叶片共振频率测试仪在叶轮维修中的应用探讨.doc

叶片共振频率测试仪在叶轮维修中的应用探讨周海峰(集美大学机械工程学院)卢其炎，庄鹏摘要APU负载压气机叶轮叶片的共振频率是维修叶轮过程中需要控制的一项指标。本文提出了将叶片共振频率测试仪与二级模糊综合评判的数学方法相结合，对叶轮的状态进行综合评价的新颖实用的方法，必将对APU维修水平的发展起到积极的促进作用。0 引言辅助动力装置（APU）是飞机上的一个重要部件。其主要作用有：一、提供飞机起飞时的气源；二、提供飞机的地面电源；三、提供空调系统的压缩空气；四、启动主发动机；五、当主发动机发生故障时提供应急电源；六、提供各种气动液压马达和气动液压泵所需的动力。APU安装在机尾的不加压部分，位于垂直稳定器的下部，其周围有防火墙以保护周边的重要结构和设备。APU主要由压气机、燃烧室、涡轮机、负载压气机和齿轮箱等组成。如图11所示1。启动电机通过齿轮箱带动涡轮机转动，压气机从外界吸入大量空气并将其压入燃烧室，在燃烧室中空气与燃油混合点燃后产生剧烈的膨胀，被加热后的空气高速流过涡轮机后由尾喷管排入大气，推动涡轮机转动并带动压气机、负载压气机、齿轮箱和发电机等部件高速运转。旧式的APU向飞机提供气源时是从动力部分（压气机）分流气体的，这样就减少了涡轮机的冷却气流量，从而导致涡轮机温度升高，使用寿命降低。新式APU增加了负载压气机，专门用于向飞机提供充足的压缩空气，而不必挪用动力部分的冷却气体。当叶轮旋转时，离心力的作用使叶片间的空气流向叶片末端，这样在轮毂区域就形成负压，外界空气便源源不断地流入，这一作用使从叶片甩出的气体获得极高的流速，此高速气体进入扩压器后流速降低，压力上升。从而获得高压气体供飞机使用。负载压气机叶轮由钛合金制成，抵抗外来物破坏的能力极强。其叶片共有17片，沿径向排列，呈向后式的曲面形状，如图2所示。负载压气机叶轮负责吸入外界空气并将其压入APU内部，叶片在工作过程中的主要外力有外来物撞击力F1、高速气流的摩擦力F2、机体的剧烈振动力F3等，其单一叶片在工作过程中的主要外力做出受力分析:如图3所示，由上述的主要外力及高温引起的叶片损坏形式一般有磨损、裂纹、缺口、崩边、折断等。压缩空气交流发电机附件燃烧室涡轮机压气机负载压气机叶轮齿轮箱进气燃油尾喷管图1APU的主要结构示意图图2负载压气机叶轮 F 2 F1 F3图3叶片工作过程受力示意图针对这些损坏，叶轮的主要维修步骤如下2：金属喷涂内圆孔磨削内圆孔及各端面至规定尺寸 动平衡叶轮 熔池焊联轴器 机加工联轴器齿至规定尺寸 联轴器齿荧光剂渗透探伤 动平衡叶轮 维修叶轮叶片叶轮叶片的维修工艺按叶片损伤程度的不同分为三种：0.1 细微损坏 0.2 中等损坏 检查堆焊过的每个叶片的共振频率（必须大于2680Hz，否则叶轮报废） 0.3 严重损坏 如果叶片缺口过大，甚至整片崩断，超过了堆焊的许可极限，则叶轮报废。由此可见，中等损坏程度的叶片维修之后，共振频率的测试决定叶轮是否报废的关键。维修的APU其负载压气机叶轮叶片有相当一部分属于中等程度的损坏，由于没有共振频率测试仪，只好作报废处理，造成了大量不必要的损失。APU维修手册中对叶片的尺寸、弯角允差，叶片的裂纹、完整性和共振频率，以及叶轮的动平衡状况都作了规定，凡是超差者均作报废处理。但是在实际维修工作中，当超差不严重时，工程师有权根据具体情况，在不影响APU运行功能和安全性的前提下，对叶轮做出可以继续使用的批示。例如，国外某维修厂就曾维修过叶片整片崩断的叶轮。按照维修手册规定，这个叶轮本应报废，但工程师根据经验将叶片崩断处磨光后进行动平衡，装入APU继续使用，结果运行情况良好。设想有一个叶轮，它的各项指标均在允差范围之内，但其中有一个叶片的共振频率为2670Hz，那么该叶轮是否可以继续使用？这一问题对于缺乏维修经验的工程师是相当棘手的。事实上，小至叶轮，大至整套机电系统，其技术状态不仅仅只有“好”、“坏”之分，它们之间还应该存在有过渡状态，而且任何机电设备的技术状态都是其内部各个组成部件状态的综合反映。为此，本文应用二级模糊综合评判的数学方法3，对叶轮的状态进行综合评价，通过计算实例，得出了定量化的叶轮的状态等级，供工程师作取舍时参考。1 二级模糊综合评判的一般步骤1.1 建立主因素集，而主因集的每个因素又分别由若干个子因素组成，即1.2 建立决断集。1.3 建立主因素集u中的各因素的权重分配，满足建立子因素集Uj中的各因素的权重分配，满足1.4 建立子因素集Uj的单因素评判矩阵（1）其中rpq表示中第p个因素对第q级评判的隶属度（p = 1 , 2 , , nj ；q = 1 , 2 , m ），于是得一级评判向量.（2）1.5 因此主因素集u的单因素评判矩阵为.（3）于是得二级评判向量.（4）由此可以看出所评判的机电设备的状态完好程度。评语是属模糊性的，为了“让数据说话”，必须对其进行定量化处理。常用办法是各个等级实行记分制。分数的计算公式为.（5）式中：C分数等级矩阵，CTC的转置矩阵2 计算实例2.1 根据维修手册，总结出影响叶轮状态的各级因素如表1所表示。表1 影响叶轮状态的各级因素主因素及权重子因素模糊关系矩阵子因素权重很好较好临界较差很差U1叶片的物理状态0.75U11叶片尺寸0161000.175U12叶片弯角790100.125U13叶片裂纹1106000.275U14叶片共振频率2123000.275U15叶片的完整性0170000.150U2叶片的动平衡状况0.25/01000/（二）2.2将叶轮的状态分为5个等级，建立决断集2.3 用“04评分法“确定权重分配。以确定叶片物理状态的各子因素的权重分配为例，将各因素分别按行与列顺序排列，如表2所示。表2 叶片物理状态子因素权重“04评分”表U11U12U13U14U15U113112U121112U133323U143323U152211当比较第i与第j个因素，如果认为两个同等重要，则在第i行第j列处和第j行第i列处分别打2分；如果认为第i个因素比第j个因素重要，则在第i行第j列处打3分，而在第j行第i列处打1分；如果认为第i个因素比第j个因素重要得多，则在第i行第j列处打4分，则在第j行第i列处打0分；在i=j处不打分。若将第i行第j列的得分记为，则表中数据应满足。将各行得分相加，求出每行得分占总得分的百分比，即为该行的权重。如有多人参与权重分配，则求出所有参与人给出的同一因素的权重平均值，即为该因素的权重。从表2可得A1=(7/40,5/40,11/40,11/40,6/40)=(0.175,0.125,0.275,0.275,0.150)同理可得主因素的权重分配如表1所示。2.4 当测量叶片共振频率时，如果有2个叶片属于“很好”的状态（指共振率2680Hz），12个属于“较好”的状态（指共振频率2680Hz），3个属于“临界”的状态（指共振频率在2680HZ左右），没有属于“较差”和“很差”的状态。那么子因素U14的模糊关系矩阵为( 2, 12, 3, 0, 0 )。同理可得其它子因素的模糊关系矩阵，如表1所示。因此采用加权平均模型进行运算，由式（2）得U1和U2的一级评判向量B1=( 0.1, 0.737, 0.156, 0.007, 0 )因为U2无子因素，所以B2=R2=( 0, 1, 0, 0, 0 )2.5 由式（3）得由式（4）得二级评判向量B=( 0.075, 0.803, 0.117, 0.005, 0 )如果叶轮状态等级标准如表3所表示，则由式（5）可得表3 叶轮状态等级标准状态等级很好较好临界较差很差登记分数C100908980797069605950 可见，该叶轮的综合状态属于“较好”，仍可继续使用。3 结束语测试仪成本低廉、操作简单，能够满足维修手册对叶轮叶片共振频率的测量要求。如果与本文介绍的模糊综合评判的数学方法相结合，必将对APU维修水平的发展起到积极的促进作用。参考文献1 Smith B. Study Guide Of GTCP 331 Auxiliary Power Unit For BOEING 757/767. Honeywell Aerospace Company, MAY/1998.16-182 Peter S F. Inspection Repair Manual (GTCP 331 APU) Inspection /Check Section. Honeywell Aerospace