頻率測試數(shù)值降低。但是總體上的葉片測試 結(jié)果和計(jì)算結(jié)果保持在了一致的狀態(tài)，由此證明葉片固有頻率測試計(jì)算方法和分析方法正確，為日后航空發(fā)動機(jī)葉片的設(shè)計(jì)和壽命延伸提供了重要理論支持。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄒世坤，曹子文，楊賀來.激光沖擊處理發(fā)動機(jī)葉片的固有頻率測試[J].中國機(jī)械工程，2010（6）：22-25.

[2] 陳鐵鋒，金賽英.一種單向無迭代航空發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片調(diào)頻方法[J].裝備制造技術(shù)，2017（5）：16-18.

[3] 馬利麗，何立強(qiáng)，任偉峰.航空發(fā)動機(jī)自由渦輪葉片裂紋故障分析[J].航空發(fā)動機(jī)，2018，44（6）：58-62.

[4] 劉美茹，朱靖，梁恩波，等.基于葉尖定時(shí)的航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)葉片振動測量[J].航空動力學(xué)報(bào)，2019，34（9）：1895-1904.

[5] 劉濤，范秀杰，經(jīng)留洋.某發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子葉片應(yīng)力分布試驗(yàn)研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（15）：147.