王轶男
中国航发哈尔滨东安发动机有限公司 黑龙江哈尔滨 150066
摘要： 航空发动机整机振动故障是发动机工作中较为常见和危害较大的故障。转子装配刚度是柔性转子必须要保证的基本要求，而刚度的均匀性提及较少。本文通过实例对发动机振动故障的排除过程进行分析，得出了刚度不均匀性对发动机振动故障有较大影响，对航空发动机整机振动故障的排故有一定参考作用。
关键词： 航空发动机；整机振动故障；刚度不均匀性
安装在飞机或台架上的航空发动机是一个无限多自由度的振动系统，发动机整机振动就是指这一系统在各种激振力作用下的响应。整机振动是衡量发动机工作质量的一项重要指标，振动过大会加速零件的疲劳破坏，降低发动机工作寿命，严重时可危及飞行器飞行安全，因此需要对发动机整机振动水平进行控制。为了全面掌握发动机的振动水平，通常由振动传感器来测量振动量，在试车台架上需要安装多个振动传感器，其中最重要的是安装在中介机匣上的水平振动速度（中水）传感器，用来衡量发动机整机振动水平。
本文就是通过对该发动机的振动故障排除过程进行分析，由故障特征推测出故障原因，进而有针对性地对故障进行分析和排除。
1 振动的排除过程
航空发动机本身是一个高度耦合的弹性组合系统，转子支承在多个支点上，呈现出准刚性转子的特点，使得整机振动对转子平衡、静子支点同心度和转静子间隙非常敏感。并且不论是转子结构还是静子结构都具有连接界面多、连接刚性弱，对装配、工作状态变化敏感。由于上述发动机结构振动特征，使其振动具有整体性和局部性，线性和非线性，确定性和非确定性相互作用的特点，使得发动机振动问题很难避免。
1.1 振动形态 发动机的中水振动值要求为不大于32mm/s，而在台架的实际试车过程中其中水振动值峰值达到了40mm/s，发动机在试车时，当转速n2=100%时，中水振动传感器测出的振动速度为36-38mm/s，超出了32mm/s的振动标准值。通过振动分析谱图来看，其分频高压分量为34.5mm/s，而低压分量为3.6mm/s。经过多次试车，振动值均无明显变化。
1.2 转子的平衡检查 故障发生后对高压压气机转子和高压组合转子初始不平衡及残余不平衡量进行了检查。
从高压压气机转子和高压组合转子的平衡数据可以看出，数据变化量较小，处于正常的不平衡量变化区间，因此从平衡数据上无法分析出转子平衡量对振动的影响。
1.3 振动故障的排除过程 最终的振动故障排除方案为，对高压压气机转子进行了分解，并对高压压气机转子的7-8-9级盘、篦齿盘、及高压轴的装配过程进行优化，在装配每一级盘及承力环时，都检查了24个连接螺栓的活动量，发现存在一定程度的卡滞现象，对存在卡滞现象的螺栓及相配合的螺栓孔进行了抛修，保证装配后的长螺栓都存在活动量。装配后按正常的平衡工艺进行平衡。
1.4 排除结果 该台发动机最后一次试车中水振动值稳定在15mm/s，说明排除方案有效。
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2 振动分析
目前确知的引起发动机振动的常见故障有转子不平衡、转子热弯曲、转子不对中、转子碰摩、轴承座连接松动或转子支承结构间隙超差、滚动轴承故障、齿轮故障、油膜振荡、局部共振、转轴裂纹、旋转失速与喘振、不均匀气流涡动等。
转子不平衡是由于转子部件质量偏心造成的故障，是引起振动的最常见原因。其故障特征是：振动的时域波形为正弦波；频谱图中，谐波能量集中于基频；当ω<ωn时，振幅随ω增大而增大，当ω>ωn时，振幅随ω增大而趋于一个较小的稳定值，当ω接近ωn时，振动剧烈，振幅具有最大峰值；工作转速一定时，相位稳定于矢量域内；转子的轴心轨迹为椭圆；转子的进动特征为同步正进动；振动的剧烈程度对工作转速很敏感。
从频谱上可以看出，本台发动机谐波能量集中在基频，且对高压转子转速敏感，转速稳定后，振动值也较稳定。因此分析认为该振动是由于转子的不平衡引起的。
2.1 发动机结构分析。
航空发动机中多采用挤压油膜阻尼器作为减小发动机振动，延长发动机寿命的一种重要手段。这种阻尼器结构简单，通常采用滑油作为工质，将振动能量吸收变成热能被滑油带走，减振效果非常明显。对减小转子通过临界转速时的振动和经由轴承外传的载荷，效果尤其显著，一般可以减去振动百分之六十以上。轴颈偏心率ε（=轴颈偏心距/油膜间隙）和振动传递率T与转速比δ的关系曲线。在转子不平衡量100时，轴颈偏心率ε在（转速比）δ≥1的大部分转速超过0.4，相应在此大范围内传递率一直保持较大，且随着转速增加而增加。不平衡量较小时，ε<0.4，该转子除在临界附近传递率稍大外，高转速下传递率都很低。可见一定的转子阻尼支承系统，有一定的允许不平衡量，不平衡量太大时，该阻尼器对减振无能为力。
本台发动机出现的振动大故障，说明工作状态下转子的不平衡量已超出了阻尼器的最大允许不平衡量。
2.2 装配刚度分析
发动机的高压转子由高压压气机、高压涡轮转子、高压涡轮轴颈组成的。高压压气机转子由1～6级鼓筒，7、8、9级盘，篦齿盘及高压轴组成，并采用双头长螺栓连接。高压压气机转子装配时在转子轴向上施加一定了压紧力进行装配，这种长螺栓连接结构的转子，文献资料上将其定义为体弹性转子。
一般来说，体弹性初始不平衡量的状态是随着转速的增加而增大，然而，一些例子表明，质量的偏移只能达到一个极限，不是无止境的。一旦这个极限达到后，稳定的初始不平衡状态也就存在了。
按照平衡的相关理论知识，刚性转子进行低速动平衡；柔性转子进行高速平衡。而该发动机高压转子为柔性转子（也称准刚性转子），但是根据转子的特点、平衡标准ISO1942及现有的生产条件只能采取低速平衡。
分析认为低速平衡无法反映出转子在工作状态下的真实平衡水平。这种不确定性主要是高压压气机这个柔性转子带来的，而从装配工艺来看，只要符合装配的技术要求，就应该能满足转子的工作要求。
从实际振动的排除方案来分析，每次试车后都对高压压气机转子的装配状态进行检查，各螺栓的松脱力矩、伸长量等均符合文件的要求，说明装配状态没有改变，转子的整体刚度不存在问题。在最后一次装配高压压气机转子时，发现了个别螺栓与盘存在干涉现象，说明虽然转子的整体刚度保证了，但干涉现象也导致了装配时存在刚度的不均匀性，使发动机在高速工作状态下产生的变形量存在不均匀性，转子的不平衡量就存在较大的变化，也就使发动机在工作时产生了振动故障。
3 总结
本文通过航空发动机的实际振动排除过程进行分析，证明了转子装配的刚度不均匀性对工作中的转子形变产生较大的影响，使转子的不平衡量发生较大变化，而这种不平衡量的变化通过低速平衡是无法检测出来的。为了防止这种刚度不均匀性对转子的影响，需要转子装配时保证各级盘与螺栓不允许存在干涉现象，同时保证拧紧力矩的统一，使转子装配后的刚度差在一定范围内，保证发动机工作时转子不平衡量变化小。
参考文献：
[1]王海霞.航空发动机整机振动分析与故障排除[D].大连：大连理工大学，2008，6.
[2]柏树生等.航空维修与工程.2011，1.
[3]顾宝龙.航空发动机先进传感器研究[J].科技创新导报，2012（04）.
论文作者:王轶男
论文发表刊物:《防护工程》2018年第13期
论文发表时间:2018/10/25
标签：转子论文; 发动机论文; 刚度论文; 故障论文; 不平论文; 转速论文; 螺栓论文; 《防护工程》2018年第13期论文;