吳煒

（1.中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002；2.中小型航空發(fā)動機葉輪機械湖南省重點實驗室，湖南株洲 412002）

0.引言

渦輪工作葉片是航空發(fā)動機的關(guān)鍵零件，由于其造型復(fù)雜，工作條件惡劣，使得其在研制、生產(chǎn)和使用中產(chǎn)生的故障導(dǎo)致發(fā)動機故障的占比較大，其中，葉片振動破壞較為突出[1]。為避免振動產(chǎn)生，葉片可以使用葉冠結(jié)構(gòu)。目前航空發(fā)動機中渦輪工作葉片葉冠的常見形式主要有鋸齒冠和平行冠。鋸齒冠摩擦阻尼的減振效果較好，但鋸齒冠形狀復(fù)雜，設(shè)計、加工和裝配困難。平行冠在裝配時，葉冠與葉冠之間留有間隙。當(dāng)發(fā)動機在工作狀態(tài)時，葉冠之間會發(fā)生相互碰撞從而耗散振動能量[2]。相對于鋸齒冠的干摩擦阻尼，平行冠的碰撞阻尼效果欠佳，且碰撞條件下葉冠側(cè)面的磨損比較嚴(yán)重。

為改進平行冠葉片減振效果，本文以某型渦扇發(fā)動機平行冠低壓渦輪工作葉片為基礎(chǔ)，提出平行冠渦輪工作葉片成對過盈裝配減振技術(shù)，為摸清改進葉片的振動特性進行該型發(fā)動機低壓渦輪工作葉片動應(yīng)力測試研究。

1.測試方案設(shè)計

1.1 測試對象和條件

（1）低壓渦輪二級轉(zhuǎn)子最高工作轉(zhuǎn)速：11320rpm。

（2）低壓渦輪二級轉(zhuǎn)子葉尖旋轉(zhuǎn)半徑：236mm，葉根旋轉(zhuǎn)半徑：158mm。

（3）低壓渦輪葉片最高工作溫度：700℃。

（4）測試對象為2種設(shè)計狀態(tài)的低壓渦輪二級工作葉片，一種為同榫槽內(nèi)的左、右葉片葉冠配合面之間為間隙裝配葉片，以下稱為現(xiàn)有使用葉片；另一種為同榫槽內(nèi)的左、右葉片葉冠配合面之間為過盈裝配葉片，以下稱為改進設(shè)計葉片。渦輪葉片裝配示意圖如圖1所示。

圖1 渦輪葉片裝配示意圖

1.2 測點布局

目前，轉(zhuǎn)子葉片動應(yīng)力測量中，普遍采用仿真分析結(jié)果作為測試方案設(shè)計的依據(jù)[3]。因此本次低壓渦輪轉(zhuǎn)子測點位置采用仿真分析選取，計算時主要考慮葉片各激振頻率裕度較小的模態(tài)，并兼顧低階危險模態(tài)，選取時僅考慮峰值應(yīng)力位于葉身上的對應(yīng)階次，并綜合考慮應(yīng)變計能測試的有效頻率范圍，選取應(yīng)力相對較大而應(yīng)力梯度相對較為平緩（貼片敏感度一般要求不低于30%）的區(qū)域進行貼片，經(jīng)計算葉身上評判出6個測點。試驗時，2種設(shè)計狀態(tài)葉片共安排36個測點。36個測點分布在36個葉片上（6個不同部位的測點，相同部位重復(fù)測3次）。

1.3 應(yīng)變計安裝走線

應(yīng)變計的引線路徑示意如圖2所示，從葉片引線至渦輪盤，穿過渦輪盤上的篦齒，在篦齒根部開18個Ф2mm的引線孔，單根引線穿過引線孔，輪盤上的引線采用蒙皮點焊保護，引線下穿至主軸，通過低壓渦輪主軸中心孔引向遙測模塊。中心軸外壁需周向布置18個Ф2mm的引線孔，轉(zhuǎn)接段靠近拉桿布置2個引線孔，穿過引線孔后18根引線全部匯集至接線區(qū)內(nèi)，并焊接至遙測接線板上。

圖2 引線路徑示意圖

1.4 發(fā)動機改裝

某型發(fā)動機的結(jié)構(gòu)如圖3所示，遙測系統(tǒng)需安裝在低壓渦輪軸端，由于低壓渦輪前支點是通過中心油管進行供油，2個安裝位置沖突，需要對低壓渦輪前支點的供油系統(tǒng)進行改造。遙測系統(tǒng)及引線需進行冷卻，為盡量不影響發(fā)動機性能，避免影響測試結(jié)果，考慮從車臺引氣，后支承中有一個支板沒有安裝任何的管路，正可作為引線和通氣的通道。為了留出足夠的空間，取消安裝斗管組合，對發(fā)動機的改裝如圖4所示。

2.測試數(shù)據(jù)及分析結(jié)果

經(jīng)過2輪正式試驗，得到每個測點的測試數(shù)據(jù)，通過1.3節(jié)中計算時相對應(yīng)的共振階次和測點敏感度進行反計算分析得到該點的振動應(yīng)力，結(jié)果如表1所示。

表1 振動數(shù)據(jù)分析結(jié)果

3.結(jié)語

（1）本文為驗證改進設(shè)計葉片的減振效果，結(jié)合該發(fā)動機的結(jié)構(gòu)和工作狀態(tài)，設(shè)計了葉片整機動應(yīng)力測量試驗，經(jīng)過多輪試驗驗證，得到了該型發(fā)動機低壓2級渦輪工作葉片振動應(yīng)力水平。

（2）試驗結(jié)果表明：改進葉片和現(xiàn)有使用葉片在發(fā)動機工作過程中，均主要存在明顯的1階和2階葉片共振；改進葉片的最大振動應(yīng)力為23.5MPa，現(xiàn)有葉片的最大振動應(yīng)力為46MPa，改進葉片具有一定的減振效果；總體來說，2種狀態(tài)葉片振動應(yīng)力水平均低于許用振動應(yīng)力，滿足發(fā)動機使用條件。