CN104483119A - 一种用于获得发动机转子叶片振动应力的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于获得噪声激励下发动机转子叶片振动应力的静态试验方法,使用行波声场模拟噪声激励,使用叶根顶紧力方法模拟转速引起的叶根力边界,使用动态应变测试手段获得转子叶片最大振动应力部位的最大均方根主应力。该方法可以对转子叶片在噪声激励下、各固定物理转速下的振动应力进行测试,可方便考虑叶片的噪声激励方向,试验成本较低,避免了叶片在旋转情况下进行噪声激励试验所带来的诸多问题,如需要大功率电机驱动,需要昂贵的环形电刷引出应变信号,也避免了旋转情况下声场难以控制的问题。

Description

一种用于获得发动机转子叶片振动应力的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及航空发动机结构强度领域,具体涉及一种用于获得发动机转子叶片振 动应力的静态试验方法。
背景技术
[0002] 发动机转子叶片是航空发动机关键零部件之一,其工作条件恶劣,转子叶片不仅 高速旋转时所承受的离心负荷大,叶尖速度高,而且处于流场、温度场、声场等多场耦合的 复杂工作环境下,导致其静应力、动应力水平都比较高。振动应力为转子叶片工作时主 要应力状态之一,其中转子叶片的振动应力主要来自于气流扰动、噪声激励或叶盘传递 的振动等。如文献陶春虎等编著,航空发动机转动部件的失效与预防,国防工业出版社, ISBN978-7-118-02146-2在介绍转子叶片的振动类型及其特征时指出,"随机激振在各个频 率下都有激振力,这些激振力作用在叶片上,会引起叶片普遍的强迫振动,而在某几个频率 下引起共振。这几个频率就是叶片的自振频率,随机激振力是随时间变化的,因而叶片振动 也是随时间变化,称为随机振动。其激振源是强大的噪声,故又将由此引起的叶片疲劳称为 噪声疲劳,噪声源是叶片对气流的干扰和气流燃烧。噪声愈大,激振力愈强,叶片受损可能 性愈大"。
[0003] 测试发动机转子叶片在噪声激励下振动应力显得非常重要,而在发动机开机状态 下测试噪声激励导致的振动应力试验成本高,需要大功率电机驱动,需要昂贵的环形电刷 引出应变信号,同时,试验难度大,旋转情况下声场难以控制。
发明内容
[0004] 为克服相关技术中存在的问题,本发明提供了一种用于获得发动机转子叶片振动 应力的方法,用于获得噪声激励下发动机转子叶片振动应力的静态试验方法。使用该方法 可以在转子叶片不转动情况下测试转子叶片在要求的噪声谱、声激励方向、物理转速下的 振动应力,具体包括如下步骤:
[0005] S1、使用行波声场模拟噪声激励;
[0006] S2、使用叶根顶紧力方法模拟转速引起的叶根力边界,并依据所述叶根力边界将 转子叶片试验件安装在夹具上;
[0007]S3、使用动态应变测试手段获得转子叶片最大振动应力部位的最大均方根主应 力。
[0008] 优选的是,在所述步骤Sl中,通过行波管设计和声场闭环控制满足试验对噪声谱 的要求,通过安装夹具设计满足试验对噪声激励方向的要求。
[0009] 在上述任一方案中优选的是,所述步骤S2具体如下:
[0010] S201、标定螺栓的拧紧力矩与顶紧力的关系;
[0011] S202、计算物理转速下转子叶片对应的离心力,所述转子叶片转动产生的离心力 形成叶根力边界;
[0012] S203、由所述叶根力边界结合步骤S201得到的拧紧力矩与顶紧力的关系,得到试 验要求的物理转速应施加的拧紧力矩;
[0013] S204、通过定力扭矩扳手按照所述拧紧力矩将转子叶片试验件安装在夹具上。
[0014] 在上述任一方案中优选的是,在所述步骤S3中,包括在转子叶片的振动应力最大 部位粘贴一应变花用来测量转子叶片的应力。
[0015] 在上述任一方案中优选的是,通过动态应变仪对振动应力进行测量。
[0016] 在上述任一方案中优选的是,通过以下公式计算测试点的最大均方根主应力,
Figure CN104483119AD00041
[0021] 其中,分别为转子叶片最大振动应力部位〇°、90°和45°方向的均方根 应变值,E为转子叶片材料的弹性模量。
[0022] 本发明提供的技术方案包括以下有益效果:本发明可以对转子叶片在噪声激励 下、各物理转速下的振动应力进行测试,可方便考虑叶片的噪声激励方向,试验成本较低, 避免了叶片在旋转情况下进行噪声激励试验所带来的诸多问题,如需要大功率电机驱动, 需要昂贵的环形电刷引出应变信号,也避免了旋转情况下声场难以控制的问题。
附图说明
[0023] 此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分,示出了符合本发明的实施 例,并与说明书一起用于解释本发明的原理。
[0024]图1是按照本发明用于获得发动机转子叶片振动应力的方法中一优选实施例的 标定螺栓的拧紧力矩与顶紧力的关系示意图。
[0025] 图2是图1所示实施例的三个不同转速下转子叶片在随机噪声激励下动应力标定 结果示意图。
[0026]图3是图1所示实施例的三个不同转速下转子叶片在单频声激励下动应力标定结 果示意图。
[0027]图4是图2所示实施例的随机噪声激励下叶片的振动应力与共振频率处的声功率 谱密度的1/2次方的关系示意图。
[0028]图5是图3所示实施例的单频声激励下叶片的振动应力与共振频率处的声功率谱 密度的1/2次方的关系示意图。
具体实施方式
[0029] 这里将详细地对示例性实施例进行说明,其示例表示在附图中。下面的描述涉及 附图时,除非另有表示,不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。
[0030] 实施例1 :
[0031] 本发明提供了一种用于获得发动机转子叶片振动应力的方法,具体包括如下步 骤:
[0032] S1、使用行波声场模拟噪声激励;
[0033] S2、使用叶根顶紧力方法模拟转速引起的叶根力边界,并依据所述叶根力边界将 转子叶片试验件安装在夹具上;
[0034] S3、使用动态应变测试手段获得转子叶片最大振动应力部位的最大均方根主应 力。
[0035] 在本实施例中,在所述步骤Sl中,通过行波管设计和声场闭环控制满足试验对噪 声谱的要求,通过安装夹具设计满足试验对噪声激励方向的要求。具体的,设计一圆形小截 面行波管,使用一台1万声瓦的高频扬声器时其声压级可达170dB,噪声谱通过闭环控制系 统进行控制,设计安装夹具使声入射方向与转子叶片的上缘相垂直,本实施例采用随机噪 声激励。
[0036] 所述步骤S2具体如下:
[0037] S201、如图1所示,通过测力传感器、定力扳手对试验中将要使用的机械性能相 同、大小相同的螺栓进行标定,得到螺栓的拧紧力矩与顶紧力的关系;
[0038] S202、计算物理转速下转子叶片对应的离心力,所述转子叶片转动产生的离心力 形成叶根力边界;
[0039] S203、由所述叶根力边界结合步骤S201得到的拧紧力矩与顶紧力的关系,得到试 验要求的物理转速应施加的拧紧力矩;
[0040] S204、通过定力扭矩扳手按照所述拧紧力矩将转子叶片试验件安装在夹具上。
[0041] 在所述步骤S3中,包括在转子叶片的振动应力最大部位粘贴一应变花用来测量 转子叶片的应力;通过动态应变仪对振动应力进行测量。
[0042] 将9个转子叶片分成三组,对应三个不同转速6000r/min、8000r/min、IOOOOr/ min,三组叶片施加不同的顶紧力,用于随机噪声激励下发动机转子叶片振动应力的静态试 验,通过以下公式计算测试点的最大均方根主应力,
Figure CN104483119AD00051
[0047] 其中,分别为转子叶片最大振动应力部位0°、90°和45°方向的均方根 应变值,E为转子叶片材料的弹性模量。
[0048] 得到三组叶片动应力与声压的关系如图2所示,不同转速下转子叶片的动应力 与共振频率处的声功率谱密度的1/2次方的关系如图4所示,其中A表示6000r/min时PSD1/2 (fO)与最大均方根主应力&的关系,B为8000r/min时PSD1/2 (fO)与最大均方根主 应力G的关系,C为lOOOOr/min时PSD1/2(fO)与最大均方根主应力&的关系。
[0049] 实施例2 :
[0050]与实施例1相似,所不同的是,本实施例采取单频声激励,包括以下步骤:
[0051] S1、使用行波声场模拟噪声激励;
[0052]S2、使用叶根顶紧力方法模拟转速引起的叶根力边界,并依据所述叶根力边界将 转子叶片试验件安装在夹具上;
[0053]S3、使用动态应变测试手段获得转子叶片最大振动应力部位的最大均方根主应 力。
[0054] 在本实施例中,在所述步骤Sl中,通过行波管设计和声场闭环控制满足试验对噪 声谱的要求,通过安装夹具设计满足试验对噪声激励方向的要求。具体的,设计一圆形小截 面行波管,使用一台1万声瓦的高频扬声器时其声压级可达170dB,噪声谱通过闭环控制系 统进行控制,设计安装夹具使声入射方向与转子叶片的上缘相垂直,本实施例采用但频声 激励。
[0055] 所述步骤S2具体如下:
[0056]S201、如图1所示,通过测力传感器、定力扳手对试验中将要使用的机械性能相 同、大小相同的螺栓进行标定,得到螺栓的拧紧力矩与顶紧力的关系;
[0057] S202、计算物理转速下转子叶片对应的离心力,所述转子叶片转动产生的离心力 形成叶根力边界;
[0058] S203、由所述叶根力边界结合步骤S201得到的拧紧力矩与顶紧力的关系,得到试 验要求的物理转速应施加的拧紧力矩;
[0059] S204、通过定力扭矩扳手按照所述拧紧力矩将转子叶片试验件安装在夹具上。
[0060] 在所述步骤S3中,包括在转子叶片的振动应力最大部位粘贴一应变花用来测量 转子叶片的应力;通过动态应变仪对振动应力进行测量。
[0061 ] 将9个转子叶片分成三组,对应三个不同转速6000r/min、8000r/min、IOOOOr/ min,三组叶片施加不同的顶紧力,用于单频声激励下发动机转子叶片振动应力的静态试 验,通过以下公式计算测试点的最大均方根主应力,
Figure CN104483119AD00061
[0066] 其中,分别为转子叶片最大振动应力部位0°、90°和45°方向的均方根 应变值,E为转子叶片材料的弹性模量。
[0067] 得到三组叶片动应力与声压的关系如图3所示,不同转速下转子叶片的动应力 与共振频率处的声功率谱密度的1/2次方的关系如图5所示,其中A表示6000r/min时 PSD1/2(fO)与最大均方根主应力U的关系,B为8000r/min时PSD1/2(fO)与最大均方根主 应力^的关系,C为lOOOOr/min时PSD1/2 (f0)与最大均方根主应力的关系。
[0068] 如果在叶片旋转情况下进行噪声激励试验,需要大功率的电机驱动转子叶片旋 转,需要昂贵的环形电刷引出应变信号,同时叶片旋转情况下噪声场很难控制。本发明采取 叶根顶紧力方法模拟转速引起的叶根边界条件,从而实现在转子叶片在不旋转的情况下对 噪声激励下的不同转速叶片的振动应力进行测试。
[0069] 需要说明的是,按照本发明的用于获得发动机转子叶片振动应力的方法包括上述 实施例中的任何一项及其任意组合,但上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式 进行描述,并非对本发明范围进行限定,在不脱离本发明设计精神前提下,本领域普通工程 技术人员对本实发明的技术方案作出的各种变形和改进,均应落入本发明的权利要求书确 定的保护范围内。

Claims (6)

1. 一种用于获得发动机转子叶片振动应力的方法,其特征在于包括以下步骤: 51、 使用行波声场模拟噪声激励; 52、 使用叶根顶紧力方法模拟转速引起的叶根力边界,并依据所述叶根力边界将转子 叶片试验件安装在夹具上; 53、 使用动态应变测试手段获得转子叶片最大振动应力部位的最大均方根主应力。
2. 根据权利要求1所述的用于获得发动机转子叶片振动应力的方法,其特征在于:在 所述步骤S1中,通过行波管设计和声场闭环控制满足试验对噪声谱的要求,通过安装夹具 设计满足试验对噪声激励方向的要求。
3. 根据权利要求1所述的用于获得发动机转子叶片振动应力的方法,其特征在于:所 述步骤S2具体如下: 5201、 标定螺栓的拧紧力矩与顶紧力的关系; 5202、 计算物理转速下转子叶片对应的离心力,所述转子叶片转动产生的离心力形成 叶根力边界; 5203、 由所述叶根力边界结合步骤S201得到的拧紧力矩与顶紧力的关系,得到试验要 求的物理转速应施加的拧紧力矩; 5204、 通过定力扭矩扳手按照所述拧紧力矩将转子叶片试验件安装在夹具上。
4. 根据权利要求1所述的用于获得发动机转子叶片振动应力的方法,其特征在于:在 所述步骤S3中,包括在转子叶片的振动应力最大部位粘贴一应变花用来测量转子叶片的 应力。
5. 根据权利要求4所述的用于获得发动机转子叶片振动应力的方法,其特征在于:通 过动态应变仪对振动应力进行测量。
6. 根据权利要求1所述的用于获得发动机转子叶片振动应力的方法,其特征在于:在 所述步骤S3中,通过以下公式计算测试点的最大均方根主应力,
Figure CN104483119AC00021
其中,分别为转子叶片最大振动应力部位0°、90°和45°方向的均方根应变 值,E为转子叶片材料的弹性模量。
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