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(lì)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)
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