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        高壓渦輪葉片緣板阻尼片阻尼效果試驗(yàn)研究

        2022-10-28 02:06:56杜傳宇劉躍聰楊洪旭
        燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究 2022年2期
        關(guān)鍵詞:阻尼比渦輪阻尼

        杜傳宇,姜 睿,劉躍聰,楊洪旭

        (中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所,沈陽 110015)

        1 引言

        航空發(fā)動機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子葉片是將高溫燃?xì)鈨?nèi)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的關(guān)鍵部件。葉片長期在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速的環(huán)境中工作,不僅要承受熱應(yīng)力和離心力,還要承受復(fù)雜氣動載荷的作用;當(dāng)氣流激勵頻率與葉片固有頻率一致時還會發(fā)生較大應(yīng)力的共振。在這種環(huán)境下長時間試車后,葉片時常發(fā)生高周疲勞斷裂故障。為避免此類故障發(fā)生,李其漢等[1]提出采取各種阻尼減振措施,以減小、抑制葉片動力響應(yīng),達(dá)到降低葉片高周疲勞失效風(fēng)險的目的。其中,在葉身增加干摩擦阻尼結(jié)構(gòu)作為一種有效的減振方式,已得到廣泛應(yīng)用[2]。

        葉片干摩擦阻尼結(jié)構(gòu)發(fā)展至今,主要有凸肩結(jié)構(gòu)、葉冠結(jié)構(gòu)和緣板阻尼結(jié)構(gòu)等[3]。凸肩結(jié)構(gòu)主要用于風(fēng)扇葉片及壓氣機(jī)前幾級葉片[4];葉冠結(jié)構(gòu)常用于低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片。針對高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片通常采用緣板阻尼結(jié)構(gòu)進(jìn)行減振,而緣板阻尼結(jié)構(gòu)包含多種不同結(jié)構(gòu)形式。吳向宇等[5]查閱國內(nèi)外發(fā)動機(jī)型號的緣板阻尼結(jié)構(gòu),總結(jié)出了幾種典型的結(jié)構(gòu)形式:薄片式(CFM56-3)、棱柱式(CFM56-5/7)、異型結(jié)構(gòu)(盒狀、彈簧狀等)。

        目前針對緣板阻尼結(jié)構(gòu)減振特性的理論分析和計(jì)算分析取得了多項(xiàng)研究成果[6-11],但多數(shù)分析存在以下兩個問題:①葉片結(jié)構(gòu)的簡化和分析模型的選擇,很難找到一個通用的摩擦模型和接觸面運(yùn)動模型解釋所有的摩擦現(xiàn)象[12]。②難以解析干摩擦過程中存在的強(qiáng)非線性。為此,需借助試驗(yàn)研究來分析和優(yōu)化緣板阻尼結(jié)構(gòu)。Griffin 等[13-14]做了B-G 型緣板阻尼器的分析以及試驗(yàn)驗(yàn)證;郝燕平等[15]對帶緣板阻尼片的金屬平板模擬件做了試驗(yàn)研究,給出了葉片-葉片模型阻尼片減振規(guī)律。但在多個試驗(yàn)研究中,對于實(shí)際工作中緣板兩側(cè)安裝阻尼片的三聯(lián)裝真實(shí)渦輪葉片的試驗(yàn)分析相對較少。本文針對某型帶緣板阻尼片結(jié)構(gòu)高壓渦輪葉片的斷裂故障,采用真實(shí)高壓渦輪工作葉片進(jìn)行試驗(yàn),通過測量模態(tài)阻尼和葉片根部一彎最大應(yīng)力點(diǎn)的應(yīng)變響應(yīng)曲線,研究緣板阻尼片在不同壓緊力下的阻尼效果。

        2 試驗(yàn)系統(tǒng)搭建

        發(fā)動機(jī)實(shí)際工作中,阻尼片結(jié)構(gòu)搭接在相鄰葉片的緣板下方,在葉片振動時提供摩擦阻尼以降低其振動應(yīng)力。為模擬真實(shí)阻尼狀態(tài),即在1 片葉片的緣板兩側(cè)均有阻尼結(jié)構(gòu),試驗(yàn)采用3 片真實(shí)發(fā)動機(jī)高壓渦輪葉片聯(lián)裝形式,中間1片葉片為待測件,上、下2 片將葉片截去,以降低葉片間的耦合作用,同時方便測試。阻尼片為模擬件,材料為45 號鋼,結(jié)構(gòu)見圖1。

        圖1 阻尼片模擬件Fig.1 Simulator of damper

        阻尼片與緣板間正壓力的施加方式為頂緊式。利用4:1 力臂的杠桿結(jié)構(gòu)施加頂緊力,杠桿一端用砝碼加載,另一端通過頂桿頂住阻尼片,加載示意圖見圖2(圖中虛線為另一阻尼片加載方式)。

        圖2 加載示意圖Fig.2 Schematic diagram of loading

        模態(tài)試驗(yàn)時,將帶有葉片的試驗(yàn)裝置通過夾具固定在臺面上,并用螺栓壓緊葉片。在葉身布置敲擊點(diǎn),如圖3所示。試驗(yàn)時固定加速度傳感器位置,通過移動力錘測量每個錘擊點(diǎn)的響應(yīng),分析試驗(yàn)件第一階模態(tài),得到葉片模態(tài)阻尼。需注意,模態(tài)試驗(yàn)加窗后時域信號得到的阻尼是過估計(jì)的。因此,為實(shí)現(xiàn)無泄漏測量,試驗(yàn)時響應(yīng)不加指數(shù)窗,通過增加系統(tǒng)采樣時間的方式,使響應(yīng)有足夠的時間衰減。

        圖3 錘擊法敲擊點(diǎn)Fig.3 Excitation point of hammering method

        應(yīng)變響應(yīng)試驗(yàn)利用電磁振動臺進(jìn)行,應(yīng)變片粘貼在葉片一彎最大應(yīng)力點(diǎn)位置,用正弦慢掃描法激勵,記錄2 000~3 000 Hz 范圍(覆蓋葉片一彎頻率)內(nèi)應(yīng)變片的應(yīng)變響應(yīng)曲線。為保持每次掃描時振動臺的激振力不變,采用閉環(huán)控制系統(tǒng);在振動臺臺面安裝加速度傳感器,將臺面加速度接入數(shù)采系統(tǒng),作為控制信號。經(jīng)控制系統(tǒng)控制,臺面加速度在慢掃描過程中始終為a。閉環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)簡圖見圖4,真實(shí)試驗(yàn)系統(tǒng)見圖5。

        圖4 閉環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)簡圖Fig.4 Schematic diagram of closed-loop test system

        圖5 真實(shí)試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.5 Test system

        3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

        根據(jù)高壓渦輪葉片工作時的共振分析,第一階振型共振轉(zhuǎn)速為7 650 r/min,此時封嚴(yán)片離心力為66 N。由于葉片狀態(tài)是確定的,即共振轉(zhuǎn)速大致確定,試驗(yàn)通過調(diào)整阻尼片壓緊力來獲取最優(yōu)阻尼效果。試驗(yàn)中選取0、50 N、100 N、200 N共4個等級進(jìn)行試驗(yàn)。

        3.1 正壓力對模態(tài)阻尼比的影響

        在模態(tài)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),在2 000~3 000 Hz 范圍內(nèi)存在兩個共振峰值,見圖6,一個頻率在2 100~2 200 Hz 之間,另一個在2 500~2 600 Hz 之間。為確定葉片一階共振頻率,對三聯(lián)裝葉片進(jìn)行頻率測量。為排除阻尼測量系統(tǒng)耦合頻率,利用非接觸式振動測量系統(tǒng)進(jìn)行測頻;激勵方式采用聲激勵。圖7 示出了非接觸式振動測量系統(tǒng)的試驗(yàn)安裝狀態(tài),測頻結(jié)果見圖8。結(jié)果表明,葉片一階頻率在2 600 Hz 附近,因此,阻尼試驗(yàn)系統(tǒng)中2 100~2 200 Hz 的振動頻率為系統(tǒng)耦合頻率。

        圖6 頻響函數(shù)Fig.6 Frequency response function

        圖7 非接觸式振動測量系統(tǒng)Fig.7 Non-contact vibration measurement system

        圖8 葉片測頻結(jié)果Fig.8 Frequency measurement result of blade

        表1給出了緣板阻尼片受不同壓緊力時葉片的模態(tài)阻尼試驗(yàn)結(jié)果。可看出,在0~200 N的壓緊力范圍內(nèi),葉片阻尼比隨壓緊力的增大而增大,且無收斂現(xiàn)象;葉片的一階共振頻率隨壓緊力的增大而增大,表明葉片剛度隨壓緊力的增大而增大。

        表1 不同壓緊力葉片的模態(tài)阻尼Table 1 Damping of blades with different pressure

        3.2 壓緊力對葉片動態(tài)應(yīng)變的影響

        在應(yīng)變響應(yīng)曲線試驗(yàn)中,通過閉環(huán)控制保持振動臺激振力不變,在2 000~3 000 Hz 范圍,對葉片進(jìn)行正弦慢掃描激勵獲得阻尼片不同壓緊力時葉片的應(yīng)變響應(yīng)曲線,如圖9所示。表2給出每條曲線的最大應(yīng)變及相對于無緣板阻尼片的應(yīng)變降幅。從圖9和表2可以得出隨著壓緊力的增加,葉片根部的應(yīng)變先減小后增大,這是由于葉片的響應(yīng)幅值是剛度和阻尼共同作用的結(jié)果。因此,存在一最優(yōu)壓緊力,即最優(yōu)的阻尼片質(zhì)量,使葉片振動應(yīng)變最小。該壓緊力在100 N 左右,原結(jié)構(gòu)阻尼片在一階共振時的壓緊力約為66 N,與試驗(yàn)存在一定差異。

        表2 不同壓緊力葉片的模態(tài)阻尼Table 2 Damping of blades with different pressure

        圖9 應(yīng)變響應(yīng)曲線Fig.9 Strain response curve

        根據(jù)半功率法,利用應(yīng)變響應(yīng)曲線計(jì)算一彎振動的阻尼比,計(jì)算方式如下:共振峰值處頻率為ω0,幅值為ε,根據(jù)峰值,在響應(yīng)曲線中找到半功率點(diǎn),即0.707ε處的頻率ω2和ω1。根據(jù)公式(1)計(jì)算葉片的阻尼比ξ,結(jié)果見表3。由表可知,在0~200 N 的壓緊力范圍內(nèi),葉片阻尼比隨壓緊力的增大而增大,此結(jié)論與模態(tài)試驗(yàn)的一致。

        表3 不同壓緊力葉片一彎振動阻尼比Table 3 First order vibration damping of blades with different pressure

        4 結(jié)論

        通過三聯(lián)裝發(fā)動機(jī)真實(shí)高壓渦輪葉片的阻尼效果試驗(yàn),驗(yàn)證了緣板阻尼片是一種有效的渦輪葉片減振措施。研究發(fā)現(xiàn),隨著阻尼片和緣板間壓緊力的增加,葉片一階共振頻率和模態(tài)阻尼隨之增加;在4 個壓緊力狀態(tài)中(0,50 N,100 N,200 N),緣板阻尼片和緣板間的壓緊力在100 N附近存在一最優(yōu)壓緊力,使葉片一彎振動應(yīng)力最大點(diǎn)的應(yīng)變響應(yīng)最?。辉摿Υ笮∨c現(xiàn)有阻尼結(jié)構(gòu)在葉片一階振動時的壓緊力存在一定差異。為此,在后續(xù)阻尼片設(shè)計(jì)中應(yīng)結(jié)合試驗(yàn)確定最優(yōu)壓緊力,通過調(diào)整緣板阻尼片質(zhì)量、材料等影響因素,以達(dá)到最佳阻尼效果。

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