CN109556765B - 一种叶片非接触振动应力测量值换算方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种叶片非接触振动应力测量值换算方法，包括：1)转子和静子轴向错动的修正：确定转子和静子的轴向错动量X0，X0＝X1‑(X2+X3)，其中：X1是测量传感器相对于基准位的轴向位移；X2是转子叶片的安装边相对于所述基准位的轴向位移；X3是转子叶片的叶尖相对于转子叶片的安装边的轴向位移；2)叶片振动变形的修正：利用轴向错动量X0确定转子叶片的叶尖的实测点，结合叶尖的实测振动位移和经由有限元法所得的相对振动位移分布，获得缩放系数K，通过经由有限元法确定的相对振动应力分布

除以相对振动位移分布缩放系数K获得真实振动应力分布σⁱ。

Description

一种叶片非接触振动应力测量值换算方法

技术领域

本发明涉及一种振动应力测量值换算方法，具体地涉及一种用于航空发动机叶片的非接触振动应力测量值换算方法。

背景技术

本发明从叶尖定时法非接触测量的基本原理出发，对非接触测量叶尖振动位移到叶身振动应力的换算方法进行了阐明。通过将试验数据和理论计算结果相结合，阐明了将叶片非接触测量振动位移结果转换成叶片振动应力分布的流程和方法。本发明所采用的非接触振动应力测量值换算方法已在QC发动机风扇转子叶片的动应力测量上进行了应用。并且为验证该方法的可靠性，还将其处理后的试验分析结果与应变片测量的试验分析结果进行了对比分析。通过对比分析表明，本发明所用的非接触振动应力测量值换算方法可靠，可应用于该航空发动机叶片的动应力测量。目前，该方法已逐步运用于青城、黄山等型号的发动机高低压转子叶片的动应力测量试验数据的分析上，取得了较好的试验分析结果。随着非接触测量在更多型号发动机上的工作的开展，该方法也将越来越多的应用于各型号发动机的部件和整机动应力测量试验数据分析上，成为监测和分析发动机叶片振动的重要手段。同时，本方法也可为相似结构的转子部件非接触测量试验数据处理提供参考。

发明内容

发明目的

发动机转子叶片非接触振动位移测量是发动机转子叶片振动状况监测和测量的一种重要手段。叶片非接触振动位移测量的目的是通过采集叶片的振动位移数据，从中分析出叶片相应的振动频率、振型、振幅、相位，并换算出叶片的振动应力和疲劳寿命等。本发明所涉及的振动应力换算方法基于非接触测量原理，结合理论分析结果，主要针对发动机叶片非接触测量试验数据进行处理，解决了如何准确的将非接触测量所得的叶尖振动位移转换为叶身振动应力分布的问题。

技术方案

本申请提供了一种叶片非接触振动应力测量值换算方法，包括：

1)转子和静子轴向错动的修正：通过下式确定转子和静子的轴向错动量X0，

X0＝X1-(X2+X3)

其中：X1是测量传感器相对于基准位的轴向位移；

X2是转子叶片的安装边相对于所述基准位的轴向位移；

X3是转子叶片的叶尖相对于转子叶片的安装边的轴向位移；

2)叶片振动变形的修正：

利用轴向错动量X0确定转子叶片的叶尖的实测点，结合叶尖的实测振动位移和经由有限元法所得的相对振动位移分布，获得缩放系数K，通过经由有限元法确定的相对振动应力分布σⁱ′除以相对振动位移分布缩放系数K获得真实振动应力分布σⁱ。

在上述方法中，可以通过如下过程获得缩放系数K：

a)在转子叶片的振动达到一侧极限位置时，通过叶尖的实测点和相对振动位移分布确定第一极限位置点O1的第一轴向坐标Z1和第一轴向振动位移U1z，第一轴向坐标Z1和第一轴向振动位移U1z、传感器轴向坐标Tz与比例缩放系数K满足Z1+U1z/K＝Tz；

b)转子叶片的振动到达另一侧极限位置时，通过叶尖的实测点和相对振动位移分布确定第二极限位置点O2的第二轴向坐标Z2和第二轴向振动位移U2z，第二轴向坐标Z2和第二轴向振动位移U2z、传感器轴向坐标Tz与比例缩放系数K满足Z2+U2z/K＝Tz；

c)第一轴向振动位移和第二轴向振动位移之和与实测振动位移相等，算出缩放系数K。

在上述方法中，所述基准位可以是发动机中介机匣前安装边。

在上述方法中，在转子和静子轴向错动的修正中，在对转子建模时：转子叶片采用带厚度的平面应力单元模拟，保证转子叶片的重心的轴向位置和真实叶片一致；连接构件模拟为带厚度的平面应力单元；转子的其余部件采用轴对称单元模拟；各径向及轴向止口接触面均采用接触单元模拟，并考虑配合紧度。

在上述方法中，在转子和静子轴向错动的修正中，在对静子建模时：整环结构使用二维轴对称单元进行模拟；分块结构使用带厚度的平面应力单元进行模拟。

在上述方法中，所述方法可以用于航空发动机叶片的非接触振动应力测量值换算。

有益效果

本发明从叶尖定时法非接触测量的基本原理出发，对非接触测量叶尖振动位移到叶身振动应力的换算方法进行了阐明。通过将试验数据和理论计算结果相结合，阐明了将叶片非接触测量振动位移结果转换成叶片振动应力分布的流程和方法。本发明所采用的非接触振动应力测量值换算方法已在QC发动机风扇转子叶片的动应力测量上进行了应用。并且为验证该方法的可靠性，还将其处理后的试验分析结果与应变片测量的试验分析结果进行了对比分析。通过对比分析表明，本发明所用的非接触振动应力测量值换算方法可靠，可应用于该航空发动机叶片的动应力测量。目前，该方法已逐步运用于青城、黄山等型号的发动机高低压转子叶片的动应力测量试验数据的分析上，取得了较好的试验分析结果。随着非接触测量在更多型号发动机上的工作的开展，该方法也将越来越多的应用于各型号发动机的部件和整机动应力测量试验数据分析上，成为监测和分析发动机叶片振动的重要手段。同时，本方法也可为相似结构的转子部件非接触测量试验数据处理提供参考。

附图说明

图1示出叶片非接触振动振动应力测量值修正流程；

图2a-2b示出发动机转、静子热态轴向位移错动示意图，其中图2a示出机匣和转子安装边轴向位移，图2b示出叶尖轴向位移；

图3示出发动机转、静子热态轴向位移矢量图；

图4示出振动测量位移示意图(叶尖俯视图)；

图5示出一种叶片U-K分析结果；

图6示出另一种叶片U-K分析结果。

具体实施方式

叶片非接触振动应力测量值修正的具体流程如图1所示。

从上图可以看出，对于叶片非接触振动应力测量值修正需要转静子的轴向错动量和叶片振动变形两方面进行修正，这里以某发动机风扇部件第1级转子叶片为例，对修正方法进行介绍：

1)针对转、静子轴向错动的修正

定义发动机坐标系为右手直角坐标系：X沿发动机轴向，顺气流方向为正，Z沿发动机垂向，竖直向上为正，Y轴由右手法则确定。图2a-2b为某发动机风扇转、静子部件的热态轴向变形示意图。由图2a可见，发动机工作时，相对冷态，测量探头B相对于发动机中介机匣前安装边A有一个轴向位移x1(由B到B1)，第1级转子安装边C相对于安装边A有一个轴向位移x2(由C到C1)。转子叶片自身也会发生热态变形，由此导致叶尖点相对于转子安装边有一个轴向位移x3，见图2b所示。第1级转子热态变形后的位置即为图2中的D1位置。

因此相对于冷态，发动机热态工作后机匣上非接触测量探头相对于第1级转子叶片叶尖的轴向错动量可由式(1)求出，位移矢量图见图3所示。

X0＝X1-(X2+X3)…………………………………(1)

式中：X0—测量探头相对于叶尖的轴向错动量；

X1—测量探头相对于发动机中介机匣前安装边的轴向位移；

X2—第1级转子安装边相对于发动机中介机匣前安装边的轴向位移；

X3—第1级转子叶片叶尖相对于第1级转子安装边的轴向位移。

为计算转、静子轴向错动量需要对工作状态下转静子部件的轴向位移进行计算。通过建立有限元模型对分析所涉及的转子叶盘和转、静子部件的静强度进行计算。转子叶盘采用循环对称结构建模。转子部件建模时，转子叶片采用带厚度的平面应力单元模拟，需保证叶片重心的轴向位置和真实叶片一致；螺栓部分模拟为带厚度的平面应力单元；其余部分采用轴对称单元模拟；各径向及轴向止口接触面均采用接触单元模拟，并考虑了配合紧度。静子部件在建模时，为整环结构使用二维轴对称单元进行模拟；对于分块结构使用带厚度的平面应力单元进行模拟。通过对以上零部件进行有限元分析，得到转、静子的轴向错动量，从而可以按公式(1)得到测量探头相对于叶尖的轴向错动量。

2)针对叶片振动变形的修正

当叶片发生振动变形时，其叶尖各点一般会存在沿轴向的位移分量，因此，装于静子件上的测量探头在叶尖上的扫描位置不会是一个固定不变点，而应该是一个区域。如图4所示，探头在叶尖的实际扫描区域应为M-K。根据非接触式测量原理，探头所测振动位移应是其所记录数据点中两个叶尖振动极限点间的弧长，在图4中即为弧

的长度。

当探头相对叶尖稳态位置a1确定后，对于叶片的某阶振型，已知叶尖实测振动位移U，根据该阶相对振动位移分布，可获得当图4所示弧的长度等于U时该阶的相对振动位移分布缩放系数K，该阶相对振动应力分布除以K则为测量位移为U时该阶振动的真实振动应力分布，其计算公式为：

其中：σⁱ′—第i节点相对振动应力；

σⁱ—第i节点真实振动应力。

叶片振动变形修正基于有限元的模态计算结果。本发明所涉及的换算方法需要运用ANSYS的线性摄动分析方法进行模态分析，考虑发动机工作状态下因受大载荷作用而对发动机转子叶片结构、应力刚度等变化对模态分析产生的影响。线性摄动分析主要包括两个分析模块：基础分析和下游分析。本发明所涉及的线性摄动基础分析为叶片的大变形预应力分析，下游分析为叶片的模态分析。

在完成模态计算后，对叶尖测点附近建立节点组。可编制搜索程序求解比例缩放系数K，该程序在计算时调用模态计算结果，为控制计算开销和精度，应设置允许误差和搜索精度。使用该程序求解比例缩放系数K的方法如下：

a)在叶片振动达到平衡位置一侧极限位置时，假设此时叶尖正对探头点为O1，则此时必定存在一比例缩放系数K，使得O1点的轴向坐标Z1、探头轴向坐标Tz与O1点的轴向振动位移U1z满足关系式：

Z1+U1z/K＝Tz………………………………………(3)

b)同理，叶片振动到达另一侧极限位置时，叶尖必定存在点O2，使得O2点的轴向坐标Z2、探头轴向坐标Tz与O2点的轴向振动位移U2z满足关系式:

Z2+U2z/K＝Tz………………………………………(4)

c)当O1、O2轴向振动位移之和与试验实测振动位移U相等时，这时的比例缩放系数K即为叶片振动应力缩放倍数。

将有限元计算的指定阶次的相对振动应力除以将通过上述算法求解的比例缩放系数K，即得实测振动位移U下对应的叶片真实振动应力分布。

根据上述方法，建立求解程序，该程序计算输出文件为两个文件如下：

result_Region_xzz.txt—记录了计算时计算区间的搜索信息，可为下次开启计算加速时计算范围和范围增量的取值提供参考，以便再次计算可迅速获得结果；

result_summy.txt—指定精度下计算结果汇总。

图5和图6为两种搜索精度下的输出结果，通过对比可以看出搜索精度越高，轴向振动位移误差越小，对应的比例系数也越接近真实值。

Claims (5)

1.一种叶片非接触振动应力测量值换算方法，包括：

1)转子和静子轴向错动的修正：定义发动机坐标系为右手直角坐标系：X沿发动机轴向，顺气流方向为正，Z沿发动机垂向，竖直向上为正，Y轴由右手法则确定，通过下式确定转子和静子的轴向错动量X0，X0＝X1-(X2+X3)

其中：X1是相对冷态，测量传感器相对于基准位的轴向位移；

X2是相对冷态，转子叶片的安装边相对于所述基准位的轴向位移；

X3是热态变形，转子叶片的叶尖相对于转子叶片的安装边的轴向位移；

2)叶片振动变形的修正：

利用轴向错动量X0对叶尖测点附近建立节点组，确定转子叶片的叶尖的实测点，结合叶尖的实测振动位移和经由有限元法所得的相对振动位移分布，获得缩放系数K，通过经由有限元法确定的相对振动应力分布σ^i′除以相对振动位移分布缩放系数K获得真实振动应力分布σⁱ，

通过如下过程获得缩放系数K：

a)在转子叶片的振动达到一侧极限位置时，通过叶尖的实测点和相对振动位移分布确定第一极限位置点O1的第一轴向坐标Z1和第一轴向振动位移U1z，第一轴向坐标Z1和第一轴向振动位移U1z、传感器轴向坐标Tz与比例缩放系数K满足Z1+U1z/K＝Tz；

b)转子叶片的振动到达另一侧极限位置时，通过叶尖的实测点和相对振动位移分布确定第二极限位置点O2的第二轴向坐标Z2和第二轴向振动位移U2z，第二轴向坐标Z2和第二轴向振动位移U2z、传感器轴向坐标Tz与比例缩放系数K满足Z2+U2z/K＝Tz；

c)第一轴向振动位移和第二轴向振动位移之和与实测振动位移相等，算出缩放系数K。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述基准位是发动机中介机匣前安装边。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，在转子和静子轴向错动的修正中，在对转子建模时：

转子叶片采用带厚度的平面应力单元模拟，保证转子叶片的重心的轴向位置和真实叶片一致；

连接构件模拟为带厚度的平面应力单元；

转子的其余部件采用轴对称单元模拟；

各径向及轴向止口接触面均采用接触单元模拟，并考虑配合紧度。

4.根据权利要求1或3所述的方法，其中，在转子和静子轴向错动的修正中，在对静子建模时：

整环结构使用二维轴对称单元进行模拟；

分块结构使用带厚度的平面应力单元进行模拟。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法用于航空发动机叶片的非接触振动应力测量值换算。

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