QD128燃?xì)廨啓C(jī)動力渦輪振動故障排除研究

權(quán)立寶，梁 阮，宋文超，孫遠(yuǎn)偉

(沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，沈陽 110043)

燃?xì)廨啓C(jī)振動的分析及排故一直是各國燃?xì)廨啓C(jī)制造廠商所必須面對的也是最棘手的難題。燃?xì)廨啓C(jī)振動的大小直接關(guān)系到燃?xì)廨啓C(jī)能否在壽命期內(nèi)安全可靠運行。采取有效的振動監(jiān)控措施，能大大降低振動對燃?xì)廨啓C(jī)的破壞，同時能為振動故障分析提供有力的數(shù)據(jù)支持［1］。在燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)生振動故障時，利用振動頻譜分析設(shè)備在燃?xì)廨啓C(jī)運行中進(jìn)行實時振動頻率分析;同時，通過對裝配過程及零件的加工問題進(jìn)行復(fù)查，最終找到導(dǎo)致振動故障的主要原因。

QD128燃?xì)廨啓C(jī)某臺動力渦輪在廠內(nèi)試車中發(fā)生了前支點振動值超限的現(xiàn)象，通過查詢振動監(jiān)控系統(tǒng)的記錄數(shù)據(jù)及在運行過程中進(jìn)行振動頻率分析，找出導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)動力渦輪振動偏大的主要原因，經(jīng)過對該臺動力渦輪轉(zhuǎn)、靜子結(jié)構(gòu)及檢驗記錄詳細(xì)分析后，制定合理振動故障排故方案并投入應(yīng)用。通過多次試驗試車，振動故障現(xiàn)象排除，燃?xì)廨啓C(jī)動力渦輪允許出廠。本文就QD128燃?xì)廨啓C(jī)某臺動力渦輪在廠內(nèi)的試車、振動分析及排故情況作詳細(xì)介紹，為提高QD128燃?xì)廨啓C(jī)動力渦輪安全可靠性積累經(jīng)驗。

1 QD128燃?xì)廨啓C(jī)某臺動力渦輪簡介

1.1 動力渦輪結(jié)構(gòu)概述

QD128燃?xì)廨啓C(jī)動力渦輪主要由過渡段、靜子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、軸承機(jī)匣系統(tǒng)、排氣渦殼和支撐平臺組成。其中過渡段進(jìn)口與燃?xì)獍l(fā)生器出口采用剛性連接方式相連;轉(zhuǎn)子、靜子系統(tǒng)各2級，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)采用懸臂結(jié)構(gòu)，用2個可傾斜軸瓦式軸頸軸承和1個止推軸承支承，3個軸承固定在軸承機(jī)匣上，軸承機(jī)匣與主承力環(huán)通過7個承力支板相連接把力傳遞到外部支撐平臺上［2］。

1.2 動力渦輪測振系統(tǒng)介紹

QD128燃?xì)廨啓C(jī)動力渦輪支承系統(tǒng)由前、后兩個徑向軸承與中間的推力軸承組成。前、后軸承座上方左右45°角各裝有兩個水平與垂直振動傳感器AS1/AC1與AS2/AC2，用來監(jiān)控轉(zhuǎn)子系統(tǒng)垂直方向與水平方向振動情況。推力軸承位置裝有軸向位移傳感器APT，用來監(jiān)控轉(zhuǎn)子系統(tǒng)軸向位移活動情況。各振動傳感器與動力渦輪上的安裝位置見圖1。

振動傳感器感受的位移信號通過變送器輸出4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)信號，傳送到控制系統(tǒng)中，通過控制系統(tǒng)顯示并監(jiān)控振動數(shù)值。

當(dāng)需要對動力渦輪振動故障原因進(jìn)行分析時，增加振動頻率分析設(shè)備，將振動信號傳輸?shù)秸駝臃治鲈O(shè)備中，進(jìn)行頻譜分析，找出振動故障產(chǎn)生的主要原因。

2 QD128燃?xì)廨啓C(jī)某臺動力渦輪振動現(xiàn)象及故障分析

2.1 振動現(xiàn)象描述

該臺動力渦輪與某臺燃?xì)獍l(fā)生器配合進(jìn)行首次廠內(nèi)試車，在機(jī)組進(jìn)行升速時，動力渦輪振動隨轉(zhuǎn)速增加，當(dāng)動力渦輪轉(zhuǎn)速n3達(dá)到3 734 r/min時，動力渦輪前支點水平振動和垂直振動分別達(dá)到101.1 μm和106.8 μm，超過報警值 100 μm。降低轉(zhuǎn)速再重新上推后，振動情況沒有改善，機(jī)組降低轉(zhuǎn)速停車。

2.2 振動故障分析

2.2.1 振動特性分析

根據(jù)對試車數(shù)據(jù)的分析，該臺動力渦輪振動存在如下特性:

a)在燃?xì)獍l(fā)生器慢車狀態(tài)和升速過程中過渡態(tài)，動力渦輪振動曾有明顯的擺動情況。

b)振動最大點前支點垂直振動隨轉(zhuǎn)速增加而增加，具有明顯的跟隨性。

c)在試車過程中，試驗了冷態(tài)起動和熱態(tài)起動。熱態(tài)起動時，燃?xì)廨啓C(jī)加負(fù)荷至工作狀態(tài)振動值明顯偏低。

2.2.2 振動時頻試驗

通過對該動力渦輪進(jìn)行振動時頻試驗，得到其時頻試驗圖。在對動力渦輪與齒輪箱進(jìn)行對中調(diào)整后，重新進(jìn)行了試車，振動特性與之前試車相同。

時頻曲線中，降低轉(zhuǎn)速時從3 000 r/min至停車期間，垂直振動與水平振動一直存在，并且振動頻率隨時間遷移基本不發(fā)生變化，始終保持在45 Hz～55 Hz之間，呈一條直線狀態(tài)，升高轉(zhuǎn)速過程中時頻曲線特征與降低轉(zhuǎn)速曲線特征基本一致。該時頻曲線特征為一種較為典型的振動自激現(xiàn)象，造成該振動現(xiàn)象系靜子系統(tǒng)某處運行過程中產(chǎn)生自激勵，導(dǎo)致機(jī)組產(chǎn)生振動故障。這種現(xiàn)象屬于靜子裝配應(yīng)力集中或零件本身尺寸不符合設(shè)計要求導(dǎo)致配合面不合理造成的。

3 動力渦輪分解檢查及振動原因分析

經(jīng)四次試車磨合及調(diào)整，動力渦輪振動無明顯改善，后對試車臺各系統(tǒng)及動力渦輪外部零件進(jìn)行了檢查，未發(fā)現(xiàn)引起動力渦輪振動可疑情況，決定進(jìn)行分解檢查。根據(jù)零部件狀態(tài)進(jìn)一步確定振動原因，進(jìn)而制定排故方案，待動力渦輪排故后進(jìn)行試車驗證。

3.1 分解檢查情況

動力渦輪分解后發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象如下:

a)分下主推力軸承發(fā)現(xiàn)，后視左半部兩片軸瓦、右半部一片軸瓦內(nèi)徑有明顯貫穿性磨損。前軸承下半部分左右瓦塊磨損情況不一致，前視右下側(cè)瓦塊比左下側(cè)瓦塊磨擦較大，存在偏磨情況。

b)順氣流方向看，12點鐘和2點鐘方向承力支板軸向后端突出主承力環(huán)3～5 mm，見圖2。

3.2 對可能產(chǎn)生振動故障的原因分析

3.2.1 軸承與軸承機(jī)匣故障

前軸承軸瓦下半部左右軸瓦磨損程度不一致，前視右下側(cè)軸瓦較左下側(cè)軸瓦磨損大，存在偏磨現(xiàn)象;主推力軸承正上方三塊軸瓦內(nèi)徑存在嚴(yán)重磨損，且?guī)в忻獭?/p>

造成磨損程度不同的原因可能有以下情況:一為軸承機(jī)匣部件前后軸承座同軸度以及推力軸承座垂直度不符合設(shè)計要求，導(dǎo)致局部產(chǎn)生偏磨;二是軸承自身加工問題，與軸承機(jī)匣部件配合尺寸不符合設(shè)計要求。

圖2 承力支板與主承力環(huán)軸向錯位位置

針對第一個原因，將軸承機(jī)匣從動力渦輪上分解后按圖3進(jìn)行檢查，檢查對象包含本臺份與無振動故障臺份共計兩臺份軸承機(jī)匣。測量數(shù)據(jù)顯示，無振動故障臺份軸承機(jī)匣直線度、垂直度、跳動及同軸度等測量要素超差情況要比本臺份軸承機(jī)匣大，基本可判定超差尺寸應(yīng)在機(jī)組可靠運行包容范圍內(nèi)。

針對第二個原因，采用新軸承(未使用)和舊軸承(該臺動力渦輪試車使用)兩套軸承測量對比分析，表1為軸承測量結(jié)果。由表1數(shù)據(jù)可以看出，舊軸承徑向軸承與軸配合間隙超差較為嚴(yán)重，導(dǎo)致油膜厚度達(dá)不到設(shè)計要求，使軸與軸承內(nèi)徑局部存在磨損，造成轉(zhuǎn)子受力不均勻，使轉(zhuǎn)子發(fā)生振動故障。該臺動力渦輪恢復(fù)裝配時選用了新軸承替代原有軸承裝機(jī)使用，以便保證軸承與轉(zhuǎn)子系統(tǒng)配合間隙要求。

圖3 軸承機(jī)匣測量圖

表1 新、舊動力渦輪徑向軸承尺寸

3.2.2 支承系統(tǒng)故障

順氣流方向看，12點鐘和2點鐘方向承力支板軸向后端突出主承力環(huán)3 mm～5 mm(見圖2)。兩件支板后移導(dǎo)致承力支板前端最小直徑φ802向后移動3 mm～5 mm，在裝配軸承機(jī)匣時，因軸承機(jī)匣軸向裝配不到位，使用錐銷引導(dǎo)，強(qiáng)行進(jìn)行承力支板與軸承機(jī)匣螺釘、銷子的裝配。因活動隔熱層將軸承機(jī)匣與承力支板配合表面掩蓋，無法對承力支板與軸承機(jī)匣配合斜面間隙進(jìn)行測量。

通過理論計算，如果在承力支板后移3 mm～5 mm狀態(tài)下，軸承機(jī)匣軸向位置仍按設(shè)計要求裝配到位，會使承力支板前端最小直徑與軸承機(jī)匣產(chǎn)生很大干涉(見圖2陰影部位)，從而導(dǎo)致7件承力支板與軸承機(jī)匣配合面受力不均勻，并且使螺釘承受擰緊應(yīng)力和橫向剪切力，部分螺釘裝配到位可能存在假象。工作時，因配合間隙不均勻，使軸承機(jī)匣周向傳力不均，從而會導(dǎo)致機(jī)組振動。

4 振動排故后的試車驗證

該臺動力渦輪排故并回裝完成后，進(jìn)行驗證試車。

通過多次試車驗證，動力渦輪振動趨勢較為平穩(wěn)，啟動過程中，當(dāng)達(dá)到燃?xì)獍l(fā)生器慢車狀態(tài)時，前期動力渦輪后支點振動擺動明顯，但從工作點降至燃?xì)獍l(fā)生器慢車狀態(tài)時，擺動不明顯，試車后期，此狀態(tài)擺動不再明顯，且振動絕對值不大(振動值見表2)。

從表2中可以看出，當(dāng)動力渦輪轉(zhuǎn)速n3達(dá)到4 565 r/min時，振動最大點前支點垂直振動AC1振動約為 88 μm，其余 AS1=65 μm，AC2=24 μm，AS2=18.3 μm，設(shè)計要求振動最大值不超過100 μm，因此本次試車滿足設(shè)計要求，符合驗收標(biāo)準(zhǔn)。

表2 經(jīng)過排故后動力渦輪振動情況

5 結(jié)論

QD128燃?xì)廨啓C(jī)某臺動力渦輪試車發(fā)生振動故障后，對試車時各系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了及時分析，并通過頻譜分析初步判定振動故障屬于靜子自激造成。分解檢查過程中對動力渦輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、靜子系統(tǒng)及軸承支承系統(tǒng)進(jìn)行了檢查、測量，發(fā)現(xiàn)承力機(jī)匣與承力支板軸向錯位，使承力支板與軸承機(jī)匣配合面傾角不一致，導(dǎo)致工作時傳力的不均。針對該問題，承力機(jī)匣與承力支板按設(shè)計圖紙進(jìn)行了補(bǔ)加工，消除軸向尺寸錯位情況。另外，軸承內(nèi)徑不符合設(shè)計要求，致使軸瓦與軸之間配合游隙過小，這樣會加速軸承的溫度升高，從而加快軸承的磨損，影響機(jī)組運行的安全性和可靠性。恢復(fù)裝配時，根據(jù)要求選配了新的軸承以滿足間隙要求。經(jīng)過反復(fù)試車，各項振動值均符合設(shè)計要求，很好地排除了該臺動力渦輪振動故障，達(dá)到外場使用要求。

燃?xì)廨啓C(jī)振動故障分析及排故涉及多學(xué)科、多領(lǐng)域的相關(guān)知識，振動原因多種多樣，但在設(shè)計技術(shù)相對成熟的前提下，振動故障的產(chǎn)生多半是因加工和裝配不合理造成的。因此，燃?xì)廨啓C(jī)的制造和裝配過程要嚴(yán)格按照設(shè)計和工藝文件要求執(zhí)行，控制轉(zhuǎn)、靜子之間及軸與軸承的間隙，保證支承系統(tǒng)的可靠性等。燃?xì)廨啓C(jī)運行時，各系統(tǒng)監(jiān)控要及時準(zhǔn)確，做好數(shù)據(jù)累積。在故障初期即可及時發(fā)現(xiàn)，以免因振動故障造成轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不可恢復(fù)的損壞［4］。

［1］董建國，田劍波.燃?xì)廨啓C(jī)的振動故障分析［J］.燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，2004，17(2):62-63.

［2］姜偉，趙士杭，龐為，等.燃?xì)廨啓C(jī)原理結(jié)構(gòu)與應(yīng)用:上冊［M］.北京:科學(xué)出版社，2002:794-795.

［3］李寶鳳，王德友.QD128燃?xì)廨啓C(jī)動力渦輪偏心故障的振動分析［J］.航空發(fā)動機(jī)，2007，sl:1-3.

［4］曹茂國，孟憬非.某型發(fā)動機(jī)整機(jī)振動故障分析［J］.航空發(fā)動機(jī)，1994(4):19-20.