1 引言
航空发动机的涡轮叶片工作环境比较恶劣，一般需要承受高速旋转产生的离心载荷、发动机内气流的气动载荷、以及高温燃气的热应力。据统计，发动机故障的60%左右都是由于振动原因造成的，而其中由叶片振动造成的约占70%。转子的振动对航空发动机的使用影响较大，一般在设计的时候要求发动机工作转速远离转子的共振点，且至少要留有20%的裕度。因此，研究涡轮转子的振动频率具有重要意义。某型发动机涡轮叶片材料更改后，虽然叶片结构未发生变化，但材料更改仍会对振动频率产生影响。本文通过锤击试验对更改材料后的涡轮叶片的振动频率的变化情况进行分析，并结合有限元软件对单个涡轮叶片、叶片-轮盘耦合的振动频率进行对比计算，以分析涡轮叶片更改材料后对发动机使用的影响。
2 涡轮叶片情况简介
某型航空发动机由两级燃气涡轮转子和两级自由涡轮转子组成，该发动机经常在高盐雾腐蚀的环境下工作，为提高涡轮叶片可靠性，拟将自由涡轮二级叶片由GH4093锻件更改为带有渗层的K418B铸件。同时叶片采用的渗层为铝、铬共渗渗层（其厚度仅0.03mm～0.06mm左右，对涡轮叶片的叶型影响基本可以忽略），铝、铬渗层可以提高涡轮叶片的抗高温氧化能力和耐腐蚀能力，提高持久强度和疲劳强度。该自由涡轮二级叶片为枞树形榫头结构，43个叶片与涡轮盘通过榫头-榫槽结构连接。
3 锤击试验结果
为测试涡轮叶片实物的频率变化，分别选取两种材料的涡轮叶片各43片，采用锤击法测其在夹紧状态下的固有频率。本次试验采用的测试设备，包括：DH8303A为高性能动态信号测试分析系统，用于振动激励和振动响应信号记录与分析；ICP冲击力锤，用于对试验件进行振动激励，并将激励载荷变换成相应的动态信号；PCB 356A16型加速度传感器，用于试验件振动响应信号拾取。
1.1
试验前采用专用夹具，模拟叶片实际装配形式，将固定自由涡轮二级叶片的榫头进行固定，固定时采用相同的夹紧力，尽量保证固定状态的一致性，以保证频率对比结果的可靠性。正式试验时将PCB 356A16型加速度传感器粘贴在叶身同一个位置，用冲击力锤敲击叶身，应用 DH8303A为高性能动态信号测试分析系统，通过力锤产生的脉冲激振信号和传感器测得的响应信号测出叶片固有频率。分别测试GH4093和K418B两种材料的自由涡轮二级叶片前三阶固有频率（每种材料叶片选取43片，取43个叶片测得频率的平均值），其中GH4093叶片前三阶频率为：797Hz、2492Hz、3307Hz；K418B叶片前三节频率为：738Hz、2347Hz、3152Hz。可以看出，材料由GH4093更改为K418B之后，实测的自由涡轮二级叶片的固有频率有所降低。
4 单个叶片频率计算
利用UG创建自由涡轮二级叶片三维模型，在workbench软件中对单个自由涡轮二级叶片进行振动频率分析。由于单个叶片在锤击试验时无法施加温度场和转速，为与试验结果进行对比，计算时仅在榫头处进行固定约束，温度为常温，未施加转速。分别对同一个涡轮叶片模型赋予GH4093和K418B的材料属性，采用相同的方法进行网格划分，施加相同的约束方式。计算不同材料的自由涡轮二级叶片的常温下的固有频率，其中GH4093叶片前三阶为915.92Hz、2530.1Hz、3234Hz；K418B叶片前3阶为881.95Hz、2438.7Hz、3119.4Hz。可以看出K418B的叶片比GH4093的叶片固有频率略有降低。同时发现试验结果与计算结果存在一些偏差，分析主要原因是由于实际夹紧状态与计算约束的固定状态存在一定的差异，同时试验仪器测量存在误差造成的，但这并不影响更换材料后频率有所降低的结论。
5 叶片-轮盘耦合频率计算
涡轮叶片实际工作时是与涡轮盘配合进行高速旋转的，因此为进一步分析叶片更换材料后对涡轮转子振动频率的影响，对自由涡轮二级叶片和涡轮盘整体进行振动频率的对比计算分析。计算时采用循环对称的方式进行，对转子施加工作转速N和温度场，分别计算出工作转速下GH4093和K418B材料的自由涡轮二级叶片的叶片-轮盘耦合的前3阶固有频率（涡轮盘材料为GH4093）。自由涡轮二级转子有43个叶片，共21节径，由于各节径的固有频率基本接近，因此仅对比0节径下固有频率。结果为0节径下GH4093叶片-轮盘耦合的前3阶频率为：997.5Hz、2024.3Hz、2671.2Hz；K418B叶片-轮盘耦合的前3阶频率为：977.33Hz、2002.4Hz、2606.8Hz。可以看出，更改材料后叶片-轮盘耦合的振动频率有所降低，但变化不大。
对自由涡轮二级转子而言，导致振动的激振力主要来自涡轮转子叶片前的涡轮导向器叶片尾流激振。涡轮的激振力谐波系数也就是导向器叶片数K，K取37。通过计算更改材料后的涡轮转子不同转速下的前6阶振动频率，可以画出0节径下叶片-轮盘耦合的谐振图（Campbell图，图1），可以发现虽然发动机在提转速时，会经与前6阶频率的产生共振点，但只需快速的跨过这些共振点就能避免耦合共振的情况发生，因此更改材料后的涡轮转子在工作转速下并没有发生共振的危险。
图1 K418B叶片-轮盘0节径下Campbell图
5 结论
本文通过理论计算和试验结果可以得出：
1）不论是计算还是试验结果，在约束叶片榫头的状态下，K418B材料的自由涡轮二级叶片的固有频率要比GH4093材料的自由涡轮二级叶片的固有频率略低一些。
2）根据叶片-轮盘耦合计算结果，自由涡轮二级叶片更换材料后对自由涡轮二级转子的振动频率有所降低，但影响不大，基本可以忽略。在发动机工作状态下，更换材料后不会出现共振的危险。
参考文献
1. 付才高，郑大平，等.航空发动机设计手册第19分册[M].北京：航空工业出版社，2000.
