發(fā)動機葉片振動疲勞性能的探測與研究

1 引言

航空發(fā)動機葉片，堪稱航空發(fā)動機的核心組件，在發(fā)動機運轉(zhuǎn)期間，承擔(dān)著遠(yuǎn)超一般部件的載荷，且工況復(fù)雜程度jigao。像周期性載荷、離心力引發(fā)的離心載荷、氣流帶來的氣流載荷以及熱載荷等，都是它在運行時需要承受的。由于渦輪葉片的形狀不規(guī)則，屬于復(fù)雜的空間曲面結(jié)構(gòu)，因此在多種載荷的共同作用下，葉片的多個部位容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。一旦交變應(yīng)力的大小超出葉片材料的疲勞極限，葉片就可能在設(shè)計壽命內(nèi)產(chǎn)生疲勞裂紋，進(jìn)而逐步擴展，最終導(dǎo)致疲勞斷裂，這將對航空發(fā)動機的安全性造成嚴(yán)重影響。

航空發(fā)動機葉片疲勞斷裂失效

因此，航空發(fā)動機葉片的穩(wěn)定運行狀態(tài)及使用壽命，與航空發(fā)動機的性能息息相關(guān)。深入探究葉片的疲勞性能，有助于提高發(fā)動機的可靠性與安全性。而在表征葉片疲勞性能的眾多參數(shù)中，發(fā)動機葉片疲勞極限是zuiwei關(guān)鍵的一個，同時它也是發(fā)動機葉片振動疲勞試驗中必須獲取的數(shù)據(jù)，并且為確保葉片疲勞試驗的規(guī)范性和準(zhǔn)確性，相關(guān)部門制定了專門的規(guī)程來規(guī)定葉片的疲勞試驗方法，如HB5227-2021《發(fā)動機葉片及材料振動疲勞試驗方法》。

對葉片進(jìn)行振動疲勞試驗往往在電動振動臺上完成。試驗時，將葉片固定在專用夾具上，然后將專用夾具剛性固定在振動臺上，振動臺的運動部件帶動夾具與葉片一起振動。振動臺輸出固定頻率的正弦波激勵信號，激勵葉片進(jìn)行同樣頻率的正弦振動。電動振動臺激勵葉片進(jìn)行振動疲勞試驗的結(jié)構(gòu)示意及安裝如下圖所示。

葉片固定在振動臺面上

根據(jù)材料的疲勞損傷理論，裂紋一般出現(xiàn)在產(chǎn)品的zuida應(yīng)力點位置，而葉片疲勞試驗具有如下特點：

u  在進(jìn)行葉片振動疲勞試驗時，必須確定葉片上zuida振動應(yīng)力點的位置以及應(yīng)力大小，一般zuida應(yīng)力點常位于葉根倒圓處且應(yīng)力較為集中；

u  疲勞極限測量位于中長壽命區(qū)，壽命基數(shù)較長，也稱為高周疲勞試驗；

u  為了節(jié)約試驗時間、并更真實地模擬振動環(huán)境，通常疲勞極限測量是通過激發(fā)葉片在一階彎曲共振實現(xiàn)的，試驗頻率根據(jù)葉片大小及材料決定，一般分布在幾十Hz至4000Hz（葉片尺寸短而厚）左右。

2 高周振動疲勞試驗

工作葉片的疲勞壽命與疲勞強度一般需通過試驗方法獲取，即利用激振設(shè)備，使得葉片在一階共振頻率下發(fā)生共振，并在共振頻率處進(jìn)行耐振試驗，對葉片的疲勞特性和耐久性進(jìn)行考核評估。漢航NTS.LAB VCS共振搜索與駐留（RSTD）試驗?zāi)軌騾f(xié)助工程師精準(zhǔn)定位葉片的共振頻率點，并在共振處進(jìn)行駐留以檢測試件的抗疲勞性和耐久性。共振頻率通常由正弦掃頻試驗確定，在試驗過程中，由于葉片累積損傷，這些頻率經(jīng)常會發(fā)生偏移，造成共振峰的下降。這種共振峰的變化，成為判斷葉片是否發(fā)生疲勞的一種行之有效的方法。

由于疲勞導(dǎo)致的共振峰下降

因此，為了在試驗過程中實時保持共振，跟蹤共振頻率的變化并相應(yīng)地調(diào)整駐留頻率是很重要的。RSTD試驗中進(jìn)行駐留試驗時，其駐留方法包括振幅峰值跟蹤和相位跟蹤，振幅峰值跟蹤和相位跟蹤的駐留方法更能有效地真實地跟蹤到不斷變化的共振點，從而對試件進(jìn)行zuiyouxiao的RSTD試驗，以充分暴露其結(jié)構(gòu)缺陷。當(dāng)共振峰偏移至初始值一定范圍時（HB5227-2021規(guī)定，當(dāng)頻率偏移量為初始頻率1%時，試驗停止），可判斷葉片發(fā)生疲勞損傷，此時軟件會自動停止試驗，并記錄循環(huán)周期數(shù)。

頻率偏移容差設(shè)置

2.1 共振定義

當(dāng)單自由度有阻尼系統(tǒng)受到頻率為ω的簡諧力激勵時，系統(tǒng)會產(chǎn)生強迫振動，共振的定義是系統(tǒng)的響應(yīng)與外部激勵之比在某個頻率上為zuida值，而該頻率也就是所謂的共振頻率，所以共振頻率指的是系統(tǒng)進(jìn)行受迫振動時外部激勵的頻率。其共振響應(yīng)分為位移響應(yīng)、速度響應(yīng)和加速度響應(yīng)，其在共振處的表達(dá)式為：

其中ω_n，ξ為系統(tǒng)的固有頻率和阻尼比，可以看出位移共振頻率比固有頻率略低，速度共振頻率等于固有頻率，而加速度共振頻率比固有頻率稍高。對于常見的小阻尼系統(tǒng)，上述幾組共振頻率相差很小，約等于系統(tǒng)的固有頻率，即掃頻或?qū)拵щS機試驗測試出來的共振頻率。

2.2 發(fā)動機葉片共振搜索與駐留試驗

通常情況下，發(fā)動機葉片高周疲勞試驗，需要使用激光位移傳感器及若干應(yīng)變片。對試驗件進(jìn)行共振搜索時，可以將控制器的驅(qū)動電壓作為參考信號（也可以在振動臺面上布置加速度傳感器作為參考信號），布置在葉片葉尖位置的位移傳感器作為響應(yīng)傳感器，并計算它們的傳遞率函數(shù)，得到系統(tǒng)的共振頻率。

共振搜索與駐留傳感器布置

共振搜索與駐留試驗的基本試驗流程如下:

①　通過正弦掃頻試驗，計算頻響函數(shù)（傳遞函數(shù)）以確定振動臺上被測件的共振峰值和相位。

②　用確定的共振頻率、品質(zhì)因子和相位建立一個駐留表。

共振搜索與駐留表

③　在表中添加共振駐留計劃的量級和持續(xù)時間。

④　在共振峰周圍確定掃頻上限和下限，超出峰值頻率將不在搜索，試驗停止。

幅值/相位跟蹤

⑤　在定義的共振峰區(qū)間內(nèi)，找到共振峰，并以此頻率做共振疲勞試驗，直至試驗到達(dá)規(guī)定時間或者共振峰偏離設(shè)置的區(qū)間，試驗停止，并記錄其周期數(shù)。

3 發(fā)動機葉片高周疲勞測試案例

為了考核某款發(fā)動機葉片可靠性，在規(guī)定應(yīng)力量級下運行的相應(yīng)循環(huán)數(shù)，驗證產(chǎn)品是否發(fā)生疲勞損傷，某單位使用漢航NTS.LAB VCS共振搜索與駐留模塊對其進(jìn)行測試，具體可分為如下步驟：

葉片疲勞試驗步驟及葉片安裝示意圖

u 共振搜索

在葉片共振頻率處，臺面很小的基礎(chǔ)激勵下，即可引起葉片葉尖較大的振動位移響應(yīng)?；诖?，使用臺面上的加速度傳感器控制振動臺面做小量級的掃頻試驗，并實時監(jiān)測葉尖的位移響應(yīng)，通過位移響應(yīng)與激勵輸入的比值峰值得到葉片的一階共振頻率，如下圖所示：

正弦掃頻試驗：共振搜索

試驗研究的葉片為阻尼較小的合金材料，因此其共振峰呈現(xiàn)出窄而高的特點，其一階共振頻率在336Hz附近，基于半功率帶寬計算，其阻尼比為0.177%，符合試驗預(yù)期。

u zuida應(yīng)力標(biāo)定

在搜索到一階共振頻率后，在葉片根部及中部均勻布置應(yīng)變片，設(shè)置不同的葉尖振幅，在振動臺上進(jìn)行閉環(huán)控制試驗，此時使用漢航IVS8振動控制板卡，不僅可以采集振動加速度和位移信號，同時可直接采集應(yīng)變信號，只需在軟件配置應(yīng)變片橋路及彈性模量，即可直接輸出測點的應(yīng)力大小。

NTS.LAB VCS應(yīng)變參數(shù)配置：橋路、線制、彈性模量等參數(shù)配置

在試驗過程中，實時監(jiān)測各個測點的應(yīng)變大小，獲取zuida應(yīng)變點。通過得到葉尖不同振幅下的zuida應(yīng)力值，利用最小二乘法進(jìn)行直線擬合，計算確定幅值與應(yīng)力的對應(yīng)關(guān)系，最終確定疲勞試驗的葉尖控制位移。

NTS.LAB 應(yīng)力標(biāo)定：手動輸入目標(biāo)葉尖振幅進(jìn)行閉環(huán)控制

不同葉尖振幅與zuida應(yīng)力點線性回歸方程擬合

u 共振激勵疲勞試驗

基于zuida應(yīng)力標(biāo)定結(jié)果，設(shè)置葉尖振幅，并以此量級作為閉環(huán)控制，保證在整個共振駐留激勵期間，葉尖振幅的控制誤差保持在±1%范圍之內(nèi)（HB5227-2021規(guī)定）。在此過程中，可實時監(jiān)測葉尖振幅變化、運行循環(huán)數(shù)、相位變化、共振頻率偏移，以此保證試驗安全可靠的運行下去。

某型號葉片的共振疲勞試驗

實時顯示葉尖控制振幅和周期數(shù)，且葉尖振幅閉環(huán)控制誤差：小于±1%

4 總結(jié)

漢航NTS.LAB VCS共振搜索與駐留模塊，具備十分友好的操作界面，整個試驗流程簡便易行。借助這一模塊，能夠精準(zhǔn)定位測試產(chǎn)品的共振點，順利開展產(chǎn)品振動的頻響檢查（掃頻）。在成功確定共振點后，可進(jìn)行zuida應(yīng)力標(biāo)定，進(jìn)而明確最終的葉片振幅量級，為開展高周疲勞考核試驗做好充分準(zhǔn)備。

基于該實驗方法，考核產(chǎn)品的疲勞強度，可對產(chǎn)品進(jìn)行可靠性進(jìn)行驗證、設(shè)計改良等方式，可顯著提升產(chǎn)品的可靠性水平，使其在市場競爭中更具優(yōu)勢。