趙江偉，陳 博，吳正洪，馬 波，蘇曦之

(中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，成都 610500；2.空軍裝備部 項目中心，北京 100843)

1 引言

強度驗證與使用壽命評定一直是航空發(fā)動機設(shè)計驗證與改進改型的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)國外權(quán)威機構(gòu)統(tǒng)計，航空發(fā)動機故障中60%～70%是結(jié)構(gòu)強度故障，其中又以葉片故障比例最高、危害最大[1]。因此，需要對發(fā)動機葉片開展動應(yīng)力測量，以獲得葉片動頻-轉(zhuǎn)速圖，確定葉片在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的應(yīng)力-轉(zhuǎn)速特性、葉片工作時的振動應(yīng)力等[2]。

低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，承受著高溫度、高轉(zhuǎn)速、復(fù)雜氣動力和較大離心力的復(fù)合作用[1-3]，其惡劣的工作環(huán)境和細長型的結(jié)構(gòu)特性，導(dǎo)致隨機工作時的振動問題尤其突出，由高周問題導(dǎo)致的裂紋、斷裂故障時有發(fā)生。因此要解決葉片高周問題必須獲得相對準(zhǔn)確的振動應(yīng)力。由于動力學(xué)特性和激振因素的差異，試驗件測量不能得到準(zhǔn)確的結(jié)果，仿真技術(shù)需要試驗數(shù)據(jù)支承，因此開展整機環(huán)境下低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片動應(yīng)力測量勢在必行。

在發(fā)動機轉(zhuǎn)子葉片動應(yīng)力測量方面，國外早已積累了豐富的經(jīng)驗，其設(shè)計能力和試驗技術(shù)都比較成熟，在不同型號航空發(fā)動機上開展過渦輪葉片、壓氣機葉片、風(fēng)扇葉片的動應(yīng)力測量[4-5]。國內(nèi)相關(guān)單位也開展了渦輪葉片、壓氣機葉片的動應(yīng)力測量[6-9]，但對于大型渦扇發(fā)動機在整機環(huán)境下開展低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片動應(yīng)力測量的研究較少，也未能在整機試車時對渦輪轉(zhuǎn)子葉片開展動應(yīng)力測量，主要原因是渦輪轉(zhuǎn)子葉片轉(zhuǎn)速高、所處環(huán)境溫度高、整機環(huán)境下動應(yīng)力測量改裝難度大、測試系統(tǒng)設(shè)計要求高等。

為確定某型發(fā)動機低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的振動特性，及其與發(fā)動機工作狀態(tài)之間的特性關(guān)系，本文提出一種基于應(yīng)變片和遙測技術(shù)的低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片動應(yīng)力測量方案，并在該型發(fā)動機上成功完成低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片動應(yīng)力測量試驗，為該型發(fā)動機研制提供了數(shù)據(jù)支撐，可為其他發(fā)動機低渦轉(zhuǎn)子葉片動應(yīng)力測量和溫度場測量提供借鑒。

2 低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片動應(yīng)力測量總體方案

2.1 方案設(shè)計要求

受制于發(fā)動機渦輪端溫度高、載荷復(fù)雜、轉(zhuǎn)子變形大、結(jié)構(gòu)空間有限等問題，發(fā)動機改裝風(fēng)險高、難度大。改裝過程中，需要解決的問題有：整機結(jié)構(gòu)改裝問題，轉(zhuǎn)子上測試系統(tǒng)布置、安裝和冷卻問題，滑油腔密封、冷卻問題，以及改裝方案的設(shè)計評估問題等。為確保低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片動應(yīng)力測量方案滿足設(shè)計要求，且測量結(jié)果有效，在進行測量方案設(shè)計時，需要考慮如下要求：

(1) 為準(zhǔn)確模擬發(fā)動機工作狀態(tài)，在整機環(huán)境下開展測量方案設(shè)計時，應(yīng)盡可能減小對轉(zhuǎn)子葉片振動特性的影響，且不能改變轉(zhuǎn)子葉片的激振因素，如發(fā)動機流道結(jié)構(gòu)不允許改裝等；

(2) 為獲取真實的測量數(shù)據(jù)，應(yīng)考慮采用應(yīng)變片測量葉片動應(yīng)力，其測量結(jié)果準(zhǔn)確、可靠，受干擾較少；

(3) 測量方案應(yīng)考慮在發(fā)動機低壓設(shè)計轉(zhuǎn)速及超轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，測量低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片的振動頻率和振動應(yīng)力水平；

(4) 測量方案應(yīng)簡單、安全、經(jīng)濟、可靠，盡量減少對發(fā)動機結(jié)構(gòu)的專用改裝等。

2.2 測量方案選擇

獲取發(fā)動機轉(zhuǎn)子葉片動應(yīng)力的測量方式，目前主要有接觸式測量和非接觸式測量兩種。接觸式測量獲取葉片動應(yīng)力一般采用應(yīng)變片方式，非接觸式測量一般采用光纖方式。由于應(yīng)變片接觸式測量是直接獲取葉片的動應(yīng)變信號，相比于非接觸式測量的間接獲取動應(yīng)力(測量葉尖振幅)，其測量更加高效、準(zhǔn)確、可靠，受干擾較小，是目前旋轉(zhuǎn)部件動應(yīng)力測量的主要方案。根據(jù)該型發(fā)動機低壓轉(zhuǎn)子葉片動應(yīng)力測量要求，本方案采用應(yīng)變片接觸式測量方式。

目前的動應(yīng)力接觸式測量，通常采用“應(yīng)變+引電器”和“應(yīng)變片+遙測系統(tǒng)”兩種測量技術(shù)方案(以下分別簡稱引電器方案和遙測方案)。從表1中兩種測量方案系統(tǒng)對比看，引電器方案在發(fā)動機低壓渦輪轉(zhuǎn)子上使用存在以下缺陷：①引電器耐溫能力低(使用溫度≯45 ℃)，一般布置在發(fā)動機冷端部件位置(如風(fēng)扇、壓氣機端等)，需采用氟利昂進行冷卻，且冷卻改裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在渦輪端的高溫環(huán)境下使用風(fēng)險大；②引電器結(jié)構(gòu)尺寸大，受發(fā)動機結(jié)構(gòu)空間限制，整機改裝難度大；③安裝引電器一般需要對流道件(支板、葉片等)進行調(diào)整，改變了轉(zhuǎn)子葉片的激振因素，對轉(zhuǎn)子葉片動應(yīng)力特性存在影響，測量結(jié)果存在誤差。而遙測方案結(jié)構(gòu)尺寸小、耐溫能力高，在發(fā)動機整機上改裝應(yīng)用冷卻方案容易，結(jié)構(gòu)改裝較小，成本低，安全可靠。因此，針對發(fā)動機低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片動應(yīng)力測量要求和發(fā)動機結(jié)構(gòu)限制，采用遙測方案進行測量。

表1 遙測方案與引電器方案測量系統(tǒng)對比Table 1 Comparison of telemetry scheme and inductor scheme measurement system

2.3 遙測系統(tǒng)設(shè)計

遙測系統(tǒng)是一種非接觸式的信號采集傳輸設(shè)備，專用于旋轉(zhuǎn)件上參數(shù)信號測量，其工作原理如圖1 所示。

圖1 遙測系統(tǒng)工作原理簡圖Fig.1 The composition of telemetry system

遙測系統(tǒng)由發(fā)射裝置、接收裝置和地面站三部分組成。發(fā)射裝置即是安裝在低壓軸上的部分，包含發(fā)射機、發(fā)射天線、次級感應(yīng)線圈等；接收裝置安裝在靜子改裝件上，包含接收天線、初級感應(yīng)線圈；地面站包含感應(yīng)電源、信號采集系統(tǒng)、采集控制計算機等。

遙測系統(tǒng)采用非接觸式電磁感應(yīng)方式供電，接收裝置和發(fā)射裝置中的感應(yīng)線圈產(chǎn)生的電壓經(jīng)整流后對發(fā)射機進行供電，其中初級感應(yīng)線圈通過并聯(lián)的方式與感應(yīng)電源相連。

發(fā)射機模塊將測得的動態(tài)應(yīng)變模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后，通過發(fā)射天線發(fā)射出去；接收裝置通過接收天線接收數(shù)字射頻信號并解調(diào)，然后將數(shù)字信號進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，最后由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行采集、分析和處理。

2.4 總體設(shè)計方案

低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片動應(yīng)力測量總體方案如圖2所示。在低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片表面安裝應(yīng)變片測量葉片動應(yīng)力，在不改變發(fā)動機流道等激振因素的情況下，將遙測系統(tǒng)布置在低壓渦輪端。試驗過程中，通過應(yīng)變片獲取低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片的振動信號，振動信號經(jīng)穿過渦輪后擋板、低壓軸等的測試引線傳送至遙測系統(tǒng)后，再通過天線傳出(遙測系統(tǒng)通過軸向傳輸形式傳送信號)。

圖2 低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片動應(yīng)力測量方案總體布局Fig.2 Overall layout of dynamic stress measurement scheme for low pressure turbine rotor blades

發(fā)動機整機環(huán)境下，低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片動應(yīng)力測量改裝困難很大，主要技術(shù)難點有：

(1) 發(fā)動機渦輪端結(jié)構(gòu)空間有限，測試改裝困難。

發(fā)動機的流道、支板葉型等結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)子葉片的振動特性存在影響，動應(yīng)力測量方案不允許改變發(fā)動機流道結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致發(fā)動機改裝結(jié)構(gòu)空間非常有限，而要在有限的結(jié)構(gòu)空間解決渦輪端測試系統(tǒng)的布置、支撐、冷卻和密封等，測試改裝非常困難。為此，國內(nèi)目前的測試改裝設(shè)計方案往往做出了妥協(xié)，允許通過改變機匣流道或?qū)~、支板葉型等實現(xiàn)動應(yīng)力測量方案設(shè)計，但這樣會導(dǎo)致測量結(jié)果存在較大誤差。

低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片動應(yīng)力測量遙測方案改裝結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3 所示。在低壓渦輪轉(zhuǎn)子上設(shè)置支撐軸，支撐軸安裝在低壓渦輪轉(zhuǎn)子內(nèi)腔靠近后支點位置，以減少對整機轉(zhuǎn)子動力學(xué)的影響。支撐軸采用擋圈固定在低壓渦輪軸上，遙測模塊安裝在支撐軸上，同時對后承力機匣進行改裝，以滿足接收模塊安裝、測試引線布置、遙測模塊冷卻等要求。

圖3 低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片動應(yīng)力測量遙測方案改裝結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.3 Design of modif ied structure for low pressure turbine rotor blades telemetry scheme

(2) 發(fā)動機渦輪端工作環(huán)境溫度高、載荷復(fù)雜、轉(zhuǎn)子變形大，測量改裝及遙測系統(tǒng)設(shè)計困難。

在發(fā)動機中間狀態(tài)，低壓渦輪端內(nèi)錐腔內(nèi)溫度一般達到400 ℃，而遙測系統(tǒng)長期工作溫度≯90 ℃，因此需對遙測系統(tǒng)進行冷卻。由于動應(yīng)力測量方案不允許對渦輪后承力機匣支板、后錐等流道結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，所以冷卻方案及結(jié)構(gòu)改裝非常困難。

綜合考慮葉片動應(yīng)力激振因素和結(jié)構(gòu)限制，本測試方案采用空氣冷卻+滑油冷卻的方式冷卻遙測系統(tǒng)，冷卻方案如圖4 所示。在后承力機匣設(shè)置1處引氣支板，通過臺架供氣冷卻遙測系統(tǒng)，并通過另1 處排氣支板排出。同時，考慮到后腔滑油與遙測模塊之間有熱傳導(dǎo)效應(yīng)，在發(fā)動機上增設(shè)滑油冷卻裝置，通過冷卻后軸承腔滑油，降低后軸承腔滑油供油溫度，從而進一步降低遙測模塊溫度。

圖4 低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片動應(yīng)力測量遙測模塊冷卻方案Fig.4 Cooling scheme of telemetry module for low pressure turbine rotor blades dynamic measurement

航空發(fā)動機低壓渦輪設(shè)計點工作轉(zhuǎn)速高、離心負荷大，在這樣的工作環(huán)境下遙測系統(tǒng)只能采用軸向感應(yīng)供電和軸向傳輸信號的形式。另外，發(fā)動機復(fù)雜的載荷環(huán)境和過渡態(tài)工況，使渦輪端轉(zhuǎn)靜子相對變形復(fù)雜、變形評估困難，導(dǎo)致遙測系統(tǒng)遠距離感應(yīng)供電設(shè)計困難。為此，在該發(fā)動機低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片動應(yīng)力測量方案設(shè)計中，綜合遙測系統(tǒng)信號傳輸距離和發(fā)動機工作狀態(tài)轉(zhuǎn)子軸向移動情況，來確定遙測系統(tǒng)裝配間隙范圍。

首先，開展遙測系統(tǒng)試驗，確定遙測系統(tǒng)轉(zhuǎn)靜子的工作間隙范圍。若工作間隙過小，發(fā)動機工作過程中容易導(dǎo)致遙測系統(tǒng)轉(zhuǎn)靜子接觸碰磨，影響試驗安全；若工作間隙過大，測量信號存在丟失數(shù)據(jù)等失效風(fēng)險，導(dǎo)致試驗失敗。

然后，對試驗工況下轉(zhuǎn)靜子軸向間隙進行估算，特別是過渡態(tài)變形的估算，確定了遙測系統(tǒng)轉(zhuǎn)靜子工作間隙。

最后，通過對改裝發(fā)動機軸向間隙、葉片軸向竄動、石墨跑道工作痕跡(圖5)等情況進行分析，設(shè)置了合理的遙測系統(tǒng)裝配間隙范圍。

圖5 低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片動應(yīng)力測量方案遙測模塊工作間隙設(shè)計Fig.5 The telemetry module working gap evaluation of low pressure turbine rotor blades dynamic stress measurement

3 貼片及走線方案

低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片動應(yīng)力測量方案中，應(yīng)變片采用火焰噴涂工藝固定在轉(zhuǎn)子葉片上，高溫測試引線采用全程點焊固定在轉(zhuǎn)子上。應(yīng)變片貼片和測試引線走線方案設(shè)計時，需要綜合考慮動應(yīng)力測量要求和測試引線及應(yīng)變片易損壞等潛在風(fēng)險。根據(jù)目前貼片工藝及試驗驗證情況，應(yīng)變片貼片及測試引線走線方案設(shè)計需注意如下要求：

(1) 應(yīng)變片布置位置應(yīng)便于貼片及走線，如葉片中部平滑位置；

(2) 考慮葉片自身工作載荷分布，優(yōu)先選擇溫度相對較低、溫度梯度相對較小的位置，并根據(jù)應(yīng)變片可能的工作溫度選取合適的應(yīng)變片；

(3) 貼片位置和貼片方向?qū)φ駝討?yīng)力敏感，貼片位置應(yīng)選擇振動應(yīng)力值相對較大、應(yīng)力梯度較平緩處；

(4) 貼片過程中應(yīng)注意保護渦輪葉片氣膜孔，不得堵塞氣膜孔；

(5) 測試引線走線應(yīng)避開無法點焊懸空位置，如果確實難以避開，應(yīng)采用結(jié)構(gòu)改進或走線路徑優(yōu)化等方式盡量減小懸空段長度；

(6) 應(yīng)變片貼片及測試引線走線應(yīng)盡量均勻布置；

(7) 應(yīng)變片和測試引線的粘貼必須牢靠并被有效保護，以防止被高速氣流沖刷導(dǎo)致剝離失效[10]。

4 設(shè)計評估

由于發(fā)動機整機改裝方案風(fēng)險較大，為確保低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片動應(yīng)力測量方案有效實施，在方案設(shè)計過程時，需對改裝方案進行詳細評估。評估內(nèi)容考慮如下：

(1) 對測試方案改裝件和新增測試件的強度、轉(zhuǎn)子動力學(xué)等進行評估，確保測試方案滿足強度要求；

(2) 對改裝方案的空氣系統(tǒng)、低壓渦輪動應(yīng)力測量轉(zhuǎn)子及遙測系統(tǒng)溫度場進行評估，確定空氣系統(tǒng)冷卻引氣量，確保動測轉(zhuǎn)子及遙測系統(tǒng)溫度滿足試驗要求；

(3) 對轉(zhuǎn)子軸向力、遙測系統(tǒng)工作間隙等進行評估，確保發(fā)動機改裝滿足試驗安全要求；

(4) 對貼片工藝進行評估，確保高溫噴涂對葉片性能無影響且不會堵塞氣膜孔；

(5) 對測試方案的裝配性等進行評估，確保測試改裝方案的裝配空間、裝配精度及裝配性滿足裝配要求；

(6) 對監(jiān)控測點、試驗條件、遙測系統(tǒng)使用條件等進行評估，確保滿足試驗要求。

5 試驗驗證

在試車臺架上對按上述方案改裝后的發(fā)動機開展了全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片動應(yīng)力測量在設(shè)計轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進行了多次掃頻，并在共振轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進行了停留。試驗過程中，發(fā)動機運行正常，遙測系統(tǒng)工作正常，應(yīng)變片存活率較好。試驗數(shù)據(jù)分析表明，動應(yīng)力測量結(jié)果滿足測試要求。圖6 為某發(fā)動機低壓渦輪葉片動應(yīng)變?nèi)唐俨紙D。目前，該型發(fā)動機已完成了多輪低壓渦輪動應(yīng)力專項測量試驗，獲取了低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片的振動特性，為該型發(fā)動機低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片動應(yīng)力和阻尼效果評估提供了數(shù)據(jù)支撐。

圖6 發(fā)動機低壓渦輪葉片動應(yīng)變?nèi)唐俨紙DFig.6 Waterfall diagram of vibration strain of low pressure turbine rotor blades

6 結(jié)論

(1) 采用基于應(yīng)變片和遙測技術(shù)的動應(yīng)力測量方案，對某型發(fā)動機低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片開展動應(yīng)力測量，從遙測系統(tǒng)布置、支撐、冷卻、走線等方面完成了總體方案設(shè)計，并對改裝的發(fā)動機開展了整機試車，驗證了動應(yīng)力測量方案的正確性。相對于應(yīng)變片+引電器測量方案，本文測量方案結(jié)構(gòu)改裝小，冷卻方案簡單，驗證成本低，應(yīng)變片存活率高，安全可靠。

(2) 該型發(fā)動機已完成多輪低壓渦輪動應(yīng)力專項測量試驗，為低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片動應(yīng)力和阻尼評估提供了數(shù)據(jù)支撐。

(3) 該總體設(shè)計方案還可應(yīng)用于發(fā)動機低壓渦輪轉(zhuǎn)子溫度場測量等試驗，其驗證過程也可為開展整機環(huán)境下高壓轉(zhuǎn)子的動應(yīng)力、溫度場測量提供重要參考。