罗-罗燃气轮机部件高周疲劳试验

罗尔斯·罗伊斯（简称罗-罗公司）的力学试验中心（MTOC）是2010年建立的创新型试验中心，主要用于在燃气轮机部件的研发、生产和使用阶段，对其进行力学和结构性能测试。MTOC振动测试团队的主要任务是对这些部件的结构动力学特性进行研究。主要任务有：

疲劳试验（热态和冷态）
频率检查
振型测量
模态分析
动态应变测试

MTOC的振动试验

振动试验是罗-罗公司保障发动机部件在整个生命周期内的可靠性的主要手段。发动机部件在其各阶固有频率上的高周疲劳试验是其中的主要试验项目。有限元模型可以用于预测发动机部件的特征频率和模态振型，也能计算应力以及部件工作寿命内的疲劳程度。为了验证有限元模型，工程师需要将试验测得的模态频率、模态振型以及疲劳失效水平和有限元预示的频率、模型振型以及应力值进行对比。这有赖于部件试验来完成。

MTOC高周疲劳试验功能包含以下试验平台和设备：

大型风机叶片的疲劳试验
涡轮叶片的热-高周疲劳试验
压缩机叶片的高周疲劳试验

对于高周疲劳测试，有几种技术可以用于激励发动机部件，包括：

恒定空气喷射（颤振）
切削空气喷射（脉冲空气激励）
电磁式激振器
压电式激振器

这四种技术可覆盖发动机不同部件的固有频率的范围，最高可达40kHz。对于低频，可使用恒定空气喷射与切削空气喷射。切削空气喷射系统可用于激励风机叶片的低频共振，也可以激起压缩机叶片高达20kHz的共振频率。专用的高频电磁式激振器的频率范围最高可达5kHz。对于高频模态(>5kHz)，压电式激振器是唯一可用的激励方式。

对于高量级激振试验，MTOC压电式激振器是作为一个谐振系统来工作的。对于高周疲劳试验，压电式激振系统需要根据期望的频率范围设计其共振频率。激振器特性可依照二自由度系统（TDFS）进行计算。该二自由度系统包括固定好的发动机部件（质量1），压电组件与连接螺栓（弹簧）以及用于满足系统期望的共振频率的附加质量（质量2）等所有硬件设备。MTOC研发的新的压电式激振器结构设计与调谐技术支持高频疲劳试验快速设置（包括在同一部件上快速更改振动频率），而且是MTOC内部使用最多的激励技术。

高周疲劳试验的流程

发动机部件的高周疲劳试验以步进正弦或者定频驻留的方式完成试验。驻留试验可以选择手动或者自动控制方式。然而，试验要求很高的循环周期和很长的时间，所以高周疲劳试验需要使用振动控制仪来自动进行。为了控制高周疲劳试验，需要使用光学（摄像机）或者激光位移传感器来测量部件的位移。驻留试验使用位移响应进行控制，控制仪利用相位跟踪技术来监控激振频率，并补偿结构的频率变化。



高周疲劳试验的评价物理量（AF Level，mHz）

在罗-罗公司内，用于表征振动响应的实测物理量为AF 值（幅值*频率），单位为‘mHz’(m*Hz)。振动部件的AF值是利用测试频率对响应位移进行归一化得到。例如，压缩机叶片在1.5kHz下最大振动位置有3mm位移，则AF值为4.5 mHz。高周疲劳试验的目的是为了将预测的结构疲劳强度AF值与结构发生疲劳失效的量级进行对比验证。

小阻尼部件的振动试验

对于品质因子为500或1000或更高的小阻尼发动机部件，常规的定频驻留试验是不可行的。由于小阻尼结构较窄的共振频带，结构的共振频率在同一激励范围内也会产生变化。常规的小阻尼结构的定频试验要求工程师具备非常丰富的经验，要求更多的调试时间。为了提供一种适用于发动机某些小阻尼部件高周疲劳试验的振动控制仪，m+p国际公司研发一种特殊的自动相位跟踪技术。为了适应罗-罗公司的测试要求，m+p振动控制仪专门升级了软件中的HCF模块。

自从2011年12月，MTOC开始使用m+p的振动控制仪器用于振动试验。2012年升级了针对高周疲劳驻留试验优化后的控制器，配备了针对小阻尼部件的相位跟踪技术。一个典型的高周疲劳的流程是：首先进行正弦扫频，确定共振频率范围；接下来在共振频率范围内进行扫频，当扫频结束后，控制仪再扫回到确定的共振频率处开始驻留试验，并锁定激励和响应之间的相位差。被锁定的相位差在接下来的试验中，会作为频率跟踪的判据。


高周疲劳试验的测试条件和试验配置

标准的HCF试验配置如下图所示，包括：
（1）激励系统以及固定好的发动机叶片，叶片处于固定-自由边界
（2）用于频响测试的激光位移传感器
（3）用于测量最大位移的摄像机

对于第一阶翻转或者第一阶扭转模态，最大位移点位于结构的边缘上，而传感器需要测点位置固定，在大振幅情况下很难测得最大位移。因此，我们需要通过摄像机的测量数据对位移传感器的测量结果进行校准，而且位移传感器必须位于振动量级较低并且更稳定的测点处。

如果在HCF试验中频率与相位被锁定在起始量级，测试流程将会遵循定义的试验参数。对于恒定的AF值测试，试验将会在定义的测试时间或循环周期后停止。而对于增量HCF测试，激励量级会保持恒定，直到达到指定的增量时间或循环次数，然后上升到下一AF量级。然而，HCF测试的目的是为了测量结构在失效时的AF Level。当零件结构解体或开始破坏时，结构的固有频率会产生很大变化。因此,振动控制器的相位跟踪功能必须允许激励频率跟随结构的实际共振频率的变化而变化。当结构的固有频率变化达到指定中断值（用起始频率的百分比表示）时，控制仪将会停止激励并中断试验。根据疲劳理论，中断值通常定义为下降2%。软件可保存试验日志文件，测试工程师可根据时间历程曲线查询已完成的试验测试情况，如下图所示。



m+p振动控制用于高频测试-高达40kHz

MTOC使用了m+p振动控制器VibPilot与VibRunner。为了完成高于20kHz频率的高频HCF测试，m+p专门开发了适用于高频测试的VibRunner。试验使用高频激光测量仪器作为控制通道。在该高频试验配置下，小阻尼结构的窄带共振频率很容易识别。使用该系统，相位锁定与追踪功能在30kHz状态下与3kHz的系统运行状态相同。

在罗-罗力学试验中心的一系列m+p高频振动控制仪的配置是非常成功的案例。对于发动机叶片的高周疲劳测试，试验稳定性与试验品质都得到了相当大的改善，并且试验所需的准备时间也显著降低了。