基于激光连续扫描的弯曲管路工作变形测试方法

针对某发动机外部部分弯曲管路的振动测试工作,提出了1种基于激光多普勒连续扫描的高效测试方法。将线段的坐标变换引入激光连续扫描,发展了1种适合弯曲管路的激光连续扫描路径算法,使连续扫描激光振动测试应用于曲线结构,并进行了试验验证。结果表明:对某发动机外部管路中的弯管进行了曲线激光连续扫描测试,获取了1000 Hz内的2阶模态,与商用激光离散点扫描测试模态振型的相关性在0.9以上,验证了曲线连续扫描激光多普勒振动测试的可行性和准确性。连续扫描激光测试的效率高、测点密集,对进一步工程应用具有重要意义。     

薄壁圆筒结构工作变形的连续扫描激光测振方法

提出了一种薄壁圆筒结构外表面工作变形(ODS)连续扫描激光多普勒振动测试方法。将旋转平台与电动机控制引入激光连续扫描,发展了一种与激光连续扫描路径相匹配的电动机控制算法,使连续扫描激光振动测试应用于薄壁圆筒结构;对试验件进行了薄壁圆筒结构外表面激光连续扫描测试,获取了500 Hz内的前5阶模态,结果表明:该测试方法与商用激光离散点扫描测试模态振型的相关性在0.96以上,验证了薄壁圆筒连续扫描激光多普勒振动测试的可行性与准确性。连续扫描激光测试的效率高、测点密集,对进一步工程应用具有指导意义和实用价值。     

基于SLDV技术的薄壁机匣三维全场模态测试方法

提出了基于扫描式激光多普勒测振(SLDV)技术的薄壁机匣模态测试方法,实现了薄壁机匣的三维全场振动测试。基于LDV(laser Doppler vibrometry)测试原理,建立了机匣结构分片三维激光测量方法和拼接技术,实现了三维激光测试数据的处理,准确识别出了机匣的各阶模态参数,并与传统加速度传感器获取的测试结果进行了相关性分析。分析结果显示:两种测试结果的模态振型NCO（normalized cross orthogonality）值均在0.9左右,频差较小,验证了薄壁机匣扫描式激光多普勒三维全场测试的可行性和优越性。      

基于激光多普勒测振的叶片振动特性试验

为了实现叶片振动特性的高精度、多点、非接触测量,对激光多普勒测振原理与应用进行了研究,将激光测振技术引入到叶片振动特性测试中,搭建了1套非接触式声激励测振系统。以某型航空发动机压气机第2级叶片为研究对象,测量出叶片表面153个测点的响应、5kHz内的前5阶固有频率和振型、前3阶应力分布,并将试验结果与有限元分析以及传统振动特性试验采用共振法、模态法获得的振动特性结果进行对比。结果表明：非接触激光测振法可以同时获得叶片高阶模态和全场应力分布,弥补了传统振动特性试验的不足。测得叶片频率与采用共振法、模态法得到的结果相比误差在1%以内,相对应力分布与有限元分析结果基本一致,证明了该新型叶片振动特性试验方法的正确性与先进性。     

旋转叶盘的非接触激光多普勒定点跟踪测试与振动分析

提出了一种旋转叶盘的非接触激光定点跟踪测振方法,以研究叶盘结构在旋转状态下的振动特性。通过控制扫描系统中x、y振镜的偏转实现对叶盘上任意定点的跟踪测试,同时搭建了旋转跟踪试验测试系统,以16叶片旋转叶盘的同步跟踪测试为例,对激光跟踪测试方法进行验证。通过对旋转叶盘定点跟踪测试得到的时域振动信号进行滤波处理和频谱分析,获得了旋转状态下叶盘的叶片前3阶固有频率对应的不同节径的模态族频率。结果显示:激光对旋转叶盘上一点的跟踪测试数据中,可以提取出整个叶盘的振动频率特性。对比不同转速下旋转叶盘的有限元仿真计算与跟踪测试结果,两者振型具有很好的一致性,且频差在5%以内,验证了该激光跟踪测量方法的可行性和有效性。为航空发动机等旋转机械运行状态下的振动测试提供了一种有效的技术手段。      

基于无转速定位信号的非接触叶片振动测试技术

介绍了在无转速定位信号情况下实现非接触叶片振动测试的方法,通常定位传感器安装干发动机转子部件内,存在传感器脱落打伤发动机的隐患。对此,开展了双光纤信号替代转速定位信号实现叶片振动测试方法的研究。运用单自由度理论分析了无转速定位的测量原理,分析了在无转速定位时对叶片振动测量误差的影响。该方法通过了模拟试验器和台架压气机试验验证。结果表明：无转速定位非接触叶片振动测试方法与转速定位方法的测试结果基本一致,为发动机工作叶片安全监视提供了更为简易的技术手段。     

基于叶尖定时的航空发动机压气机叶片振动测量

基于叶尖定时的转子叶片非接触振动测试系统的基本原理和数据分析方法,将非接触振动测量技术成功应用在某型涡扇发动机高压压气机一级转子叶片排故(改型)中,获取叶片共振时的振动频率和幅值,并通过有限元分析方法得到叶尖位移与关键点的位移-应力换算系数。依据反算的关键点动应力可实现(改型)前后转子叶片的高周疲劳寿命预测。某型涡扇发动机高压压气机一级转子叶片非接触振动测试结果显示:由于加工工艺原因导致原型叶片叶型厚度变大,引起叶片固有频率升高,转子叶片在发动机工作转速范围内发生3阶激励激起的一弯振动,导致叶片发生故障。改进加工工艺后,非接触振动测试系统结果显示叶片振动状态较好。      

压气机声共振特性理论预测与试验研究

航空发动机压气机声共振是一种复杂非定常流动现象，能够造成压气机气动不稳定，甚至可能导致压气机叶片疲劳破坏。针对某高压压气机一级转子叶片振动疲劳失效问题，开展压气机声共振理论研究，建立声波在叶片排间传播与反射的分析模型。发展压气机声共振特性预测方法，对压气机声共振进行预测分析。基于发展的理论预测方法，开展某压气机声共振试验测试，通过多参数动态测试分析技术，获取压气机发生声共振时管道内部模态传播特性和叶片振动特性。试验结果表明：压气机发生声共振时转速与预测结果相吻合，一级转子叶片表现出锁频特征，压气机内脉动压力场、同级转子叶片间均存在强烈的周向传播特性，周向传播模态为13阶，符合特征频率的理论分析结果。一级转子附近脉动压力幅值最大，为声波轴向传播的主反射区，与预测结果相吻合。     

压气机叶片动应力测量标定试验方法

提出了一种提高压气机叶片动应力测量准确度的方法,即在发动机叶片装配前,对已完成应变计粘贴的测试叶片开展动应力测量标定试验,获取试验应变计输出值与叶片各阶振动最大模态应变区域的敏感度,试验结果可用于指导发动机试车时叶片动应力限制值的设置,从而更准确地监控叶片的振动安全状态。对比分析了直接应力法和af强度法（振幅a和振动频率f的乘积）两种试验方法的优缺点。基于直接应力法,针对某压气机叶片开展了动应力测量标定试验,结果显示：1#叶片试验应变计对第1阶、第3阶模态的敏感度实测值较理论值分别大17.4%和24%,而1#叶片试验应变计和2#叶片试验应变计对第1阶模态的敏感度差异达到14.8%。试验结果证明开展动应力测量标定试验,可综合提高叶片动应力测试数据利用的有效性。     

压气机内部噪声特征与转子叶片声固耦合机理分析

航空发动机压气机转子叶片故障多由机械激励和气动激励造成,而高强声波对转子叶片的激振因素不容忽视。通过开展某型涡扇发动机压气机内部噪声测试试验,研究压气机转子叶片振动机理及其与噪声信号的对应关系。阐述了压气机内部旋转不稳定性非定常压力波作用机制,提出了基于刚性壁声波导管技术的导出式噪声测量方法,完成了某型涡扇发动机压气机内部噪声信号测试,对噪声信号进行了频谱分析和声传播特性分析。研究结果表明,某型涡扇发动机压气机内部噪声信号频谱呈现高峰值纯音分量1 402 Hz,并且该纯音分量与转子叶片通过频率呈现特定的频率组合关系。该纯音分量的噪声源在压气机内部沿发动机顺航向方向从后向前传播。利用旋转不稳定性理论,将声源频率在不同坐标系下进行转换,当噪声源周向模态数为13时,该纯音分量可调制出与高压一级转子叶片一阶振动频率相对应的激振频率。     

转子叶栅非同步振荡发声特性研究

轴流压气机转子叶片排振荡疲劳失效是常见的气动弹性失稳问题。当转子叶栅处于非同步振荡状态下时,压气机管道内部将伴随着异常噪声的产生,这类噪声的频率既不是分布在叶片通过频率及其谐波上,也不是分布在转子轴频率及其谐波上,同时也不满足简单多普勒效应。为了解释这种异常噪声现象,以三维升力面理论为基础,讨论叶片对其附近流体施加非定常载荷的发声问题,给出了转子叶栅振荡异常发声问题的物理解释,建立了声场频率及模态特性与转子声源特性的直接关系式,并给出了频率特性不同于叶片通过频率且不符合简单多普勒效应的完整解释。在此基础上,通过机理性实验研究证实了该模型的正确性。实验结果表明,理论预测声场的频率和周向模态特性与实验结果完全一致。     

压气机转子叶片动频动应力测试技术和应用研究

通过对某型发动机第二级压气机转子叶片在整机上进行动频，动应力测量的应用实例，介绍了一种较为成熟的测量方法。该方法先通过电动振动台对叶片进行应力分布试验，确定了动测叶片的应变片粘贴位置，然后在试车台架上对试验叶片实测，根据应变片输出信号判断叶片的动频，动应力，试验结果表明，该技术具有实际应用价值，可以为同类测量提供参考。     

Extension of continuous scanning laser Doppler vibrometry measurement for complex structures with curved surfaces

The continuous Scanning Laser Doppler Vibrometry (SLDV) developed on the base of the galvanometer scanner system has made it possible to quickly obtain the full field vibration responses within a rectangular area of the structure. In this paper, an arbitrary continuous scanning path generating method for Continuous Scanning Laser Doppler Vibometry (CSLDV) is further put forward in order to allow the CSLDV suitable for testing structures featured by complex shapes not just for regular areas. In the first step, the relationship between position of laser spot and the driving voltages of galvanometer scanner system has been described by a mathematical modeling. Then, a novel arbitrary scanning path generating strategy based on CSLDV is presented by deforming a normalization rectangular scanning path to an arbitrary continuous scanning path. The mapping relation between the normalization rectangular scanning path and arbitrary continuous scanning path is established using the reference points. In the second step, a compressor blade with curved surface was taken as an example for modal test using the proposed method. At the same time, a validated experiment was performed in SLDV. The results show the mode shapes derived from the extended CSLDV are in agreement with those from SLDV and the Modal Assurance Criterion (MAC) between the two are all greater than 0.96. They also demonstrate the feasibility and effectiveness of the proposed method for CSLDV test and show strong potential on further practical engineering applications.     

薄壁结构双侧异步激光喷丸强化试验研究

航空发动机压气机叶片是典型薄壁结构,通过激光喷丸强化在叶缘引入残余压应力,是提高其抗异物撞击能力,延长疲劳寿命的有效途径。为解决双侧同步强化方法存在的材料层裂损伤风险的问题,提出薄壁结构双侧异步激光喷丸强化方法。试验研究发现:单侧薄壁激光喷丸试验中,光斑功率密度的改变会使薄壁结构相对于激光入射方向呈现"∧"或"∨"两种扭曲变形趋势;另一面采用同样参数进行激光喷丸后,扭曲变形会恢复;合理采用激光喷丸参数,双侧异步激光喷丸强化与同步强化相似,可以在两侧表面均得到残余压应力场,并且扭曲变形能满足形状精度要求。     

某型发动机二级压气机叶片断裂故障分析研究

某型发动机二级压气机叶片属于事故多发性零部件。最近又发生了叶身断裂故障,该故障是一种新型故障,与二扭共振引起的叶尖掉角故障不同:疲劳源位于叶盆中上部,靠近叶尖断裂飞出,断裂飞出部分约为叶片的1/3,故障件断口部分呈“S”型。本文从叶片断口金相、扫描电镜分析、振动特性计算分析、叶片静频和振型测量、疲劳破坏试验、第10阶相对振动应力测量和叶片疲劳寿命评估等研究工作,分析得出造成叶片疲劳破坏的故障机理是叶片第10阶振型在发动机0.8额定转速发生共振和叶盆表面损伤。      

涡轮叶片裂纹故障的3维叶尖间隙变化特性分析

为了分析涡轮叶片裂纹故障的3维叶尖间隙动态变化特性,以3维叶尖间隙动态测量试验台上的模拟涡轮转子为研究 对象,建立了涡轮叶片3维叶尖间隙的有限元分析模型;采用数值仿真分析方法分别深入地分析了无裂纹涡轮叶片和不同长度裂 纹叶片3维叶尖间隙的动态变化特性。结果表明：对于无裂纹涡轮叶片,气动载荷会导致其发生弯曲变形,进而,导致轴向偏转角 呈先增大后减小的变化趋势,周向滑移角则逐渐减小,并且气动载荷对轴向偏转角和周向滑移角的影响比对径向间隙的影响更为 显著;对于有裂纹涡轮叶片,在气动载荷、离心载荷、叶片尾缘裂纹故障以及叶片自身形态等多种因素的共同影响下,导致径向间 隙呈现逐渐增大,而轴向偏转角和周向滑移角均呈现逐渐减小的变化趋势。     

冲角对正弯曲叶片扩压叶栅气动性能的影响

为了研究冲角对正弯曲叶片压气机叶栅气动性能的影响,在平面叶栅低速风洞上,对具有可控扩散叶型(CDA)的直叶片,正弯曲15°和20°弯曲叶片压气机叶栅在0°,±6°和±10°冲角下进行了实验,获得了不同冲角下不同弯曲角度叶栅出口流场的能量损失系数和叶片表面静压系数等的分布。与直叶栅相比,叶片正弯曲后叶栅总损失在所有冲角下均得到了降低,在正冲角下,叶栅端部流动状况得到改善,在负冲角下,叶栅流道中的流动相对于直叶栅改善不明显。直叶栅在10°冲角下发生了遍布整个流道的分离流动,而正弯曲叶片的采用则削弱了流动的分离。