李 靜，陳亞龍

（中國航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海 201108）

1 引言

近年來，航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)或渦輪輪盤，由于采用了優(yōu)質(zhì)合金鋼和新的設(shè)計(jì)制造工藝方法等，輪盤結(jié)構(gòu)日趨輕薄。因此，輪盤的自振頻率相應(yīng)地降低，在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)常常容易出現(xiàn)危險(xiǎn)的共振，從而導(dǎo)致輪盤的振動(dòng)疲勞損傷。作為一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力部件，輪盤在發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)行范圍內(nèi)可能處于臨界顫振邊緣，或某一激振源引起旋轉(zhuǎn)件高階復(fù)合振型的高周疲勞導(dǎo)致裂紋，甚至發(fā)生輪盤斷裂故障。目前國內(nèi)外發(fā)動(dòng)機(jī)公司生產(chǎn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，均發(fā)生過輪盤炸裂的嚴(yán)重事故，由高周疲勞引起的事故約占總事故的25%[1]，美國空軍專題報(bào)告中指出[2]，美國空軍中55%的A類事故和30%的航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修費(fèi)用都源于高周疲勞，近年來，人們對(duì)輪盤的振動(dòng)現(xiàn)象越來越多地重視起來。高壓級(jí)間渦輪封嚴(yán)盤屬于渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，具有直徑大、輻板薄、鼓筒薄、篦齒高的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，且其工作在高轉(zhuǎn)速、高溫度、高壓差的環(huán)境下，作為旋轉(zhuǎn)件，承受各種激振作用，同時(shí)由于高壓級(jí)間封嚴(yán)盤的前后薄壁結(jié)構(gòu)，其激振更容易，振幅更大，發(fā)生高周疲勞的可能性也會(huì)提高，因此對(duì)高壓渦輪級(jí)間封嚴(yán)盤進(jìn)行振動(dòng)特性研究，根據(jù)振動(dòng)特性研究結(jié)果來分析判斷輪盤的振動(dòng)可靠性，研究可能采用的調(diào)頻、減振和排故等措施的有效性[3]。

2 有限元方法模態(tài)計(jì)算

高壓渦輪級(jí)間封嚴(yán)盤是多自由度系統(tǒng)和較復(fù)雜的彈性體，一般通過近似方法和數(shù)值方法來分析其振動(dòng)特性[4-7]。

根據(jù)多自由度振動(dòng)方程：

式中：M，C和K—系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；f（t）—系統(tǒng)的激振力向量。

3 求解獲取振動(dòng)模態(tài)和頻率。

高壓渦輪級(jí)間封嚴(yán)盤存在于雙級(jí)高壓渦輪盤結(jié)構(gòu)中，其作用是對(duì)二級(jí)導(dǎo)葉進(jìn)行密封。高壓渦輪級(jí)間封嚴(yán)盤為周期對(duì)稱結(jié)構(gòu)，選取一個(gè)周期結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析[5]，計(jì)算軟件采用ANSYS15.0，網(wǎng)格單元SOLID185，網(wǎng)格數(shù)117033，有限元模型，如圖1所示。

圖1 高壓渦輪級(jí)間封嚴(yán)盤有限元模型Fig.1 The Finite Element of HPT Interstage Sealing Disk

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)采用雙級(jí)渦輪盤結(jié)構(gòu)，兩級(jí)渦輪盤之間設(shè)計(jì)級(jí)間封嚴(yán)盤，封嚴(yán)盤通過與兩級(jí)盤的配合面?zhèn)鬟f扭矩及限位，因此，高壓渦輪級(jí)間封嚴(yán)盤邊界約束情況直接影響振動(dòng)特性結(jié)果，按以下兩種邊界情況進(jìn)行模態(tài)分析。（1）邊界1，封嚴(yán)盤與前后渦輪盤的軸向接觸面約束軸向位移，徑向接觸面約束徑向位移；（2）邊界2，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪部分進(jìn)行二維分析計(jì)算，按照發(fā)動(dòng)機(jī)安裝狀態(tài)的位移結(jié)果進(jìn)行封嚴(yán)盤邊界插值位移約束。對(duì)高壓渦輪級(jí)間篦齒盤進(jìn)行模態(tài)分析，邊界2需先靜力分析，然后進(jìn)行帶預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析。不同邊界下的固有頻率，如圖2所示。

圖2 高壓渦輪封嚴(yán)盤模態(tài)分析結(jié)果（Hz）Fig.2 The Modal Result of HPT Interstage Sealing Disk

從圖2可以看出，邊界2的相同階數(shù)相同節(jié)徑的固有頻率大于邊界1的，因?yàn)檫吔?考慮了高壓渦輪一級(jí)盤、二級(jí)盤對(duì)封嚴(yán)盤的作用力，封嚴(yán)盤的預(yù)應(yīng)力提高了輪盤的剛度，封嚴(yán)盤的自振頻率相應(yīng)地提高，與分析結(jié)果一致。

以一階為例，邊界1、2作用下的各階振型圖，如圖3所示。

圖3 高壓渦輪級(jí)間封嚴(yán)盤振型圖Fig.3 The Mode of Vibration of HPT Interatage Sealing Disk

從圖3可以看出，兩種邊界作用下的各階振型近似，兩個(gè)邊界約束方式的不同在于是否考慮安裝狀態(tài)兩級(jí)高壓渦輪盤對(duì)級(jí)間封嚴(yán)盤的擠壓力，這種不同對(duì)頻率值及振型有較小的影響。后續(xù)采用邊界2作為試驗(yàn)條件，用于獲取真實(shí)高壓渦輪封嚴(yán)盤的固有頻率，在轉(zhuǎn)接段的設(shè)計(jì)裝配上盡量與安裝狀態(tài)一致。

3 振動(dòng)特性試驗(yàn)

對(duì)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪級(jí)間封嚴(yán)盤進(jìn)行固有頻率測(cè)試，并將試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。國內(nèi)有對(duì)渦輪盤、葉片或機(jī)匣進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)[8-10]，但單獨(dú)對(duì)高壓渦輪級(jí)間封嚴(yán)盤進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)較少見。

3.1 振動(dòng)測(cè)試原理

將整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)固定于振動(dòng)臺(tái)上，由激振系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行激勵(lì)加載。根據(jù)試驗(yàn)狀態(tài)（邊界2）的模態(tài)分析結(jié)果，試驗(yàn)件波峰位置粘貼應(yīng)變片，一個(gè)周期內(nèi)加密粘貼。試驗(yàn)開始時(shí)，信號(hào)源發(fā)出激勵(lì)信號(hào)（正弦激勵(lì)）經(jīng)過功率放大器放大，通過激振器上的頂桿將激振力傳給試驗(yàn)件。激振力的大小由粘貼在頂桿上的力傳感器測(cè)得。

粘貼在試驗(yàn)件輻板上的傳感器將被測(cè)的機(jī)械振動(dòng)量轉(zhuǎn)換為電量，輸出力和加速度響應(yīng)，然后進(jìn)行頻響函數(shù)測(cè)試，根據(jù)得到的頻響函數(shù)，利用模態(tài)分析軟件LMS進(jìn)行模態(tài)的分析和識(shí)別，得到試驗(yàn)件模態(tài)參數(shù)，測(cè)試原理圖，如圖4所示。

圖4 高壓渦輪級(jí)間封嚴(yán)盤振動(dòng)試驗(yàn)原理圖Fig.4 The Schematic Diagram of Vibration Test of HPT Interatage Sealing Disk

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了真實(shí)地模擬級(jí)間封嚴(yán)盤的振動(dòng)特性，本試驗(yàn)分別設(shè)計(jì)模擬盤和轉(zhuǎn)接段，模擬盤替代高壓渦輪一級(jí)盤與二級(jí)盤，用于級(jí)間封嚴(yán)盤裝配。考慮到級(jí)間封嚴(yán)盤前后有擋板約束軸向位移，通過長螺栓及定位套筒連接模擬盤，安裝狀態(tài)的級(jí)間封嚴(yán)盤邊界軸向位移由二維計(jì)算結(jié)果提供，具體實(shí)施通過調(diào)整定位套筒實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)接段用于模擬盤與振動(dòng)臺(tái)的安裝，通過轉(zhuǎn)接段底部的螺栓孔將整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)固定在振動(dòng)臺(tái)上。模態(tài)試驗(yàn)，如圖5所示。試驗(yàn)要求測(cè)量一階3節(jié)徑固有頻率，按照模態(tài)分析結(jié)果在高壓渦輪封嚴(yán)盤面布置測(cè)點(diǎn)，1—6測(cè)點(diǎn)布置在波峰位置，2—3測(cè)點(diǎn)間加密布置7—8測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)7布置在節(jié)線位置，各測(cè)點(diǎn)繞高壓渦輪封嚴(yán)盤中心軸線角度為：測(cè)點(diǎn) 1（0°），測(cè)點(diǎn) 2（60°），測(cè)點(diǎn) 3（120°），測(cè)點(diǎn) 4（180°），測(cè)點(diǎn) 5（240°），測(cè)點(diǎn) 6（300°），測(cè)點(diǎn) 7（90°），測(cè)點(diǎn) 8（105°）。

圖5 高壓渦輪級(jí)間封嚴(yán)盤模態(tài)試驗(yàn)Fig.5 The Modal Test of HPT Interatage Sealing Disk

3.3 振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

采集加速度傳感器和力傳感器信號(hào)，對(duì)各通道的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行模態(tài)分析和參數(shù)識(shí)別，得到一階不同節(jié)徑的共振頻率，以試驗(yàn)件一階3節(jié)徑為例，試驗(yàn)件各個(gè)位置處的振幅和相位試驗(yàn)結(jié)果，如圖6所示。由圖6可以看到，測(cè)點(diǎn)1—6振幅基本一致，相鄰位置之間的相位差均為180°。測(cè)點(diǎn)7振幅與其他位置相比近似為0，故其位于試驗(yàn)件節(jié)線位置處。測(cè)點(diǎn)8近似處于測(cè)點(diǎn)3和測(cè)點(diǎn)7連線處，且與測(cè)點(diǎn)3相位基本一致。試驗(yàn)結(jié)果與模態(tài)分析結(jié)果一致，因此，可以識(shí)別當(dāng)前振型即為試驗(yàn)件一階3節(jié)徑振型，得到共振頻率及試驗(yàn)件模態(tài)阻尼比。

圖6 試驗(yàn)件一階3節(jié)徑振型圖Fig.6 The Mode of Vibration of First Order Three Pitch of Test Article

3.4 計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

有限元分析與試驗(yàn)?zāi)B(tài)結(jié)果，如表1所示。

表1 模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab.1 The Result Comparison Between Simulation and Experimentation

由表1可以看出，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果接近，相差0.2%，并且通過上節(jié)試驗(yàn)振動(dòng)結(jié)果分析，振型一致。可認(rèn)為所設(shè)計(jì)模態(tài)試驗(yàn)合理。

4 結(jié)論

對(duì)高壓渦輪級(jí)間封嚴(yán)盤進(jìn)行振動(dòng)模態(tài)分析，兩個(gè)邊界約束方式的不同在于是否考慮安裝狀態(tài)兩級(jí)高壓渦輪盤對(duì)級(jí)間封嚴(yán)盤的擠壓力，這種不同對(duì)頻率值和振型有較小影響，一階3節(jié)徑頻率值相差1.2%，在模態(tài)試驗(yàn)轉(zhuǎn)接段的設(shè)計(jì)裝配上要盡量與安裝狀態(tài)一致；

通過模態(tài)試驗(yàn)得到振型、固有頻率及阻尼比，其中一階三節(jié)徑固有頻率與安裝狀態(tài)的模擬結(jié)果相差0.2%，且模擬與試驗(yàn)振型一致，驗(yàn)證了有限元分析模型的可靠性及模態(tài)試驗(yàn)的合理性，有限元分析模型可用于快速振動(dòng)評(píng)估，模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果可用于高壓渦輪級(jí)間封嚴(yán)盤調(diào)頻、減振和排故。