航空发动机压气机叶片在高速旋转中承受着复杂交变载荷,振动特性直接关系到飞行安全。传统检测方法因接触式传感器的附加质量、频率范围限制等问题,难以全面获取叶片动态特性。本文创新引入激光多普勒测振技术,实现对叶片振动的高精度全场扫描,为发动机安全保驾护航。
1、传统检测的三大技术瓶颈
1)频率局限
共振法受振动台频响限制(通常<5kHz),无法捕捉叶片高阶模态(如实验中的4584Hz三阶弯曲振动)。
2)信息残缺
应变电测法需粘贴传感器,仅能获取有限测点数据,无法构建全场应力分布。
3)附加干扰
模态法的加速度计附加质量(尤其对轻质叶片)显著影响振动特性真实性。
2、激光测振技术突破性方案
1)技术原理
基于光的多普勒效应:运动物体反射的激光频率发生偏移,通过解码频移量反演振动速度与位移。
O为激光光源,S为光 电探测器,P为运动粒子, 光源发出的光束频率为 f0 ,速度为c,粒子的运动速 度为U,如图1所示。
图1 多普勒效应原理
2)系统创新
三维全场扫描:3台激光干涉仪同步工作,5分钟完成153个测点精确扫描
声波非接触激励:避免附加质量干扰
10kHz超宽频带:覆盖叶片主要模态
3、关键数据对比验证
1)频率测量精度高
表1叶片前5阶频率对比
2)全场应力云图
首次同步获取前三阶模态全场应力分布,精准定位最大应力区(红色 区域),与有限元仿真一致性>95%。
图3 叶片前5阶振型图对比
(左为有限元结果,中为非接触激光测试结果,右为共振法结果)
3)高阶模态可视化
清晰呈现5kHz内前五阶振型,包括传统方法无法捕捉的三阶弯曲模态(4584Hz)。
图4 叶片前3阶应力分布
4、懿朵科技赋能:从实验室到发动机台架
1)疲劳寿命预测:全场应力数据为叶片疲劳试验提供关键输入
2)共振规避设计:精确识别4500Hz以上危险模态
3)制造缺陷检测:振动响应异常定位微观损伤
4)缩短研发周期:单次试验同步获取频率、振型、应力多维数据
【参考文献】
张琦等.基于激光多普勒测振的叶片振动特性试验[J]. 航空发动机,2022,48(1):76-82