■ 王樂 周軍 鞠新 / 中國航發(fā)渦輪院

為了確定渦輪葉片在工作狀態(tài)下的動應(yīng)力水平，必須開展各極端使用狀態(tài)下航空發(fā)動機(jī)及其零部件的動應(yīng)力測量。

航空發(fā)動機(jī)的熱端部件（尤其是渦輪葉片根部等處）承受著高溫、高轉(zhuǎn)速、復(fù)雜氣動激振力和較大離心載荷復(fù)合作用，容易發(fā)生斷裂故障,從而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)和飛機(jī)嚴(yán)重事故。隨著低周循環(huán)疲勞基礎(chǔ)試驗(yàn)技術(shù)水平的提升,發(fā)動機(jī)渦輪葉片主要失效模式已由傳統(tǒng)的靜強(qiáng)度失效轉(zhuǎn)為振動疲勞失效,而為了確定渦輪葉片在工作狀態(tài)下的動應(yīng)力水平,除數(shù)值仿真之外,還必須進(jìn)行動應(yīng)力的測量。與此同時，高溫、高轉(zhuǎn)速等因素對動應(yīng)力的測量技術(shù)提出了極高的要求，需要根據(jù)測試對象的工作環(huán)境選擇合適的高溫應(yīng)變計，須采用點(diǎn)焊或高溫固化處理提高安裝的可靠性，并采用專用高溫線進(jìn)行連接，還需要同時進(jìn)行各測點(diǎn)應(yīng)力和溫度分布測量并進(jìn)行修正。

高溫動應(yīng)力測量技術(shù)概況

應(yīng)力最大的位置通常是測試對象容易產(chǎn)生裂紋的地方。根據(jù)材料力學(xué)原理，金屬材料在外部載荷作用下，幾何形狀和尺寸會發(fā)生變形，通常用長度的相對變化率——應(yīng)變來表征變形的大小。在金屬材料的屈服應(yīng)力以下的彈性范圍內(nèi)，外部載荷產(chǎn)生的應(yīng)力與材料應(yīng)變成線性關(guān)系。因此，可通過采用測量故障點(diǎn)的應(yīng)變值計算得到應(yīng)力值。根據(jù)測量方式不同，高溫動應(yīng)力測量可分為接觸式和非接觸式。

在接觸式測量中，所用傳感器都是應(yīng)變片，其中使用最廣泛的是電阻應(yīng)變計（如圖1所示），一般由敏感柵、引線、黏結(jié)劑、基底和蓋層組成。將電阻應(yīng)變計安裝在構(gòu)件表面，構(gòu)件在受載荷后表面產(chǎn)生的微小變形（伸長或縮短），會使應(yīng)變計的敏感柵隨之變形，應(yīng)變計的電阻就發(fā)生變化，其變化率與安裝應(yīng)變計處構(gòu)件的應(yīng)變成比例，測出此電阻的變化，即可按公式算出構(gòu)件表面的應(yīng)變和相應(yīng)的應(yīng)力。這種測量方式具有測量精度和靈敏度高、量程大、尺寸小和技術(shù)成熟的特點(diǎn)，也是目前在航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的一類方法。盡管這種測量方式比較實(shí)用，但弊端頗多，例如需要一系列的應(yīng)變儀、傳輸電纜、遙測發(fā)射器或滑動環(huán)，裝在發(fā)動機(jī)內(nèi)的應(yīng)變片及滑動環(huán)容易損壞，會降低發(fā)動機(jī)性能，安裝過程及伴之而來的修理過程都需要拆卸發(fā)動機(jī)，費(fèi)工耗時。

圖1 電阻應(yīng)變計結(jié)構(gòu)示意

非接觸式測量方法是一種非常有潛力的測量方式，最常使用的為光學(xué)測量方法，包括光纖光柵法和光彈性法等。這種方法具有準(zhǔn)備工作簡單、抗干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)快、可測量同級所有葉片、適合持續(xù)在線測量等優(yōu)點(diǎn)，但也存在采樣不充分（通常是欠采樣）、測量精度較低、頻率分辨率較差等缺點(diǎn)。

電阻應(yīng)變計方法的發(fā)展

作為目前在航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的高溫動應(yīng)力測量方法，電阻應(yīng)變計方法的發(fā)展歷程最早起始于在20世紀(jì)進(jìn)行的一系列型號研制和技術(shù)驗(yàn)證項(xiàng)目。

在航空發(fā)動機(jī)的設(shè)計階段，相關(guān)規(guī)范和準(zhǔn)則就對動應(yīng)力測量做出了規(guī)定和約束。美國《MIL-E-5007D通用規(guī)范》在振動和應(yīng)力測量試驗(yàn)章節(jié)中明確規(guī)定，“應(yīng)在發(fā)動機(jī)上進(jìn)行振動和應(yīng)力試驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)和壽命分析要求具體化”。美國《MIL-STD-1783發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)完整性大綱》在葉片、盤和靜子結(jié)構(gòu)的振動章節(jié)中提出，“在發(fā)動機(jī)工作范圍內(nèi)，葉片、盤和靜子結(jié)構(gòu)的固有頻率不得引起危險共振。為確定振動應(yīng)力和研究顫振邊界，應(yīng)盡早在核心機(jī)上開展動應(yīng)力測量，整機(jī)上也要開展”。英國《DEF STAN00971航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)通用規(guī)范》對葉片動應(yīng)力測量的規(guī)定與美國通用規(guī)范基本一致。

GE公司和普惠公司在20世紀(jì)70年代末至80年代初研制高效節(jié)能發(fā)動機(jī)（E3）核心機(jī)時，取得了大量的動應(yīng)力測量研究經(jīng)驗(yàn)，這些經(jīng)驗(yàn)表明，在壓氣機(jī)和渦輪轉(zhuǎn)、靜子葉片上粘貼應(yīng)變片是監(jiān)測壓氣機(jī)和渦輪結(jié)構(gòu)完整性的重要措施。F100發(fā)動機(jī)研制過程中也進(jìn)行了動應(yīng)力測量，經(jīng)驗(yàn)表明，渦輪葉片的振動應(yīng)力和壓氣機(jī)的喘振應(yīng)力必須要在整機(jī)或核心機(jī)上測量，并需要結(jié)合振動應(yīng)力準(zhǔn)則進(jìn)行評判。1993年，美國開展了F119發(fā)動機(jī)高壓渦輪工作葉片動應(yīng)力測量。

俄羅斯在動應(yīng)力測量理論研究和型號驗(yàn)證等方面的經(jīng)驗(yàn)也非常豐富。例如，117S發(fā)動機(jī)首批次共計生產(chǎn)了5臺份，其中03臺份就專門用來做動應(yīng)力測量。烏克蘭前進(jìn)設(shè)計局繼承了蘇聯(lián)航空發(fā)動機(jī)研制技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，可以開展航空發(fā)動機(jī)熱端部件動應(yīng)力測量。

高溫動應(yīng)力測量典型案例

F100發(fā)動機(jī)動應(yīng)力測量

美國研制F100發(fā)動機(jī)時，選擇在核心機(jī)或整機(jī)環(huán)境下開展動應(yīng)力測量，得出渦輪葉片的振動應(yīng)力和壓氣機(jī)的喘振應(yīng)力。為了保證最終結(jié)果的準(zhǔn)確性，測試完成后將測試結(jié)果與振動應(yīng)力準(zhǔn)則進(jìn)行比較。

在核心機(jī)上開展試驗(yàn)時，允許所有的高壓轉(zhuǎn)子葉片在一個簡化了的單轉(zhuǎn)子試驗(yàn)中進(jìn)行結(jié)構(gòu)評定，來獲取整機(jī)上的部分氣動和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)過程中，在壓氣機(jī)和渦輪葉片各測點(diǎn)分別粘貼應(yīng)變片和熱電偶獲取相應(yīng)的應(yīng)力和溫度數(shù)據(jù)，之后再用滑環(huán)引電器將數(shù)據(jù)傳出發(fā)動機(jī)。

在整機(jī)上開展試驗(yàn)時，風(fēng)扇和低壓轉(zhuǎn)子按照之前試驗(yàn)確定的位置或分析結(jié)果安裝應(yīng)變片和熱電偶，測得的應(yīng)力和溫度數(shù)據(jù)通過滑環(huán)傳出發(fā)動機(jī)。為保護(hù)高壓轉(zhuǎn)子，只在高壓轉(zhuǎn)子上粘貼適量的應(yīng)變片和熱電偶，測得的葉片應(yīng)變試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過遙測設(shè)備傳遞。

E3核心機(jī)試驗(yàn)

20世紀(jì)70年代末到80年代初，GE航空集團(tuán)和普惠公司聯(lián)合研制了E3高效節(jié)能發(fā)動機(jī)，并開展了核心機(jī)環(huán)境下的高壓渦輪葉片振動應(yīng)力和頻率動應(yīng)力測量。研究人員在第一級高壓渦輪的葉片上粘貼了11個應(yīng)變片（第一級葉片分布在壓力面氣膜孔排附近前緣跨度的12%），第二級粘貼了8個應(yīng)變片。這些應(yīng)變片除測得各級葉片的共振點(diǎn)、振型及應(yīng)力分布以驗(yàn)證葉片模型計算結(jié)果外，并在部件試驗(yàn)、核心機(jī)和驗(yàn)證機(jī)試驗(yàn)中起到對葉片結(jié)構(gòu)完整性的安全監(jiān)視作用。另外，普惠公司在整機(jī)試驗(yàn)中，先測取了高、低壓轉(zhuǎn)子應(yīng)力數(shù)據(jù)，得出初期機(jī)械特性，并與葉片設(shè)計計算及部件試驗(yàn)測得應(yīng)力進(jìn)行分析對比，得到評定結(jié)論，然后又進(jìn)行了性能試驗(yàn)。

烏克蘭艦船國立大學(xué)葉片機(jī)動應(yīng)力測量

烏克蘭艦船國立大學(xué)在進(jìn)行葉片機(jī)交變應(yīng)力振型和振動頻率試驗(yàn)研究過程中開展了動應(yīng)力測量。應(yīng)變片沿葉片前緣和后緣粘貼在葉背和葉盆側(cè)，并和Z軸（與葉片截面重心軸線重合）平行，沿渦輪軸線徑向分布。傳感器基準(zhǔn)為2.5～3mm，可以容納更多的測點(diǎn)，更精確地測量葉身的振動應(yīng)力。前緣和后緣距傳感器長5mm，傳感器中心間沿葉片長的間距為10mm，應(yīng)變計電阻波動范圍在0.7%～1%之間。

結(jié)束語

目前，國際上廣泛采用應(yīng)變計進(jìn)行航空發(fā)動機(jī)動應(yīng)力測量，盡管這種測試方法在理論和應(yīng)用方面都相對成熟，但也存在測點(diǎn)數(shù)少、貼片要求高，發(fā)動機(jī)改裝大、試驗(yàn)周期長，安裝引電器的支板對靠近的轉(zhuǎn)子葉片特性有影響等缺點(diǎn)，促使對非接觸式測量方法開展積極探索。由于具有準(zhǔn)備工作簡單、抗干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)快、可測量同級所有葉片、適合持續(xù)在線測量等優(yōu)點(diǎn)，基于光纖的非接觸測量或?qū)⒊蔀楹娇瞻l(fā)動機(jī)高溫?zé)岫瞬考討?yīng)力測量的主要發(fā)展趨勢。