裝配剛度不均勻性對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)的影響

李明 LI Ming；陳大麗 CHEN Da-li；朱穎 ZHU Ying

（沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，沈陽 110043，Chian）

（AVIC Shenyang Liming Aero-Engine Group Corporation Ltd.，Shenyang 110043，China）

0 引言

安裝在飛機(jī)或臺(tái)架上的航空發(fā)動(dòng)機(jī)是一個(gè)無限多自由度的振動(dòng)系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)就是指這一系統(tǒng)在各種激振力作用下的響應(yīng)。整機(jī)振動(dòng)是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)工作質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)，振動(dòng)過大會(huì)加速零件的疲勞破壞，降低發(fā)動(dòng)機(jī)工作壽命，嚴(yán)重時(shí)可危及飛行器飛行安全，因此需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)水平進(jìn)行控制。為了全面掌握發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)水平，通常由振動(dòng)傳感器來測(cè)量振動(dòng)量，在試車臺(tái)架上需要安裝多個(gè)振動(dòng)傳感器，其中最重要的是安裝在中介機(jī)匣上的水平振動(dòng)速度（中水）傳感器，用來衡量發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)水平。

本文就是通過對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)故障排除過程進(jìn)行分析，由故障特征推測(cè)出故障原因，進(jìn)而有針對(duì)性地對(duì)故障進(jìn)行分析和排除。

1 振動(dòng)的排除過程

航空發(fā)動(dòng)機(jī)本身是一個(gè)高度耦合的彈性組合系統(tǒng)，轉(zhuǎn)子支承在多個(gè)支點(diǎn)上，呈現(xiàn)出準(zhǔn)剛性轉(zhuǎn)子的特點(diǎn)，使得整機(jī)振動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)子平衡、靜子支點(diǎn)同心度和轉(zhuǎn)靜子間隙非常敏感。并且不論是轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)還是靜子結(jié)構(gòu)都具有連接界面多、連接剛性弱，對(duì)裝配、工作狀態(tài)變化敏感。由于上述發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)特征，使其振動(dòng)具有整體性和局部性，線性和非線性，確定性和非確定性相互作用的特點(diǎn)，使得發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)問題很難避免。

1.1 振動(dòng)形態(tài) 發(fā)動(dòng)機(jī)的中水振動(dòng)值要求為不大于32mm/s，而在臺(tái)架的實(shí)際試車過程中其中水振動(dòng)值峰值達(dá)到了40mm/s，發(fā)動(dòng)機(jī)在試車時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)速n2=100%時(shí)，中水振動(dòng)傳感器測(cè)出的振動(dòng)速度為36-38mm/s，超出了32mm/s的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)值。通過振動(dòng)分析譜圖來看，其分頻高壓分量為34.5mm/s，而低壓分量為3.6mm/s。經(jīng)過多次試車，振動(dòng)值均無明顯變化。

1.2 轉(zhuǎn)子的平衡檢查 故障發(fā)生后對(duì)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子和高壓組合轉(zhuǎn)子初始不平衡及殘余不平衡量進(jìn)行了檢查，結(jié)果見表1、表2。

表1 高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子平衡數(shù)據(jù)

表2 高壓組合轉(zhuǎn)子平衡數(shù)據(jù)

從高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子和高壓組合轉(zhuǎn)子的平衡數(shù)據(jù)可以看出，數(shù)據(jù)變化量較小，處于正常的不平衡量變化區(qū)間，因此從平衡數(shù)據(jù)上無法分析出轉(zhuǎn)子平衡量對(duì)振動(dòng)的影響。

1.3 振動(dòng)故障的排除過程 最終的振動(dòng)故障排除方案為，對(duì)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了分解，并對(duì)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的7-8-9級(jí)盤、篦齒盤、及高壓軸的裝配過程進(jìn)行優(yōu)化，在裝配每一級(jí)盤及承力環(huán)時(shí)，都檢查了24個(gè)連接螺栓的活動(dòng)量，發(fā)現(xiàn)存在一定程度的卡滯現(xiàn)象，對(duì)存在卡滯現(xiàn)象的螺栓及相配合的螺栓孔進(jìn)行了拋修，保證裝配后的長螺栓都存在活動(dòng)量。裝配后按正常的平衡工藝進(jìn)行平衡。

1.4 排除結(jié)果 該臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)最后一次試車中水振動(dòng)值穩(wěn)定在15mm/s，說明排除方案有效。

2 振動(dòng)分析

目前確知的引起發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的常見故障有轉(zhuǎn)子不平衡、轉(zhuǎn)子熱彎曲、轉(zhuǎn)子不對(duì)中、轉(zhuǎn)子碰摩、軸承座連接松動(dòng)或轉(zhuǎn)子支承結(jié)構(gòu)間隙超差、滾動(dòng)軸承故障、齒輪故障、油膜振蕩、局部共振、轉(zhuǎn)軸裂紋、旋轉(zhuǎn)失速與喘振、不均勻氣流渦動(dòng)等。

轉(zhuǎn)子不平衡是由于轉(zhuǎn)子部件質(zhì)量偏心造成的故障，是引起振動(dòng)的最常見原因。其故障特征是：振動(dòng)的時(shí)域波形為正弦波；頻譜圖中，諧波能量集中于基頻；當(dāng)ω＜ωn時(shí)，振幅隨ω增大而增大，當(dāng)ω＞ωn時(shí)，振幅隨ω增大而趨于一個(gè)較小的穩(wěn)定值，當(dāng)ω接近ωn時(shí)，振動(dòng)劇烈，振幅具有最大峰值；工作轉(zhuǎn)速一定時(shí)，相位穩(wěn)定于矢量域內(nèi)；轉(zhuǎn)子的軸心軌跡為橢圓；轉(zhuǎn)子的進(jìn)動(dòng)特征為同步正進(jìn)動(dòng)；振動(dòng)的劇烈程度對(duì)工作轉(zhuǎn)速很敏感。

從頻譜上可以看出，本臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)諧波能量集中在基頻，且對(duì)高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速敏感，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，振動(dòng)值也較穩(wěn)定。因此分析認(rèn)為該振動(dòng)是由于轉(zhuǎn)子的不平衡引起的。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)分析 該發(fā)動(dòng)機(jī)為雙轉(zhuǎn)子、帶擠壓油膜阻尼器減振的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，其支承結(jié)構(gòu)見圖，由6個(gè)支點(diǎn)組成，其中低壓轉(zhuǎn)子為1-2-1形式，高壓轉(zhuǎn)子為1-0-1形式，見圖1。

圖1 轉(zhuǎn)子及支撐結(jié)構(gòu)示意圖

航空發(fā)動(dòng)機(jī)中多采用擠壓油膜阻尼器作為減小發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)，延長發(fā)動(dòng)機(jī)壽命的一種重要手段。這種阻尼器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通常采用滑油作為工質(zhì)，將振動(dòng)能量吸收變成熱能被滑油帶走，減振效果非常明顯。對(duì)減小轉(zhuǎn)子通過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)的振動(dòng)和經(jīng)由軸承外傳的載荷，效果尤其顯著，一般可以減去振動(dòng)百分之六十以上。圖2為軸頸偏心率ε（=軸頸偏心距/油膜間隙）和振動(dòng)傳遞率T與轉(zhuǎn)速比δ的關(guān)系曲線。在轉(zhuǎn)子不平衡量100時(shí)，軸頸偏心率ε在（轉(zhuǎn)速比）δ≥1的大部分轉(zhuǎn)速超過0.4，相應(yīng)在此大范圍內(nèi)傳遞率一直保持較大，且隨著轉(zhuǎn)速增加而增加。不平衡量較小時(shí)，ε＜0.4，該轉(zhuǎn)子除在臨界附近傳遞率稍大外，高轉(zhuǎn)速下傳遞率都很低。可見一定的轉(zhuǎn)子阻尼支承系統(tǒng)，有一定的允許不平衡量，不平衡量太大時(shí)，該阻尼器對(duì)減振無能為力。

本臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)的振動(dòng)大故障，說明工作狀態(tài)下轉(zhuǎn)子的不平衡量已超出了阻尼器的最大允許不平衡量。

2.2 裝配剛度分析 發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓轉(zhuǎn)子由高壓壓氣機(jī)、高壓渦輪轉(zhuǎn)子、高壓渦輪軸頸組成的。高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子由1～6級(jí)鼓筒，7、8、9級(jí)盤，篦齒盤及高壓軸組成，并采用雙頭長螺栓連接。高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子裝配時(shí)在轉(zhuǎn)子軸向上施加一定了壓緊力進(jìn)行裝配，這種長螺栓連接結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子，文獻(xiàn)資料上將其定義為體彈性轉(zhuǎn)子，見圖3。

圖2 某帶阻尼的剛性轉(zhuǎn)子的不平衡特性

圖3 高壓壓氣機(jī)連接示意圖

一般來說，體彈性初始不平衡量的狀態(tài)是隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大，然而，一些例子表明，質(zhì)量的偏移只能達(dá)到一個(gè)極限，不是無止境的。一旦這個(gè)極限達(dá)到后，穩(wěn)定的初始不平衡狀態(tài)也就存在了。

按照平衡的相關(guān)理論知識(shí)，剛性轉(zhuǎn)子進(jìn)行低速動(dòng)平衡；柔性轉(zhuǎn)子進(jìn)行高速平衡。而該發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子為柔性轉(zhuǎn)子（也稱準(zhǔn)剛性轉(zhuǎn)子），但是根據(jù)轉(zhuǎn)子的特點(diǎn)、平衡標(biāo)準(zhǔn)ISO1942及現(xiàn)有的生產(chǎn)條件只能采取低速平衡。

分析認(rèn)為低速平衡無法反映出轉(zhuǎn)子在工作狀態(tài)下的真實(shí)平衡水平。這種不確定性主要是高壓壓氣機(jī)這個(gè)柔性轉(zhuǎn)子帶來的，而從裝配工藝來看，只要符合裝配的技術(shù)要求，就應(yīng)該能滿足轉(zhuǎn)子的工作要求。

從實(shí)際振動(dòng)的排除方案來分析，每次試車后都對(duì)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的裝配狀態(tài)進(jìn)行檢查，各螺栓的松脫力矩、伸長量等均符合文件的要求，說明裝配狀態(tài)沒有改變，轉(zhuǎn)子的整體剛度不存在問題。在最后一次裝配高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子時(shí)，發(fā)現(xiàn)了個(gè)別螺栓與盤存在干涉現(xiàn)象，說明雖然轉(zhuǎn)子的整體剛度保證了，但干涉現(xiàn)象也導(dǎo)致了裝配時(shí)存在剛度的不均勻性，使發(fā)動(dòng)機(jī)在高速工作狀態(tài)下產(chǎn)生的變形量存在不均勻性，轉(zhuǎn)子的不平衡量就存在較大的變化，也就使發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)產(chǎn)生了振動(dòng)故障。

3 總結(jié)

本文通過航空發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際振動(dòng)排除過程進(jìn)行分析，證明了轉(zhuǎn)子裝配的剛度不均勻性對(duì)工作中的轉(zhuǎn)子形變產(chǎn)生較大的影響，使轉(zhuǎn)子的不平衡量發(fā)生較大變化，而這種不平衡量的變化通過低速平衡是無法檢測(cè)出來的。為了防止這種剛度不均勻性對(duì)轉(zhuǎn)子的影響，需要轉(zhuǎn)子裝配時(shí)保證各級(jí)盤與螺栓不允許存在干涉現(xiàn)象，同時(shí)保證擰緊力矩的統(tǒng)一，使轉(zhuǎn)子裝配后的剛度差在一定范圍內(nèi)，保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)轉(zhuǎn)子不平衡量變化小。

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