張強(qiáng)波, 雷曉波

(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院,西安 710089)

飛機(jī)起飛、降落或低空飛行時(shí)，沙塵、石塊、飛鳥、金屬碎片等會(huì)被強(qiáng)大吸力吸入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道內(nèi)，在高空飛行時(shí)冰塊有可能被吸入流道內(nèi)，撞擊在發(fā)動(dòng)機(jī)前端的風(fēng)扇葉片或其他部位，撞擊瞬間首先會(huì)破壞發(fā)動(dòng)機(jī)低壓轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性，給發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和結(jié)構(gòu)帶來不利影響，甚至是十分嚴(yán)重的非包容性后果[1]。如何能及時(shí)識(shí)別外物撞擊事件的發(fā)生，對(duì)于飛行安全具有十分重要的意義。目前，外國(guó)對(duì)于外物撞擊識(shí)別技術(shù)的研究較深入，通用電氣公司、羅爾斯·羅伊斯公司和普拉特·惠特尼公司三大航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造商均開展過航空發(fā)動(dòng)機(jī)外物撞擊整機(jī)試驗(yàn)以及大量的葉片飛脫試驗(yàn)研究，積累掌握了外物撞擊瞬間轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性，為進(jìn)一步優(yōu)化低壓轉(zhuǎn)子提供了重要依據(jù)[2-4]。在此基礎(chǔ)上，英國(guó)QinetiQ公司基于非接觸葉尖定時(shí)原理開發(fā)了發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片外物撞擊(FOD)監(jiān)視報(bào)警系統(tǒng)。目前中國(guó)對(duì)風(fēng)扇葉片外物撞擊領(lǐng)域的研究多集中在葉片的抗損傷容限上[5-8]，對(duì)風(fēng)扇葉片振動(dòng)的研究主要集中在進(jìn)氣畸變和喘振等氣動(dòng)力引起的振動(dòng)[9-12]，但對(duì)外物撞擊瞬間轉(zhuǎn)子的振動(dòng)響應(yīng)特性和外物撞擊識(shí)別技術(shù)的研究很少，為縮短與外國(guó)在該領(lǐng)域的差距，有必要對(duì)風(fēng)扇葉片外物撞擊轉(zhuǎn)子振動(dòng)特性進(jìn)行深入研究。

2 風(fēng)扇轉(zhuǎn)子試驗(yàn)器設(shè)計(jì)

2.1 風(fēng)扇轉(zhuǎn)子試驗(yàn)器總體設(shè)計(jì)

為充分模擬風(fēng)扇葉片遭遇外物撞擊瞬間轉(zhuǎn)子振動(dòng)響應(yīng)，參照某航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，綜合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)等需求，最終設(shè)計(jì)搭建的風(fēng)扇葉片外物撞擊試驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。風(fēng)扇轉(zhuǎn)子試驗(yàn)器采用雙支點(diǎn)+葉盤懸臂布局，該風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉盤上均布有12只彎扭葉型的風(fēng)扇葉片，葉高100 mm，旋轉(zhuǎn)直徑600 mm?？紤]到轉(zhuǎn)子試驗(yàn)器的通用性，減少試驗(yàn)器的零件數(shù)、提高轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的可靠性，采用先進(jìn)的整體葉盤設(shè)計(jì)，葉盤結(jié)構(gòu)采用“弓”型盤設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)在于：與等厚葉盤相比，在保證葉片截面系數(shù)基本相同的前提下，“弓”型盤的質(zhì)量減小和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小，對(duì)轉(zhuǎn)軸的負(fù)載和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率需求會(huì)明顯減小。為充分考慮氣體激振的影響，葉片采用基于流固耦合的壓氣機(jī)葉片反扭設(shè)計(jì)。風(fēng)扇盤與轉(zhuǎn)軸采用螺栓聯(lián)結(jié)+銷釘周向定位+圓柱面徑向定位的聯(lián)結(jié)配合方式。風(fēng)扇葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)使轉(zhuǎn)軸承受一向前的拉力，為此靠近風(fēng)扇端支座(簡(jiǎn)稱前支座)軸承采用SKF-61922型止推深溝球軸承，承受徑向力和一定的軸向力；遠(yuǎn)離風(fēng)扇端支座(簡(jiǎn)稱后支座)軸承選取SKF-NU1018ML型圓柱滾子軸承，在承受徑向力的同時(shí)，還可以限制軸和外殼的單向軸向位移。軸承均采用滑油噴射潤(rùn)滑，回油端采用吸油泵加速油腔內(nèi)油霧的破碎，可綜合提高軸承的潤(rùn)滑冷卻效果[13-14]。

通過從垂直導(dǎo)管上方釋放外物從而實(shí)現(xiàn)外物撞擊風(fēng)扇撞擊葉片，在前支座軸向位置以及后支座徑向垂向位置各加裝一支加速度振動(dòng)傳感器，以拾取轉(zhuǎn)子振動(dòng)響應(yīng)[15-16]。

圖1 風(fēng)扇葉片外物撞擊試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物

2.2 旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下風(fēng)扇葉片模態(tài)分析

為避開常用工作轉(zhuǎn)速落入該轉(zhuǎn)速下風(fēng)扇葉片的固有頻率(簡(jiǎn)稱動(dòng)頻)，需重點(diǎn)關(guān)注不同轉(zhuǎn)速下風(fēng)扇葉片一階彎曲模態(tài)動(dòng)頻(如未特殊說明，文中動(dòng)頻指一階彎曲模態(tài)動(dòng)頻)與葉片通過頻率(葉片通過頻率等于轉(zhuǎn)速乘以葉片數(shù))之間的關(guān)系，為確定工作轉(zhuǎn)速的共振裕度提供依據(jù)。靜有限元計(jì)算，得到的葉片靜頻和不同轉(zhuǎn)速下的動(dòng)頻如表1所示。

表1 不同轉(zhuǎn)速下風(fēng)扇葉片動(dòng)頻計(jì)算結(jié)果

為檢驗(yàn)有限元計(jì)算的正確性，在編號(hào)為B1、B5、B9的葉根處黏貼應(yīng)變計(jì)，利用錘擊法激勵(lì)分析出葉片各階模態(tài)自振頻率，測(cè)量出的一階彎曲模態(tài)固有頻率如表2所示，可以看出三支葉片的固有頻率差異很小，以實(shí)測(cè)固有頻率為準(zhǔn)，有限元計(jì)算誤差控制在0.9 %以內(nèi)，誤差小，滿足工程分析需求。

表2 風(fēng)扇葉片錘擊試驗(yàn)靜頻結(jié)果

3 外物撞擊對(duì)支座振動(dòng)的影響

在現(xiàn)有條件下，為充分獲取外物撞擊風(fēng)扇葉片對(duì)轉(zhuǎn)子振動(dòng)的影響，通過考察轉(zhuǎn)子支座振動(dòng)變化來分析不同振動(dòng)位置、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、撞擊位置這些因素對(duì)轉(zhuǎn)子振動(dòng)的影響。

3.1 撞擊前后轉(zhuǎn)子振動(dòng)的變化

在風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為4 000 r/min時(shí)，從垂直導(dǎo)管上共釋放14顆直徑16 mm的塑料球，使其撞擊風(fēng)扇葉片，拾取的前支座軸向振動(dòng)、后支座徑向振動(dòng)時(shí)域波形分別如圖2、圖3所示，通過查看高速相機(jī)，這14顆塑料球均擊中在風(fēng)扇葉片上。從圖2可以看出，前支座軸向振動(dòng)共出現(xiàn)了7 次幅值較大的瞬態(tài)沖擊脈沖，未撞擊前振動(dòng)峰峰值為9.50g(g為重力加速度)，撞擊瞬間振動(dòng)峰峰值突增量為(2.18～6.05)g，撞擊瞬間振動(dòng)增量并不明顯，而后支座徑向振動(dòng)共出現(xiàn)了14次瞬態(tài)沖擊脈沖，未撞擊前振動(dòng)峰峰值為5.19g，撞擊瞬間振動(dòng)峰峰值突增量為(3.90～16.16)g，撞擊瞬間振動(dòng)增量明顯。結(jié)合大量撞擊試驗(yàn)可知，外物撞擊風(fēng)扇葉片瞬間，在支座徑向位置引起的振動(dòng)突增要明顯大于軸向振動(dòng)突增，且徑向振動(dòng)對(duì)外物撞擊的敏感度要大于軸向振動(dòng)。從圖3可以看出，撞擊瞬間振動(dòng)峰峰值在(9.09～21.35)g變化，峰峰值波動(dòng)范圍大，通過查看高速相機(jī)，發(fā)現(xiàn)每次塑料球撞擊的葉片編號(hào)、軸向位置、徑向位置是不盡相同的，這是造成撞擊瞬間支座振動(dòng)沖擊幅值差異大的原因。

圖2 外物撞擊葉片前支座軸向振動(dòng)時(shí)域波形

圖3 外物撞擊葉片后支座徑向振動(dòng)時(shí)域波形

圖4、圖5分別為塑料球撞擊風(fēng)扇葉片前、撞擊瞬間，后支座徑向振動(dòng)時(shí)域與頻譜圖，除了撞擊瞬間支座振動(dòng)幅值會(huì)突增外。對(duì)比頻譜可知，撞擊前后，支座振動(dòng)占優(yōu)頻率都為轉(zhuǎn)速基頻67 Hz及其倍頻、電壓干擾頻率50 Hz及其倍頻、500～550 Hz的若干頻率點(diǎn)以及5 851 Hz；撞擊瞬間并未增加其他頻率成分，但在520～550 Hz頻帶的振動(dòng)幅值會(huì)明顯增大，這與4 000 r/min時(shí)葉片動(dòng)頻536.28 Hz是吻合的。

圖4 未撞擊支座振動(dòng)時(shí)域波形與頻譜圖

圖5 撞擊瞬間支座振動(dòng)時(shí)域波形與頻譜圖

3.2 外物撞擊風(fēng)扇葉片位置對(duì)轉(zhuǎn)子振動(dòng)的影響

為分析外物撞擊風(fēng)扇葉片位置對(duì)轉(zhuǎn)子振動(dòng)的影響，選取風(fēng)扇轉(zhuǎn)速4 000 r/min下16 mm的塑料球撞擊4號(hào)葉片葉尖位置(圖6)、撞擊7號(hào)葉片葉中位置(圖7)兩組試驗(yàn)進(jìn)行分析，塑料球撞擊4號(hào)葉片葉尖瞬間被葉片撞進(jìn)白色導(dǎo)管，塑料球未撞碎，塑料球撞擊7號(hào)葉片葉中位置瞬間被撞碎。圖8所示為撞擊4號(hào)葉片葉尖位置瞬間，前支座徑向振動(dòng)時(shí)域與頻域圖;圖9所示為撞擊7號(hào)葉片葉中位置瞬間，前支座徑向振動(dòng)時(shí)域與頻域圖。對(duì)比圖8和圖9可知，兩次撞擊瞬間轉(zhuǎn)子振動(dòng)時(shí)域峰峰值差異明顯，但從撞擊瞬間振動(dòng)頻譜圖可以看出，轉(zhuǎn)子振動(dòng)占優(yōu)頻率都為轉(zhuǎn)速基頻68 Hz及其倍頻、電壓干擾頻率50 Hz及其倍頻、500～550 Hz的若干頻率點(diǎn)、585 Hz，兩組試驗(yàn)頻譜均未增加其他頻率成分，這說明撞擊位置的不同只會(huì)影響撞擊幅值，并不會(huì)造成振動(dòng)頻率的差異。

圖6 塑料球撞擊4號(hào)葉片葉尖位置高速攝像圖

圖7 塑料球撞擊7號(hào)葉片葉中位置高速攝像圖

圖8 撞擊4號(hào)葉片轉(zhuǎn)子振動(dòng)時(shí)域波形與頻譜圖

圖9 撞擊7號(hào)葉片轉(zhuǎn)子振動(dòng)時(shí)域波形與頻譜圖

3.3 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對(duì)轉(zhuǎn)子振動(dòng)響應(yīng)的影響

在轉(zhuǎn)速為1 200、3 000、3 600、4 000 r/min時(shí)釋放直徑16 mm的塑料球撞擊風(fēng)扇葉片。通過對(duì)撞擊瞬間轉(zhuǎn)子振動(dòng)時(shí)域波形進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，同一質(zhì)量的塑料球撞擊風(fēng)扇葉片，造成的轉(zhuǎn)子時(shí)域振動(dòng)幅值并不一定隨風(fēng)扇轉(zhuǎn)速升高而出現(xiàn)明顯的增大。統(tǒng)計(jì)撞擊瞬間振動(dòng)頻譜可以發(fā)現(xiàn)，不同轉(zhuǎn)速撞擊瞬間振動(dòng)頻譜中占優(yōu)成分除了風(fēng)扇轉(zhuǎn)速基頻及倍頻外，在400～600 Hz還存在幅值較大的頻率點(diǎn)。為此，將4個(gè)轉(zhuǎn)速下該頻段中幅值較大的頻率點(diǎn)統(tǒng)計(jì)出來，如表3所示。由表3可知，轉(zhuǎn)速1 200 r/min時(shí)撞擊瞬間振動(dòng)突增中心頻率為474 Hz；轉(zhuǎn)速3 000 r/min時(shí)撞擊葉片瞬間振動(dòng)突增中心頻率為507 Hz，頻率為501～520 Hz；轉(zhuǎn)速 3 600 r/min 撞擊葉片支座振動(dòng)突增中心頻率為524 Hz，頻率為507～532 Hz;轉(zhuǎn)速4 000 r/min時(shí)撞擊瞬間振動(dòng)突增中心頻率為527 Hz，頻率為 511～540 Hz?？梢钥闯?，隨著風(fēng)扇轉(zhuǎn)速增加，撞擊瞬間幅值突增頻率增大；撞擊突增頻帶帶寬明顯大于葉片結(jié)構(gòu)帶來的動(dòng)頻差異，具體原因還有待深入分析。撞擊突增中心頻率和葉片動(dòng)頻如圖10所示。由圖10可知，中心頻率與葉片動(dòng)頻很接近，這說明外物撞擊風(fēng)扇葉片瞬態(tài)會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子振動(dòng)頻譜中葉片動(dòng)頻成分發(fā)生明顯變化。

表3 不同轉(zhuǎn)速下450～600 Hz頻段內(nèi)占優(yōu)頻率統(tǒng)計(jì)

圖10 撞擊突增中心頻率與葉片動(dòng)頻對(duì)比

4 結(jié)論

利用有限元計(jì)算、風(fēng)扇轉(zhuǎn)子試驗(yàn)器外物撞擊試驗(yàn)，研究了風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、外物質(zhì)量等因素對(duì)轉(zhuǎn)子振動(dòng)的影響，得出以下結(jié)論。

(1)外物撞擊風(fēng)扇葉片會(huì)引起葉片動(dòng)頻附近頻率成分幅值明顯增大，但幅值增大頻帶帶寬明顯大于葉片動(dòng)頻范圍。

(2)外物撞擊風(fēng)扇葉片瞬間，轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)突增幅度明顯大于軸向振動(dòng)，且徑向振動(dòng)對(duì)外物撞擊的敏感度要大于軸向振動(dòng)。

(3)撞擊位置的不同只會(huì)影響撞擊振動(dòng)幅值，并不會(huì)造成轉(zhuǎn)子振動(dòng)頻譜成分發(fā)生變化。

(4)隨著風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的升高，轉(zhuǎn)子振動(dòng)中葉片動(dòng)頻成分幅值會(huì)突增，但轉(zhuǎn)子振動(dòng)幅值并不一定會(huì)增大，這與撞擊葉片編號(hào)、撞擊位置等因素有關(guān)。