一种小型涡轮发动机涡轮叶片振动应力动测试验方法与流程

本发明涉及涡轮发动机技术领域，具体涉及一种小型涡轮发动机涡轮叶片振动应力动测试验方法。

背景技术：

小型涡轮发动机是巡航导弹的主动力装置，可为导弹提供巡航飞行所需的推力、电力和压缩空气，是一种性能先进、结构复杂的高速旋转机械。小型涡轮发动机工作原理、主要结构与航空发动机相似，但从结构与技术特点来看仍存在着差异，主要表现在：

1)小型涡轮发动机结构紧凑、尺寸小，对部件设计、加工、试验技术提出了挑战；

2)小型涡轮发动机转速高达数万r/min，转子系统面临着复杂的强度与振动问题；

3)小型涡轮发动机工作时间短，因而更有可能充分利用已有材料的潜在能力、采取更为简洁轻便的结构。

涡轮叶片是小型涡轮发动机的重要部件，在高温高转速强振动等恶劣环境下工作。涡轮叶片断裂故障是发动机常见故障，在发动机研制过程中，叶片断裂故障经常出现且机理复杂。为了彻底阐明叶片断裂故障机理，可通过开展涡轮叶片振动应力动态测量，获得涡轮叶片共振转速、共振频率、振动模态等关键信息，为涡轮叶片断裂机理研究提供数据支持；为解决涡轮叶片断裂故障提出可行技术途径。

涡轮叶片的振动应力动态测量，须用核心机或全台发动机来测定；即,将发动机充分分解，安装试验测量装置(滑环引电器)，在涡轮叶片上敷设足够的应变片，应变片通过引线与试验测量装置连接，在核心机或全台发动机复装后的试验过程中，由试验测量装置输出的信号来连续获得涡轮叶片的振动信息。为了降低研究成本和减小研制风险，通常采用核心机代替全台发动机气开展涡轮叶片振动应力动态测量。

为了解决叶片断裂故障，国内在叶片振动应力动测等方面开展了部分工作。目前，国内开展的振动应力测试的转速较低，一般低于30000r/min，远低于小型涡轮发动机发动机的工作转速，对于高转速、高温工作条件下的振动应力测试开展的工作不足，与国外的测试水平仍具有一定的差距。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何针对工作转速高于50000r/min、涡轮叶片工作温度大于850℃的小型涡轮发动机提出一种涡轮叶片振动应力动测试验方法。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种小型涡轮发动机涡轮叶片振动应力动测试验方法，，包括以下步骤：

进行正式试验：首先搭建高压涡轮叶片振动应力测量系统，在试验过程中，首先利用高压涡轮叶片上的应变片检测叶片发生的变形，然后应变片将检测到的信号传递到滑环引电器上，再由滑环引电器将信号传递给数据采集系统进行分析处理，以获得试验过程所需的关键数据，包括工作转速范围内涡轮叶片振动模态、频率、应力值、共振转速信息。

优选地，所述测量搭建过程中，通过数值模拟与叶片振动疲劳试验相结合的方式确定应变片的布局方式：在高压涡轮转子中选取12片叶片，每片叶片通过火焰喷涂的方式敷设一片应变片，每4片叶片为一组敷设一种位置的叶片，为a、b、c中的一种，其中a、b、c为应变片的三种敷设位置，为共振条件下振动应变大于预设阈值的位置。

优选地，a为叶背排气边2/3叶高处，b为叶背排气边距叶根5mm或以下位置，c为叶背根部中间位置，叶片上敷设应变片后留出两处引线位置用于布线。

优选地，叶片2敷设完应变片后，装配到高压涡轮盘上，用耐高温导线一端与应变片连接，一端按照走线路径布线，穿过整个涡轮部件，穿过涡轮部件后穿过高压轴，与滑环引电器1连接，线路连接完好后，滑环引电器1在试验过程中可实时获得叶片2的振动信息，实现整个信号的获取与传递过程。

优选地，数据采集系统进行分析处理的过程包括：数据采集系统根据采集的应变量进行灵敏度、测量导线、弹性模量的修正，并计算出振动应力值。

优选地，数据采集系统进行分析处理的过程具体包括：

应变片应力计算公式为：

σ＝eε

其中，e为弹性模量，ε为应变值，σ为应力值；

根据应变片的实际灵敏度系数进行测量应变值修正，修正公式为：

其中ε^/为应变随灵敏度变化的修正值，εi为应变测量值，ki为数据采集系统的灵敏度，kt为应变片在不同温度t下的灵敏度，对测量值进行修正，即：

其中，ε为经灵敏度和测量导线修正后的应变值，rl为应变片单根测量导线的电阻，r为应变片电阻；

高温条件下，弹性模量随温度的变化，则有：

et为随温度t的变化弹性模量。

优选地，在正式试验前还包括系统调试试验：

首先在不敷设应变片、不安装滑环引电器的情况下进行多轮核心机系统调试与预试验，确保试验器转子达到预定的试验转速，确保试验过程中不超温、不超转、不喘振。

优选地，在系统调试试验前还包括试验方案研究：

a)确定核心机试验器工作转速范围为覆盖发动机核心机的工作转速范围，并在该范围内稳定工作，不得出现超温、超转、喘振、熄火等异常工作状态；

b)核心机试验器压气机进口、高压涡轮出口的气流参数与发动机高压压气机进口、高压涡轮出口的气流参数一致或接近；

c)通过数值模拟与叶片振动疲劳试验相结合的方式确定应变片的合理布局，在正式试验中采用火焰喷涂的方式将应变片敷设在高压涡轮叶片上；

d)采用锁片顶紧方式消除摆动量对应变片引线可靠性的影响。

(三)有益效果

本发明通过试验方案的制定，实现了在发动机最高转速为50000r/min，涡轮叶片工作温度大于850℃条件下，涡轮叶片振动应力动态测量，其中通过应变片的合理布局、敷设方式及引线的可靠连接，提高了恶劣工作环境下，应变片的存活率。

附图说明

图1为本发明的试验方法总体原理图；

图2为本发明搭建的振动应力测试系统框图；

图3为本发明设计的应变片的布局方式示意图；

图4为叶片上敷设应变片后布线方式示意图；

图5为滑环引电器、叶片、引线关系示意图；

图6为应变片测试数据的三维振动瀑布图；

图7为应变在各频率上的分布图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明应用目前测试设备及测试手段，针对工作转速高于50000r/min、涡轮叶片工作温度大于850℃的小型涡轮发动机提出一种涡轮叶片振动应力动测试验方法，通过核心机动测试验对涡轮叶片振动应力进行测量，为阐明涡轮叶片断裂机理提供试验数据支持，为解决涡轮叶片断裂故障提出可行技术途径。

本发明提供的一种小型涡轮发动机涡轮叶片振动应力动测试验方法流程如图1所示，包括试验方案研究、制定试验大纲、进行系统调试试验、进行正式试验、试验数据处理和形成最终试验报告6个步骤；其中可根据系统调试试验的情况，进一步对正式试验进行调整，保证试验有效性及可靠性。

步骤一、试验方案研究

由于核心机试验器中不存在风扇、低压涡轮等低压系统，高压压气机进口气流环境、高压涡轮出口气流环境不同于真实发动机，涡轮叶片所处的热环境、流动环境也不同于真实发动机；发动机最高转速为50000r/min，涡轮叶片工作温度大于850℃，在此条件下对涡轮叶片应变片的合理布局、敷设及应变片与测试设备引线的可靠性提出了极大考验。为了获得较为真实的振动应力，需要开展核心机试验试验模拟方法研究与应变片敷设及引线的可靠性研究：

a)核心机试验器工作转速范围应覆盖发动机核心机的工作转速范围，并在该范围内稳定工作，不得出现超温、超转、喘振、熄火等异常工作状态；

b)核心机试验器压气机进口、高压涡轮出口的气流参数应与发动机高压压气机进口、高压涡轮出口的气流参数一致或接近；

c)通过数值模拟与叶片振动疲劳试验相结合的方式确定应变片的合理布局，采用火焰喷涂的方式将应变片敷设在高压涡轮叶片上；

d)涡轮叶片与涡轮盘通过榫接结构连接，因此叶片与轮盘存在一定摆动量，采用锁片顶紧方式消除摆动量对应变片引线可靠性的影响。

第二步、制定试验大纲

试验大纲应详细规定系统调试试验和正式试验的试验件、测量参数要求、试验准备及要求、试验方案、试验程序、异常情况处置预案等相关内容。

第三步、进行系统调试试验

由于高压涡轮叶片振动应力核心机动测试验风险大、成本高(应变片价格昂贵)，为确保试验成功，首先在不敷设应变片、不安装测试设备(滑环引电器)的情况下进行多轮核心机系统调试与预试验，摸索验证核心机试验器的控制策略与试验方法，确保试验器转子达到预定的试验转速，确保试验过程中不超温、不超转、不喘振，获得来流总压、燃油流量、排气反压调节机构等控制参数与试验器转子转速之间的关系。

在此基础上，将控制模型固化到控制软件中，实现快速调节，缩短试验时间，确保正式试验过程中高温应变片具有较高的存活率，并获得较多的、可靠的试验数据。核心机测量参数应包含用于测取核心机试验器关键截面的气流总温、总压及核心机试验器转子转速等，如表1所示。

表1核心机试验器整机性能测量参数表

第四步、进行正式试验

首先为正式试验搭建高压涡轮叶片振动应力测量系统，其框图如图2所示。在试验过程中，首先利用高压涡轮叶片上的应变片检测叶片发生的变形，然后应变片将检测到的信号传递到滑环引电器上，再由滑环引电器将信号传递给数据采集系统进行分析处理，以获得试验过程所需的关键数据，包括工作转速范围内涡轮叶片振动模态、频率、应力值、共振转速等关键信息，试验应全程记录数据，并根据试验需求选定通道采样频率及应变测试设备，测量误差一般要求±0.5％。

其中，系统搭建过程中，通过数值模拟与叶片振动疲劳试验相结合的方式确定应变片的布局方式如图3所示，在高压涡轮转子中选取12片叶片，每片叶片通过火焰喷涂的方式敷设一片应变片，每4片叶片为一组敷设一种位置的叶片，即对应图3中的一个位置，为a、b、c中的一种，其中a、b、c为应变片的敷设位置，为共振条件下振动应变较大位置，具体地，a为叶背排气边2/3叶高处，b为叶背排气边距叶根5mm或以下位置，c为叶背根部中间位置，叶片上敷设应变片后留出两处引线位置用于布线(例如图4中箭头所指)。

滑环引电器1、叶片2、引线3的关系如图5所示，其中，叶片2敷设完应变片后，装配到高压涡轮盘上，用耐高温导线一端与应变片连接，一端按照图4中的走线路径布线，穿过整个涡轮部件，穿过涡轮部件后按照图5中引线3的路线穿过高压轴，与滑环引电器1连接。线路连接完好后，滑环引电器1在试验过程中可实时获得叶片2的振动信息，实现整个信号的获取与传递过程。

第五步、试验数据处理

数据采集系统根据采集的应变量进行灵敏度、测量导线、弹性模量的修正，并计算出振动应力值。

应变片应力计算公式为：

σ＝eε

其中，e为高温条件下的弹性模量，ε为应变值，σ应力值；

根据高温应变片的实际灵敏度系数进行测量应变值修正，修正公式为：

其中ε^/为应变随灵敏度变化的修正值，εi为应变测量值，ki为数据采集系统的灵敏度，kt为应变片在不同温度t下的灵敏度，耐高温合金导线在高温条件下的电阻率高，需对测量值进行修正，即：

其中ε为经灵敏度和测量导线修正后的应变值，rl为应变片单根测量导线的电阻，r为应变片电阻。

高温条件下，弹性模量随温度的变化，则有：

第六步、根据第一步至第五步形成试验报告

本发明通过对试验方法的研究及应用，成功获得了工作转速范围内涡轮叶片振动模态、频率、应力幅值、共振转速等关键信息。应变片测试数据的三维振动瀑布图6所示，应变在各频率上的分布如图7所示。

通过涡轮叶片振动应力动测试验验证，本发明测得了引起涡轮叶片共振的危险激励倍频。为长寿命小型涡轮发动机涡轮结构改进提供了改进方向。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。