航空發(fā)動機風(fēng)扇機匣振動故障分析

姜廣義，王 娟 ，姜 睿

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽 110015）

航空發(fā)動機風(fēng)扇機匣振動故障分析

姜廣義，王 娟 ，姜 睿

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽 110015）

在航空發(fā)動機研發(fā)與試車過程中，曾出現(xiàn)風(fēng)扇機匣振動偏大且振幅存在擺動現(xiàn)象。為明確故障原因，從機匣和轉(zhuǎn)子的振動特性以及機匣變形等多方面對振動測試數(shù)據(jù)和信號進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：振動故障是由機匣變形引起轉(zhuǎn)、靜子間隙不協(xié)調(diào)導(dǎo)致轉(zhuǎn)、靜件碰摩所引起的；在機匣發(fā)生局部共振情況下，碰摩形式發(fā)生變化，引起振動幅值出現(xiàn)擺動現(xiàn)象。

風(fēng)扇機匣；振動；碰摩；臨界轉(zhuǎn)速；航空發(fā)動機

0 引言

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

本文通過分析該型發(fā)動機振動測試數(shù)據(jù)和分解檢查結(jié)果，找出其故障原因。

1 振動傳感器安裝位置

為確保航空發(fā)動機在試車過程中的安全，在發(fā)動機多個承力截面安裝振動傳感器。在試車過程中發(fā)現(xiàn)風(fēng)扇機匣振動異常，因此，在風(fēng)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，F(xiàn)c、Fs、Fq分別為風(fēng)扇機匣垂直、水平和切向測點。

2 振動現(xiàn)象描述

該發(fā)動機共進(jìn)行5次試車。第5次試車中達(dá)到發(fā)動機最大轉(zhuǎn)速，完成試車任務(wù)。在整個試車過程中，發(fā)動機前機匣的振動特點為：

（1）在轉(zhuǎn)速超過76%后，風(fēng)扇機匣振動測點所測振動值出現(xiàn)明顯波動現(xiàn)象。

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

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

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

整個試車過程，風(fēng)扇振動測試點測試曲線如圖2所示。

3 振動故障分析

在風(fēng)扇機匣振動異常時，對3個測點進(jìn)行頻譜分析，結(jié)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(xiàn)象，并以Fq測點最為明顯。隨著轉(zhuǎn)速的增大，各測點都明顯出現(xiàn)低壓基頻的倍頻，如圖中的2倍頻FN2和3倍頻FN3。這說明發(fā)動機風(fēng)扇機匣處應(yīng)該存在碰摩現(xiàn)象。振幅的擺動應(yīng)該與發(fā)動機在不同狀態(tài)下碰摩的形式不同有關(guān)。

4 碰摩原因分析

發(fā)動機轉(zhuǎn)、靜件碰摩必是轉(zhuǎn)、靜子間隙不當(dāng)導(dǎo)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(zhuǎn)子存在臨界轉(zhuǎn)速、機匣變形等。由于振動測試傳感器安裝于發(fā)動機機匣上，其拾取的信號包含轉(zhuǎn)子信息和靜子信息，所以需要分別對轉(zhuǎn)、靜子進(jìn)行分析。

4.1 風(fēng)扇機匣分析

為測量試車過程中風(fēng)扇機匣局部振動，在風(fēng)扇機匣表面粘貼20片應(yīng)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(yīng)力測試分析發(fā)現(xiàn)，周向應(yīng)變片振動應(yīng)力在發(fā)動機90%轉(zhuǎn)速時達(dá)到最大值40MPa，振動頻率為2972Hz，激振因素M=20。軸向應(yīng)變片振動應(yīng)力較小，但也在90%轉(zhuǎn)速時達(dá)到最大值11MPa，振動頻率為 2972Hz，M=20。

對風(fēng)扇前機匣的固有模態(tài)進(jìn)行計算，發(fā)現(xiàn)在發(fā)動機90%轉(zhuǎn)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(jié)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(zhuǎn)子振動特性分析

通過對轉(zhuǎn)子進(jìn)行臨界轉(zhuǎn)速計算分析可知，轉(zhuǎn)子在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)確實存在著臨界轉(zhuǎn)速，其模態(tài)形式為俯仰型，如圖10所示。

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

對安裝在發(fā)動機中介機匣振動測點所測的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)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(xiàn)象出現(xiàn)。中介機匣測點3維譜如圖11所示。由此可以判斷，碰摩現(xiàn)象非轉(zhuǎn)子本身振動特性導(dǎo)致間隙變化引起的。

5 發(fā)動機分解檢查結(jié)果

發(fā)動機機匣的變形情況在試車現(xiàn)場無法檢查，將發(fā)動機分解后，對風(fēng)扇部件進(jìn)行檢查和測量。

（1）第1級風(fēng)扇葉片與風(fēng)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(nèi)環(huán)左下端面進(jìn)行圓度測量，結(jié)果如圖12所示。測量結(jié)果表明：風(fēng)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(jié)論

（1）對發(fā)動機分解檢查發(fā)現(xiàn)，振動異常原因為風(fēng)扇6點位置處存在轉(zhuǎn)、靜子碰摩現(xiàn)象。

（2）引起轉(zhuǎn)、靜子碰摩的主要原因是發(fā)動機風(fēng)扇機匣的圓度不好，導(dǎo)致、轉(zhuǎn)靜子上下間隙小，左右間隙大，在一定轉(zhuǎn)速下發(fā)生碰摩。

（3）由于風(fēng)扇機匣在發(fā)動機90%轉(zhuǎn)速下存在共振，導(dǎo)致本已存在的碰摩發(fā)生形式和程度的變化，從而引起振動幅值擺動。

[1]航空發(fā)動機設(shè)計手冊總編委會.航空發(fā)動機設(shè)計手冊：（第19冊）：轉(zhuǎn)子動力學(xué)和整機振動[M].北京：航空工業(yè)出版社，2000.

[2]何俊杰，蔚奪魁，張德平.某型燃?xì)廨啓C內(nèi)、外機匣振動傳遞的動力學(xué)分析[J].航空發(fā)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(fā)動機振動測試分析工作。