航空發動機風扇機匣振動故障分析

姜廣義，王 娟 ，姜 睿

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽 110015）

航空發動機風扇機匣振動故障分析

姜廣義，王 娟 ，姜 睿

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽 110015）

在航空發動機研發與試車過程中，曾出現風扇機匣振動偏大且振幅存在擺動現象。為明確故障原因，從機匣和轉子的振動特性以及機匣變形等多方面對振動測試數據和信號進行了分析。結果表明：振動故障是由機匣變形引起轉、靜子間隙不協調導致轉、靜件碰摩所引起的；在機匣發生局部共振情況下，碰摩形式發生變化，引起振動幅值出現擺動現象。

風扇機匣；振動；碰摩；臨界轉速；航空發動機

0 引言

航空發動機的劇烈振動易使零部件出現疲勞裂紋，甚至出現斷裂與失效，從而導致發動機壽命縮短。實際上，整機振動故障幾乎在所有型號發動機都發生過，并且貫穿整個研制和使用過程，是長期制約發動機發展的主要故障之一。發動機振動的誘發因素很多，而且復雜，如轉子和靜子不同心、轉子不平衡量過大、轉子和靜子碰摩、支承松動、轉子葉片掉塊、轉子積油等[1]。某型新改型發動機驗證機在首次試車中完成計劃的任務，但是，風扇機匣出現振動較大，且擺動現象。

本文通過分析該型發動機振動測試數據和分解檢查結果，找出其故障原因。

1 振動傳感器安裝位置

為確保航空發動機在試車過程中的安全，在發動機多個承力截面安裝振動傳感器。在試車過程中發現風扇機匣振動異常，因此，在風扇機匣法蘭邊安裝了3個拾振傳感器，安裝位置如圖1所示。在圖中，Fc、Fs、Fq分別為風扇機匣垂直、水平和切向測點。

2 振動現象描述

該發動機共進行5次試車。第5次試車中達到發動機最大轉速，完成試車任務。在整個試車過程中，發動機前機匣的振動特點為：

（1）在轉速超過76%后，風扇機匣振動測點所測振動值出現明顯波動現象。

（2）Fc、Fs的最大峰值點轉速不一致，在轉速增大過程中，Fc最大峰值轉速為76.5%，Fs最大峰值點轉速為81.5%。

（3）在轉速增大和減小過程中，同一測點最大峰值點的轉速不同，垂直測點在轉速增大過程中為76.5%，在轉速減小過程中為81%；水平測點在轉速增大過程中為81.5%，在轉速減小過程中基本未出現比較明顯的峰值。

（4）進氣機匣切向測點在發動機轉速從89%增大到92%過程中，振動明顯增大，并且幅值不穩；在轉速減小過程中，穩定在92%的前40s振幅超過0.13mm，后降至0.025mm左右，在轉速從91.5%減小到87%，振動又出現大幅擺動。

整個試車過程，風扇振動測試點測試曲線如圖2所示。

3 振動故障分析

在風扇機匣振動異常時，對3個測點進行頻譜分析，結果如圖3～5所示。

從圖3～5中可見，低壓振動基頻FN1存在擺動現象，并以Fq測點最為明顯。隨著轉速的增大，各測點都明顯出現低壓基頻的倍頻，如圖中的2倍頻FN2和3倍頻FN3。這說明發動機風扇機匣處應該存在碰摩現象。振幅的擺動應該與發動機在不同狀態下碰摩的形式不同有關。

4 碰摩原因分析

發動機轉、靜件碰摩必是轉、靜子間隙不當導致的，而能夠引起間隙問題的常見原因有：機匣存在局部共振、轉子存在臨界轉速、機匣變形等。由于振動測試傳感器安裝于發動機機匣上，其拾取的信號包含轉子信息和靜子信息，所以需要分別對轉、靜子進行分析。

4.1 風扇機匣分析

為測量試車過程中風扇機匣局部振動，在風扇機匣表面粘貼20片應變片，其中1～15為周向粘貼，16～20為軸向粘貼。貼片具體位置如圖6所示。

通過動應力測試分析發現，周向應變片振動應力在發動機90%轉速時達到最大值40MPa，振動頻率為2972Hz，激振因素M=20。軸向應變片振動應力較小，但也在90%轉速時達到最大值11MPa，振動頻率為 2972Hz，M=20。

對風扇前機匣的固有模態進行計算，發現在發動機90%轉速下，確實存在M=20、頻率為2996 Hz的固有頻譜，其振型如圖7所示。

激振因素為20時，機匣的徑向、切向相對振動位移的比較如圖8、9所示。從圖中可見，機匣徑向相對位移（4.1mm）要大于切向的（0.75mm）；而在試車過程中振動測量結果為切向振動大，說明單純由機匣自身振動引起的傳感器切向振動大的可能性較小。

4.2 轉子振動特性分析

通過對轉子進行臨界轉速計算分析可知，轉子在工作轉速范圍內確實存在著臨界轉速，其模態形式為俯仰型，如圖10所示。

通過與實測振動數據對比分析可知，在實際試車過程中出現振動峰值的轉速與計算臨界轉速值差異較大，并且實測結果在發動機轉速增大和減小時表現不一致。初步判定振動異常非轉子本身振動特性所致。

對安裝在發動機中介機匣振動測點所測的數據進行分析發現，在風扇機匣振動異常情況下，該處所測振動信號正常，無振動峰值和擺動現象出現。中介機匣測點3維譜如圖11所示。由此可以判斷，碰摩現象非轉子本身振動特性導致間隙變化引起的。

5 發動機分解檢查結果

發動機機匣的變形情況在試車現場無法檢查，將發動機分解后，對風扇部件進行檢查和測量。

（1）第1級風扇葉片與風扇機匣在圓周方向第6點位置處約有長為10cm的磨痕。

（2）對2級內環左下端面進行圓度測量，結果如圖12所示。測量結果表明：風扇機匣的圓度不好，長軸在水平方向，短軸在垂直方向，與碰摩痕跡吻合。

6 結論

（1）對發動機分解檢查發現，振動異常原因為風扇6點位置處存在轉、靜子碰摩現象。

（2）引起轉、靜子碰摩的主要原因是發動機風扇機匣的圓度不好，導致、轉靜子上下間隙小，左右間隙大，在一定轉速下發生碰摩。

（3）由于風扇機匣在發動機90%轉速下存在共振，導致本已存在的碰摩發生形式和程度的變化，從而引起振動幅值擺動。

[1]航空發動機設計手冊總編委會.航空發動機設計手冊：（第19冊）：轉子動力學和整機振動[M].北京：航空工業出版社，2000.

[2]何俊杰，蔚奪魁，張德平.某型燃氣輪機內、外機匣振動傳遞的動力學分析[J].航空發動機，2009，35（2）：34-36.

Aeroengine Fan Casing Vibration Fault Analysis

JIANG Guang-yi,WANG Juan,JIANG Rui
（AVIC Shenyang Aeroengine Research Institute,Shengyang 110015,China）

The intense vibration and amplitude fluctuation of fan casing occurred during the development and test of an aeroengine.To find the cause,the vibration test data and signal were analyzed for the casing vibration characteristics,rotor vibration characteristics and casing deformation,casing deformation.The results show the vibration result from rub between the rotor and the stator caused by the incompatibility of rotor and stator clearence by case deformation,and the amplitude fluctuation result from changed rub form under the condition of casing local vibration.

fan casing;vibration;rub;critical speed;aeroengine

姜廣義（1975），男，高級工程師，主要從事航空發動機振動測試分析工作。