航空發動機整機振動典型故障分析

鄭旭東，張連祥

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽 110015）

0 引言

整機振動歷來是航空燃氣渦輪發動機設計、制造加工和使用中的重大問題，多數發動機在研制過程中都經歷過。有的發動機在研制中時常受到振動問題的困擾，其振動超標臺次比例占總試驗臺次的1/4～1/3，從而影響發動機調試工作的進展；有的發動機在交付使用后，因振動偏大造成的返廠率達5%左右。振動的存在降低了可靠性，威脅使用安全，同時帶來一定的經濟損失。

整機振動故障產生的原因很復雜，多是各種綜合因素共同作用的結果。因此，弄清整機振動的規律，確定發生振動故障的原因，尋求解決振動偏大故障的有效措施，是航空發動機振動理論和工程應用研究人員面臨的重要任務。

本文闡述了航空發動機整機振動的典型故障，分析了故障產生的機理和原因，提出了解決故障所采取的措施。

1 轉子熱彎曲引發的振動故障

國內外航空發動機研制部門非常重視對轉子熱起動問題的研究和驗證工作。美國空軍的渦輪發動機結構完整性大綱指出，從滿足飛機戰術要求來講，應該將解決熱起動問題列入修改結構或冷卻流路等日程,并已將研究撓曲轉子的起動問題列入新的設計和試驗中。

在某型航空發動機研制期間，曾多次發生轉子熱彎曲引起的振動偏大問題。其振動特點為在起動過程中振動突然增大多倍，存在1個相當高的振動峰值，有時導致起動終止,有時引起壓氣機轉子葉片與機匣以及轉子封嚴篦齒與靜子葉片封嚴環之間嚴重碰摩，嚴重時，造成轉子葉尖多處掉角和出現裂紋等后果。

熱起動過程的轉子熱彎曲問題發生在發動機停車后，此時發動機工作溫度較高，葉片-輪盤-轉軸封閉在機匣內，處于冷卻過程中。外界氣流不斷從進口流向發動機內。由于外界氣流溫度較低，發動機內氣流溫度較高，熱氣流密度較小，向上浮動，冷氣流密度較大，向下流動。因此，轉子周圍溫度分布不均，上部變熱，下部變冷。在溫度載荷作用下，轉子上、下部膨脹量不同，以至發生彎曲變形。溫差越大，彎曲變形程度越大，從而產生很大的不平衡量，引發較大的外傳振動。

大量試車數據統計分析表明，在熱起動過程中的振動響應不僅與熱起動前的停車時間間隔有關，同時與發動機前次試車的工作時間和達到的工作狀態有關。如果前次試車工作狀態較高，在高狀態下工作時間較長，表明發動機已經熱透，轉、靜子間隙處于良好狀態，在熱起動過程中不會發生轉、靜子碰摩，外傳振動不會增大。如果前次試車工作狀態較低，在高狀態下工作時間較短，即表明發動機沒有熱透，在熱起動過程中則會發生轉、靜子碰摩，外傳振動響應會增大，比已熱透發動機的大20%～50%。實踐表明，為避免在熱起動過程中出現較大的振動響應，設計時，應綜合考慮各種因素，合理確定發動機轉、靜子間隙，并設計具有一定程度彎曲的平動或俯仰型臨界轉速，距離慢車轉速留有足夠的裕度。使用時，對于具有較強熱彎曲的轉子，在一定的停車時間間隔范圍內進行再次熱起動，以避免發生轉子熱彎曲現象。

某型發動機在不同起動條件下整機振動測試結果如圖1所示。從圖中可見，在冷起動過程中發動機振動很小，最大振動值為7 mm/s；停車46 min后再次起動，最大振動值達100 mm/s左右。如果在再起動前進行1次冷運轉，停車后46 min再次起動，最大振動值為17 mm/s左右。說明在再起動前進行1次冷運轉，可以明顯改善發動機轉子熱彎曲引發的振動響應。

2 轉、靜子碰摩引發的振動故障

對于航空發動機而言，在不斷提高推重比及提高作為主要循環參數的工作介質溫度和工作壓力情況下，對轉、靜子封嚴間隙提出了越來越高的要求，使得在工程上解決整機振動問題越來越困難。加大轉、靜子間隙，勢必影響發動機的效率和推力等；而縮小轉、靜子間隙，可能帶來由于轉、靜子碰摩引發的部件或整機振動問題。

在某型航空發動機整機調試期間，曾發生與瞬態溫度場有關的振動偏大故障，對該振動故障分析表明：

（1）根據振動測量和頻譜分析結果，認為振動值較大時，主要表現在高壓轉子1倍頻率分量較大，并有一定量值的高壓轉子2倍頻率分量，而低壓轉子1倍頻率分量相當小。故發動機振動偏大故障原因主要來自于高壓轉子。

（2）在“充分暖機”后，在穩態和瞬態下，其振動值均較小，遠小于振動限制值（為振動限制值的1/5～1/3），即使在最高轉速狀態下，振動值也很小。說明該振動故障不是由于轉子不平衡量較大引起的。

（3）在“充分暖機”后，其振動值均較小。僅在油門桿上推過程中，某一轉速出現振動峰值，而在油門桿下拉過程中，不出現振動峰值。說明該振動故障不是轉子共振或出現臨界轉速所造成的。

（4）認為該振動故障主要與發動機的溫度場和工作轉速有關。即在發動機處于某一狀態下，在轉、靜子最小封嚴間隙部位，轉子熱變形和離心變形較大，而靜子熱變形較小，容易消除轉、靜子最小封嚴處間隙，以至發生碰摩。涂層較薄的封嚴件的涂層被磨光后，就會發生金屬機體的“硬碰硬”磨損，從而產生較大的振動，一旦轉、靜子最小間隙處從接觸到脫開，振動值便遽然減小。

針對該振動故障，將發動機分解后普查轉、靜子碰摩部位，對碰摩較為嚴重處加大局部間隙后，振動峰值明顯減小，且出現振動峰值的轉速減小，峰值駐留時間變短。該排故措施取得明顯效果。振動偏大故障排除前、后的振動變化如圖2、3所示。

圖3 振動故障排除后參數變化曲線

3 甩油孔位置不當引發的自激振動故障

自激振動和失穩雖不經常發生，但一旦發生就易引發嚴重故障。因此，在設計和加工制造階段應避免引發自激振動。但是，由于對自激振動失穩的機理了解得不夠清楚，欲做到準確預估，防患于未然，還存在相當大困難。在某型航空發動機研制階段，曾發生1起甩油孔位置不正確引發的自激振動故障。該發動機歷經3次上下臺裝配、地面試驗和分解，共試車50余次。在試車起動過程接近慢車轉速時或在慢車轉速停留一定時間（最短5 s，最長2 min），出現異常響聲，并伴隨振動突然增大現象，有時從噴口處有火星噴出。分解后發現故障主要集中在壓氣機前支點附近的轉子和靜子件。壓氣機各級轉子葉片葉尖磨損嚴重，最大磨損量約1 mm；轉子鼓筒內有較多積油；壓氣機前支點石墨跑道與外環相摩；前支點軸承鎖緊螺母松動，鎖緊螺母鎖片被剪斷。

試車過程中的振動3維分析如圖4所示。從圖中明顯可見，存在1個基本不變或稍微變化的振動頻率（156～160 Hz），不隨發動機轉速頻率變化而變化。在慢車轉速附近，該頻率對應的幅值突然增大。發動機工作狀態較低，工作時間很短，但將發動機分解后發現故障相當嚴重，說明振動能量很大。分析認為該振動故障不是一般的共振，也不是通常的強迫振動，而是比較典型的非同步自激振動。

圖4 轉子振動3維分析

該振動故障的機理：在發動機改裝時，為適應工藝要求，在壓氣機前軸頸修改設計過程中，將內孔積油槽處的2個斜向甩油孔（5（a））改為直向甩油孔（圖5（b）），且改變了位置，如圖5所示。從圖中可見，甩油孔偏離了內腔集油槽的最低點。在發動機工作時，如出現滑油泄漏情況，滑油流入壓氣機轉子內腔時，致使內腔積油甩不出來。同時，由于裝配時，空氣導管與前軸頸的密封膠圈損傷，發生滑油泄漏，使壓氣機轉子內腔積存滑油，在轉子不平衡力作用下，作正同步進動時，積油被甩向遠離中心的一側，使不平衡量加大，不至引起自激振動。但當偶然出現次同步進動時，因轉子自轉轉速ω大于公轉轉速Ω，在液體的黏性作用下，轉子中的積油被轉子自轉帶動向前方轉動，使得積油質心位置總是超前于轉子振動方向1個角度φ，如圖6所示。積油除被轉子帶著作正進動之外，因液體黏性被轉子自轉帶動有向前的速度，使得積液的慣性力方向不通過軸承中心連線，而是與OO'相交于O點上方。積液慣性力的分力Pt對轉子是1種自激力，促使轉子繼續保持并發展次同步進動，嚴重時會導致壓氣機失穩，失穩開始時的頻率與轉速頻率比為0.5～1.0。

圖5 甩油孔結構變化

圖6 轉子內腔積液引起自激力分析

4 結束語

發動機再次裝配時，恢復原甩油孔位置，并將直向甩油孔改為斜向甩油孔，使壓氣機轉子內腔積油迅速排除，從而使發動機運轉到最高狀態，再沒有發生異常響聲、振動突然變大以及結構損壞等故障。驗證了該故障為甩油孔位置不當引發的自激振動，同時表明排除該振動故障的措施是有效的。

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