浅析航空发动机叶片振动的影响
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浅析航空发动机叶片振动的影响
摘要 航空发动机因为其工作环境的特殊性，对于叶片有着较高的要求。在文中则主要是针对航空发动机叶片振动及频率测量展开分析，以期可以为航空发动机的设计提供借鉴。
关键词 航空发动机；叶片；振动
航空发动机是一项追求极限的系统工程，涉及材料、力学、热学等物理方面的理论。随着现代发动机技术突飞猛进的发展，作为发动机核心部件的压气机压比被设计的越来越高，为了满足发动机整体的大推重比要求，对压气机的效率的要求也越来越高。
压气机工况极其复杂，复杂的工况主要对压气机叶片性能产生消极影响。压气机转子叶片需要在高负荷、高转速、高振动的环境下工作。复杂的工作环境造成压气机叶片疲劳失效故障的原因多样化，这一直是世界航空发动机研究者重点研究的方向。
通过对航空发动机压气机叶片失效的分析表明，导致压气机叶片失效的因素很多，颤振引起的失效是叶片故障的主要因素。航空发动机颤振的机理以及错频装配技术已经获得了广泛深入的研究。但面对复杂的错频装配工艺技术约束条件，航空发动机主机装配单位的叶片排频装配技术还很薄弱，尤其是面对批产机型的压气机装配，传统的依靠人力装配已经显得效率过于低下压气机转子叶片的装配已经成为整机装配的重要影响因素，所以全新依托于计算机技术手段并应用于装配生的压气机叶片排频技术研究意义更显重大。
1 叶片排频技术应用意义
叶片排频技术通过对待装配叶片按照每个叶片的固有频率和质量，遵循装配工艺技术条件进行装配，达到叶片在频率上实现错频，在质量矩上达到平衡，防止发动机产生颤振的方法研究。我国某型涡喷发动机通过对压气机转子装配工艺进行叶片排频技术改进，在长时间使用过程中，减少了发动机颤振的发生。航空发动机领域的学者得出结论，航空发动机转子叶片按照频率差和静质量矩进行优化排序对于减小叶片装配造成的不平衡量以及防止发动机颤振具有积极的意义。
目前国内的叶片排频技术主要是基于单纯的计算机算法进行研究，比如：组合优化方法、一般遗传算法、混合遗传算法等。關于叶片排频技术的研究也主要集中在科研院所和各大高校，这样导致研究的成果主要体现在理论研究上，对一线制造单位的效用有所局限。很长时间里，各大主机制造厂不得不依赖自己的能力，对叶片排频技术如何应用于一线生产，尤其是应用于批产机型进行研究。
2 叶片固有频率的测量方法
叶片固有频率数值的测量是叶片排频技术的操作基础与前提。单个叶片作为一个简单的机械振动系统，主要是要求确定叶片本身的固有频率。目前简单振动系统固有频率的测量方法主要分成时域法和频域法。
简单振动系统固有频率的时域测试法的原理是利用振动系统的振动响应过程数据进行固有频率的追踪测量。常用的测量方式主要有自由衰减曲线法和时域数字拟合法。
简单振动系统固有频率的频域测试法的原理是利用振动系统共振的特性，使用频响函数的数据进行振动参数的跟踪识别。常见的频域测量方法主要通过频谱分析、频域曲线拟合以及测量仪器分析的方式实现对振动系统固有频率的测量。
国内现阶段航空发动机转子叶片固有频 率的测量，大多情况下采用的是频域测量法（共 振法）。理论上共 振测量法是可以精准地测出叶片的固有频率，但传统的共 振测量方法在测量过程中，精确程度经常会受到功 率放大器、叶片夹具、信 号发生器、振动台等测试构件精度的影响。并且传统的共振测量法需要人工判断叶片是否发生共 振，从而测量结果很大程度会受到人为因素的干扰。因此，传统共振法对固有频率测量的精度往往不高。共振法还需要通过连续地改变激振频率，才能找出相应叶片的固有频率，需要花费的时间成本过高。因此采取基本的共振法，对叶片固有频率进行测量，于一线的生产现场投入到叶片频率测定时间过高，而影响生产的进度增加企业的生产成本。
通过对各种固有频率测量方法的对比，结合某制造厂叶片生产车间的实际需求及特点，叶片车间采用计算机辅助测试仪分析法对叶片的固有频率进行测量。
测试仪分析法有如下优点：①测试设备结构简单，②测量结果的精度足以满足压气机的装配需求，③测试结果直观，④对操作人员的技能没有过高要求，⑤可以同时进行多组叶片的固有频率测量。
测频系统由信号源、数据采集卡、动态信号适配器和频率批量测试系统软件、计算机等组成。另外还需激振器、功率放大器、传感器和叶片专用夹具等。
将数据采集卡和动态信号适配器用专用的68芯SCSI电缆连接好，信号源输出端口和动态信号适配器后面板的信号源输入口相连。加速度传感器用专用传输电缆与电荷放大器输入口相接后，经输出端口与动态信号适配器前面板的通道1-4中的任意一个接口插接相连。将动态信号适配器前面板的信号输出端口与功率放大器的信号输入端口相连，并将电涡流激振器与功率放大器之间用专用电缆连接，该电缆接在功率放大器16欧的接线柱上。系统连接，如图2.1所示。
3 测量过程
3.1 定频调试
设置正弦信号频率、信号源输出电压。调试功能的目的是检测信号源的频率
精度。
3.2 待测零件入库
将待测零件信息按照测量时的位置录入测量系统。
3.3 装卡
将待测叶片通过专用夹具固定在振动台台面上。
3.4 振动激励
通过信号发生器调节振动台激振频率。
3.5 频率检测
通过电涡流传感器拾取叶片表面的振动信号，当激振频率与叶片固有频率重合时，信号分析仪上显示的叶片振幅达到最大，此时的频率即为叶片的固有频率。
3.6 查看测试结果
经过测量系统的粗扫和精扫，系统将测量数值以及频率波形直接显示出来。如图2.2所示。
4 结束语
介绍了某型航空发动机叶片排频装配技术和叶片频率测量的详细方法。某型发动机按照错频装配要求进行装配后，压气机叶片颤振明显减少，叶片的寿命得到很多的提高，在实践中证实叶片排频装配的必要性。叶片频率的测量采用计算机辅助测量方法后，通过功率放大器及计算机程序的可视化显示使测量的准确的和效率得到提高，并且降低了对操作人员的技能要求。
