气膜阻尼技术的试验设计

邹云开

摘要：本文针对气膜阻尼技术在航空发动机上的应用，开展模拟平板的振动试验研究，为气膜阻尼的应用提供技术支撑。设计了平板试件，提出了平板尺寸确定方法，确定了平板试件的结构参数；建立了风扇叶片模拟平板试件的振动测试方法，根据气膜平板振动特性提出了试验仪器选择标准；分析试验中不确定因素的影响，为振动试验的进行提供技术支持。

关键词：平板振动；气膜阻尼；振动抑制；理论模型

航空发动机振动是发动机故障的常见原因，振动故障占总故障的60%以上，叶片振动故障占总振动故障70%以上。为此，须进行叶片减振设计。减振研究中，主要通过增加叶片阻尼达到减振效果。气膜阻尼技术优点是结构简单，易于加工，适用于多阶振型。因此气膜阻尼技术在燃气涡轮发动机上具有广泛的应用前景。

1 试件的设计

首先确定试验用到的平板。带气膜阻尼系统的平板制作步骤为：制作一定尺寸的平板；选定气膜安装位置，其上铣出凹台；制作薄板，满足：尺寸与凹台相等、厚度比凹台小，凹台深度与薄板厚度之差等于气膜厚度。将薄板粘接到凹台上，留出气隙。

2 平板试件的具体设计

平板试件设计包括平板参数、气膜尺寸和夹持端尺寸的确定等内容。

2.1 平板参数的确定

根据对照原则，平板整体尺寸和材料相同，区别是有无气膜及覆盖板，平板材料与尺寸的选择应模拟真实发动机叶片，具体地，测叶片前后缘从顶端到底部的距离，取平均作长度；测叶片顶端和底部的弦长，取平均作宽度；测叶片顶端和底部的最大厚度处的厚度，取平均作厚度。

2.2 气膜参数的确定

气膜参数需参照试验目的，振动试验的气膜参数确定方法如下：气膜阻尼有效性试验，选理论研究和数值模拟中减振效果最大的气膜尺寸及安装位置。气膜参数对减振效果影响的试验，应针对要研究的气膜参数设计气膜平板。

3 激振器的选择

3.1 振动台

电动振动台：电动振动台频率可达2Hz20kHz，可实现自动或手动控制。由于气膜阻尼减振特性在高阶、多阶模态上较明显，气膜阻尼平板振动试验一般在较宽频域内进行。下表為模态分析得到的实心平板固有频率。

3.2 数据采集系统的选择

试验使用的数据采集系统包括数据采集器和配套程序。工作步骤为：通过传感器将振动的位移、速度、加速度等转化为电信号；对传感器电信号进行采样；采样数据传计算机上；计算机输出试验数据。数据采集系统的要求主要是通道数，针对试验中的传感器，数据采集系统需有至少等于传感器数量的通道数。

3.3 夹具的选择

夹具需根据振动台与试件特性进行设计，方法为：确定夹具组合方式，即部件间连接方式，分三种：螺纹组合、整体铸造和焊接组合。考虑到螺栓预紧力，优先考虑整体铸造或焊接组合。其次根据组合方式选择材料。进行夹具结构设计，夹具一阶频率大于试件的35倍。忽略螺栓作用，分析得到夹具一阶频率4475.6Hz，远大于平板5倍。说明夹具设计合理。

4 试验中不确定因素对试验结果的影响

简谐运动的形式有三种：平动、转动和复合运动。三种运动对激发平板模态有很大影响。模拟得到平板应变幅频曲线如图所示：

激发所有模态。只有转动和平动叠加的激励才能激发平板所有振型。在实际试验中，为激发所有振型，应使振动台产生平动转动叠加的简谐运动激励。

5 结论

本文设计了振动试验，设计了试验的三种平板试件，即实心平板、带气膜阻尼平板和无薄板平板，提出了平板尺寸确定方法，根据气膜平板振动特性提出了试验仪器选择标准。随后确定试验流程，包括试验准备、装置安装、进行试验和数据处理。同时分析了振动台激振方向对试验的影响，以期减少误差。

参考文献：

[1]T.Lewis，D.I.G.Jones，et al，Partial coverage air film damping of cantilever plates[J].Journal of Sound and Vibration，1997， 208（5）：869875.