涡轮发动机叶片的声激励试验应用介绍

微言大义

        发动机阶次激励模拟

        分析涡轮机叶片的动态响应

        四种正弦激励模式

        m+p声激励软件

        m+p Smart Office数据采集分析软件

        m+p VibRunner 硬件前端

涡轮机叶片的设计可以使用特定的软件，其原理是复制、捕获转子叶片测试期间设置的关键激励模式。

在运行过程中，涡轮发动机叶片会受到由工作流体介质引入的强动态力影响，为了评估叶片结构的运行状况是否良好，需要在实验室内对其动态特性进行分析。我们需要设计一套用于分析叶片在旋转和静止工况下性能的高度专业化试验平台，对于静态测试，最重要的是人为地复制转子叶片在工作过程中的典型激励，即发动机阶次激励。对此，德国M+P国际公司设计出一套软件系统，可以让工程师在实验室环境下生成发动机阶次激励并对涡轮机叶片的动态响应进行分析。


背景：

在涡轮发动机运行过程中，工作流体介质作用于旋转的涡轮叶片，形成脉动压力场；压力场沿圆周方向扩展产生的一系列简谐波，简谐波的系数被称为发动机阶次。总的说来，发动机阶次是用于描述沿转子圆周上的正弦波的数量（见图1），相应的激振频率由转速和特定的发动机阶次(EO)所组成。

fe=EOfrot, EO=0,1,2,…

在涡轮发动机工作过程中只会遇到少数发动机阶次，因此，通常可以将整个压力场简化成单一的发动机阶次。m+p的叶片声学激励系统和分析软件通过控制相应的执行器来反复实现发动机阶次激励，磁、声学或电学执行器只是激励源的几个实例，这都可以基于相应的激发力和激发频率范围，并根据应用的需要来进行选择。

图1a 发动机阶次1     图1b 发动机阶次3     图1c  发动机阶次5
图1  简化的叶片（蓝色）和压力场（灰色）代表三个发动机阶次激励

图2a所示为常见的试验装置，作动器放置于每个叶片下面，因此，连续的圆形压力场（发动机阶次）会被反复施加在离散点（作动器）上。例如，在10个作动器的设置系统中，一个发动机阶次EO=3，是通过对每个扬声器施加已知频率的正弦波，并在相邻扬声器之间引入恒定的相位滞后产生的：

△φ=360°•EO/Nblades= 360°•3/10=108°

图2b展示了该种激励如何以恒定的转速重复机器的稳态运行操作。模拟上升或下降可以通过扫描激励信号来实现，同时也可以保持扬声器之间所需的恒定相位滞后。

图2a 固定盘（蓝色）配备12个扬声器(黑色)
调整每个扬声器的声压（灰色）以适应发动机阶次激励

图2b 调整每个扬声器的简谐激励信号（蓝色）的相对相位滞后生成发动机三阶次激励（红色）

本文介绍的是扬声器在声激励试验中的应用，对于高于1000Hz激励频率的试验尤其适用；此试验装置由德国汉诺威莱布尼兹大学的动力学与振动研究所（IDS）共同设计和开发，且应用于多个科研项目。

图3  m+p VibRunner系统用于传感器的输入与激励信号的输出

试验装置：

这套由IDS设计的试验装置由一个带有10个叶片的简化叶片盘组成。在装置中心，叶盘被夹在防振台上，声激励系统（型号4540）安装在刚性板上并放置于每个叶片下面，功率放大器（编码器型号1508）则用于驱动扬声器。输入信号（激励）由m+p VibRunner硬件发出，多个m+p VibRunner端口组合为一个多通道系统，提供多个输出和输入通道计数。在该类型应用中至关重要的是，所有输出通道的同步采样可确保最小的相位误差和高激励信号质量，而对叶盘的振动响应进行测量是使用加速度计或激光测振仪。

图4试验装置由带有10个叶片的简化叶片盘组成

虽然IDS试验叶片的几何形状非常简单，但它可以呈现出实际叶片的大体特征，例如节点直径不一致的行波波形和误调效应。m+p软件提供了一种可以激发这些行波波形并测量操作偏转形状的方法。

典型测试程序：

设置激励系统分为两步，第一步是校准系统，第二步是参数化并设置激励模式；为了校准激励系统，软件提供了如图5a的一个校准程序。所有的放大器和扬声器可以在不同的频率和振幅度水平进行校准，结果将会被保存到数据库，以供将来使用和验证。该系统的配置如图5b所示，简洁明了。用户只需要输入通道数，测试频率，发动机阶次（节点直径）和振幅，其它均由m+p软件自动生成。激励分为以下四种不同的模式：

正弦：这是最为基础的一种激励类型，由用户输入频率，振幅和节点直径，软件就会计算出正确的相位滞后并生成发动机阶次激励。

自定义正弦：此模式下，用户可以在给定频率和振幅水平下，在输出通道之间引入任意相位滞后；这种模式应用于扬声器数量和叶片数量不相等的情况下是极为有用的。

周期正弦快扫：使用周期正弦快扫模拟发动机阶次激励，这可以实现旋转机器的反复升速/降速运行。

自定义周期正弦快扫：类似于自定义正弦，用户可以在此模式下引入任意相位滞后。

注：所有激励模式都支持驻波激励

         

图5a 放大器校准的GUI界面                                             图5b：正弦激励的GUI界面

测试结果：

典型的测试结果如图6所示，使用激光测振仪测量在1180Hz至1220Hz的频率范围内每个叶片的叶尖振幅。m+p Smartoffice是一个能够收集和后处理海量数据的多功能测量软件平台，所有的数据将由它来采集得到。m+p的声学叶盘激励生成和分析软件配置为发动机三阶谐波激励（EO = 3），扬声器则形成具有三个周向波的旋转压力场。如图6a所示，各个叶片的响应是谐波形式但是相位发生偏移，正如两个相邻扬声器之间的激励的相位滞后是108°（EO = 3），两个相邻叶片的响应之间的相位滞后也是108°（见图6b）。需要注意的是，由于模态振型的旋转对称性质，所有叶片的最大振幅应几乎相同，但由于材料和制造误差，各个叶片的振幅实际存在细微差异。

德国M+P国际公司的软件系统使得工程师能够实现涡轮机叶片的动态测试，在静止的试验台上实现重复发动机阶次激励，相比在旋转的模式下进行，节省了在涡轮开发方面的测试成本和时间。

图6a 左图：在1200Hz时发动机三阶激励下每个叶片叶尖处的时间历程

图6b右图 ：在1180-1220Hz频率范围内的叶片响应的相位参考频谱（在1180Hz叶片1处的相位参考）

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