小展弦比轉(zhuǎn)子葉片顫振分析與試驗(yàn)研究.pdf

1、隨航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能（壓比、轉(zhuǎn)速）提高和小展弦比設(shè)計(jì)的風(fēng)扇/壓氣機(jī)葉片大量采用，小展弦比風(fēng)扇/壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片顫振問題已成為高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過程中的主要難點(diǎn)之一，而設(shè)計(jì)無顫振葉片則是未來先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。因而，建立和完善適用于小展弦比風(fēng)扇/壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片工程設(shè)計(jì)的顫振分析方法具有重要的理論意義和工程價(jià)值。
　　本文發(fā)展建立了適合于小展弦比轉(zhuǎn)子葉片顫振的預(yù)測(cè)方法及評(píng)判依據(jù)，針對(duì)風(fēng)機(jī)和壓氣機(jī)小展弦比轉(zhuǎn)子葉片，成功實(shí)現(xiàn)了兩種不同顫

2、振問題的預(yù)測(cè)。從轉(zhuǎn)子葉片剛度特性出發(fā)，提出了避免顫振的相關(guān)措施，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了小展弦比轉(zhuǎn)子葉片無顫振設(shè)計(jì)。
　　首先，發(fā)展建立了小展弦比轉(zhuǎn)子葉片顫振預(yù)測(cè)方法及顫振類型的綜合評(píng)判依據(jù)。針對(duì)小展弦比轉(zhuǎn)子葉片的結(jié)構(gòu)特征，發(fā)展了從結(jié)構(gòu)力學(xué)與氣體動(dòng)力學(xué)兩個(gè)方面進(jìn)行小展弦比轉(zhuǎn)子葉片的顫振分析方法。須在結(jié)構(gòu)力學(xué)分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合共振分析、振型變化及相鄰階次的頻率分離度來判斷葉片是否存在耦合顫振，并給出了相應(yīng)的判斷依據(jù)；在此基礎(chǔ)上，采

3、用能量法進(jìn)行全三維非定常繞流計(jì)算，獲得葉片上的非定常平均積累功，根據(jù)總積累功的正負(fù)來判斷葉片是否發(fā)生了失速顫振。綜合兩種評(píng)判的結(jié)果給出小展弦比轉(zhuǎn)子葉片發(fā)生顫振的類型。
　　第二，采用所發(fā)展的顫振分析方法和評(píng)判依據(jù)對(duì)某型風(fēng)機(jī)小展弦比轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)行了顫振預(yù)測(cè)和顫振類型評(píng)判。計(jì)算分析表明，該型風(fēng)機(jī)小展弦比轉(zhuǎn)子葉片存在一階彎曲與二階扭轉(zhuǎn)振型的耦合顫振，不存在失速顫振問題。風(fēng)機(jī)小展弦比轉(zhuǎn)子葉片壽命考核試驗(yàn)時(shí)，風(fēng)機(jī)總運(yùn)行時(shí)間約45h，所有葉片全

4、部斷裂。斷口分析發(fā)現(xiàn)葉片斷口擴(kuò)展區(qū)平坦，具有明顯的疲勞弧線，呈現(xiàn)出典型的疲勞斷口宏觀特性，疲勞擴(kuò)展區(qū)相對(duì)較短，說明葉片承受的疲勞應(yīng)力很大。高周疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明葉片的高周疲勞強(qiáng)度極限滿足要求。理論和試驗(yàn)結(jié)合分析，風(fēng)機(jī)小展弦比轉(zhuǎn)子葉片發(fā)生了耦合顫振的問題。
　　第三，采用所發(fā)展的顫振分析方法和評(píng)判依據(jù)對(duì)某型壓氣機(jī)第一級(jí)小展弦比轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)行顫振預(yù)測(cè)和顫振類型評(píng)判。利用振動(dòng)分析的頻率和振型，結(jié)合共振分析和相鄰階次的頻率分離度，發(fā)現(xiàn)該小展弦

5、比轉(zhuǎn)子葉片因離心力作用導(dǎo)致第三階和第四階的振型發(fā)生了改變，按振型相同的方法進(jìn)行共振分析和頻率分離度分析，小展弦比轉(zhuǎn)子葉片在30000r/min附近存在三階振型和四階振型疊加的強(qiáng)耦合顫振。采用能量法對(duì)壓氣機(jī)小展弦比轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)行全三維非定常繞流計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，葉片在30000r/min附近也存在失速顫振的特性。即該型壓氣機(jī)小展弦比轉(zhuǎn)子葉片發(fā)生耦合顫振的同時(shí)還存在失速顫振。壓氣機(jī)性能試驗(yàn)結(jié)果表明，在轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)到28000~30000r/mi

6、n附近時(shí)，振動(dòng)監(jiān)測(cè)信號(hào)上倍頻成分明顯增多，且出現(xiàn)了波形，停止試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)所有的第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片尖部出現(xiàn)了較長(zhǎng)的裂紋。斷口分析表明斷口上存在較為明顯的疲勞弧線，兩個(gè)疲勞源，裂紋擴(kuò)展壽命只有4600多個(gè)循環(huán)，表明葉片上存在較大的振動(dòng)應(yīng)力。理論和試驗(yàn)結(jié)合分析，壓氣機(jī)第一級(jí)小展弦比轉(zhuǎn)子葉片在30000r/min附近發(fā)生了強(qiáng)耦合顫振的同時(shí)，也發(fā)生了失速顫振。
　　最后，針對(duì)風(fēng)機(jī)和壓氣機(jī)第一級(jí)小展弦比轉(zhuǎn)子葉片顫振的問題，分別提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施：

7、（1）針對(duì)風(fēng)機(jī)小展弦比轉(zhuǎn)子葉片，增加了葉身和榫頭凸臺(tái)的接觸面積，提高了葉片的扭轉(zhuǎn)剛性，增加了一階彎曲和二階扭轉(zhuǎn)振型之間的頻率分離度，有效避免了葉片的耦合顫振，后續(xù)的試驗(yàn)和使用也表明葉片不再存在顫振的問題。（2）針對(duì)壓氣機(jī)第一級(jí)小展弦比轉(zhuǎn)子葉片，后移了葉片前掠，適當(dāng)增加了葉型的厚度，提高了葉片的剛性，未出現(xiàn)離心力導(dǎo)致葉片振型發(fā)生改變的情況，葉片相鄰階次的頻率分離度得到明顯提高，避免了發(fā)生耦合顫振的可能性，能量法分析結(jié)果也表明葉片不存在失速