故障轉子擠壓油膜阻尼器減振特性實驗*

桑瀟瀟， 廖明夫， 李 為

(西北工業(yè)大學動力與能源學院 西安，710072)

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故障轉子擠壓油膜阻尼器減振特性實驗*

桑瀟瀟， 廖明夫， 李 為

(西北工業(yè)大學動力與能源學院 西安，710072)

針對航空發(fā)動機轉子常見的兩種故障模式碰摩和不對中，實驗研究擠壓油膜阻尼器分別對上述兩種故障引發(fā)的振動的抑制效果。在轉子實驗器上分別模擬碰摩故障和不對中故障，并測試使用擠壓油膜阻尼器前后故障轉子振動特征的變化。實驗結果表明，碰摩故障導致轉子振動一階反進動和一階進動比增大，不對中故障導致轉子振動二倍頻增大；對于碰摩故障，擠壓油膜阻尼器可以有效減小渦輪盤處振動和彈支輻條的應變，但對壓氣機盤減振失效；對于不對中故障，擠壓油膜阻尼器可以減小轉子振動，對于二倍頻振動幅值的抑制尤為明顯。

擠壓油膜阻尼器； 碰摩； 不對中； 轉子； 減振特性

引 言

轉靜碰摩故障是航空發(fā)動機的典型故障之一。為追求高推重比和低油耗，轉、靜子之間的間隙設計得越來越小(尤其是渦輪間隙)，由此增大了碰摩故障發(fā)生的可能性。碰摩一旦發(fā)生，將使轉子振動加劇，以至于引起轉子失穩(wěn)[1-6]。支座、機匣和軸承等零、組件在工作時受熱、受力或者溫度不均等情況下發(fā)生變形和轉子安裝不良等均可能造成轉子不對中故障。第3代航空發(fā)動機普遍采用擠壓油膜阻尼器(squeeze film damper,簡稱SFD)作為航空發(fā)動機的減振裝置。國內外學者[7-13]深入地研究了擠壓油膜阻尼器的設計、應用等問題，提出了擠壓油膜阻尼器的設計方法和失效判斷準則。擠壓油膜阻尼器已經在航空發(fā)動機上得到廣泛應用，并取得了良好的減振效果。但是在發(fā)生上述轉子故障時，關于擠壓油膜阻尼器能否穩(wěn)定工作， 擠壓油膜阻尼器是否失效的問題，目前國內外學者的相關研究少有涉及。因此，實驗研究帶擠壓油膜阻尼器的故障轉子的動力學特性有比較重要的工程應用價值，對于擠壓油膜阻尼器的設計工作有一定的參考意義。

筆者建立了帶擠壓油膜阻尼器的轉子實驗器，并在該實驗器上分別模擬了壓氣機盤局部碰摩故障和轉子支座不對中故障，研究帶擠壓油膜阻尼器轉子在上述故障發(fā)生時的振動特性。

1 實驗器及其系統(tǒng)介紹

實驗器主要由驅動系統(tǒng)(電機和變頻器)、轉子、彈性支承、擠壓油膜阻尼器和潤滑系統(tǒng)等組成，實物圖見圖1， 實驗器總體結構圖見圖2。采用變頻器控制高速電機，實驗器可實現(xiàn)0～9 000 r/min無級調速。盤3和盤6分別用于模擬壓氣機和渦輪盤，盤上可加減螺栓改變轉子系統(tǒng)的不平衡量；擠壓油膜阻尼器位于具有彈性支承的一端；潤滑系統(tǒng)可對擠壓油膜阻尼器的供油壓力和流量參數(shù)進行調節(jié)。

測試系統(tǒng)為西北工業(yè)大學所研制的CAMB9100發(fā)動機轉子高速動平衡與狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。傳感器主要包括光電傳感器(德國Schenck,P-84)、振動位移傳感器(德國Schenck,IN-085)、振動速度傳感器(美國 B&K, VS-080)。電阻應變計為中航工業(yè)電測儀器股份有限公司制造的BE120-05AA型號的電阻應變計。

圖1 實驗器外觀圖Fig.1 Test rig

圖2 實驗器結構簡圖Fig.2 Schematic of test rig

實驗中，測點布置如表1所示。

表1 測點信息

Tab.1 Measurement point info

測試通道傳感器位置安裝角度RPM光電聯(lián)軸器水平15°CH1位移壓氣機盤水平CH2位移壓氣機盤豎直CH3位移渦輪附近轉軸水平CH4位移渦輪附近轉軸豎直CH5速度碰摩塊支架水平徑向CH6速度碰摩塊支架水平軸向CH7應變計鼠籠彈支沿輻條方向

考慮到渦輪盤的橢圓度較大，為不影響數(shù)據(jù)分析在靠近渦輪盤的軸上布置測點。光電傳感器用以獲取轉速信號保證整周期采樣；通道1～4獲取轉子振動位移信號；通道5～6獲取碰摩支架振動速度信號，以分析轉靜碰摩的劇烈程度；通道7獲取鼠籠彈支輻條的應變，以分析碰摩時鼠籠彈支輻條的變形。

2 碰摩故障

為了研究轉子的碰摩故障，筆者設計制造了一套碰摩實驗裝置。把鋁塊安裝于支架上，用螺桿連接，通過旋動螺桿推動鋁塊與實驗器轉子的壓氣機盤邊緣發(fā)生局部碰摩，支架通過地腳螺釘固定于支座上。碰摩裝置如圖3所示。碰摩前，標記好螺桿旋鈕的位置，逆時針旋轉螺桿1 080°推動鋁塊前進與壓氣機盤碰摩；碰摩結束后，順時針旋轉螺桿1 080°，把鋁塊退回到碰摩前的位置。這樣就可以保證每次碰摩發(fā)生時，鋁塊都處在相同的位置上。

筆者設置了3組碰摩故障實驗狀態(tài)，見表2。

圖3 碰摩裝置Fig.3 Device for rub

實驗因素狀態(tài)1狀態(tài)2狀態(tài)3碰摩×√√擠壓油膜阻尼器××√

×表示該狀態(tài)下沒有碰摩發(fā)生或者擠壓油膜阻尼器不加油；√表示該狀態(tài)下有碰摩發(fā)生或者擠壓油膜阻尼器工作。

表2中從狀態(tài)2到狀態(tài)3，每次改變一個實驗條件，進而可以分析比較碰摩和擠壓油膜阻尼器分別對轉子振動特性的影響。在靠近臨界轉速處2 380 r/min(臨界轉速大約為2 400 r/min)進行穩(wěn)態(tài)實驗。在該轉速下，由于不平衡響應較大，所以在鋁塊位置一定時，壓氣機盤與碰摩塊的相互碰撞更強烈。轉子動靜碰摩最為突出的特征即轉子振動一階反進動和一階進動比(即一階反進動比一階正進動)增大[1,3-6]，所以將重點考察轉子的進動量和前三階振動幅值。

圖4(a)為3個實驗狀態(tài)下轉子振動位移值的1倍頻、2倍頻和3倍頻幅值的統(tǒng)計柱狀圖。圖4(b)為3個實驗狀態(tài)下轉子振動位移的一階正進動、反進動和進動比的統(tǒng)計柱狀圖。

表3為3個狀態(tài)下碰摩支座的振動速度值和鼠籠彈支的應變值的1～3倍頻幅值的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

圖4 CH1～CH4數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖Fig.4 Statistics for CH1～CH4

倍頻狀態(tài)CH5/(mm·s-1)CH6/(mm·s-1)CH7110.140.268.6423.8510.1320.0232.3811.848.08210.010.001.0320.971.042.1232.581.250.66310.040.010.6220.280.840.3432.231.770.68

碰摩故障導致轉子壓氣機盤處振動1倍頻略有下降，渦輪盤處振動1倍頻增大，壓氣機盤處振動一階正進動有所下降，一階反進動和一階進動比顯著增大，渦輪盤處一階正、反進動及進動比均增大，鼠籠彈支輻條應變1倍頻增大。加擠壓油膜阻尼器后，轉子壓氣機盤處振動一倍頻增大(CH1由123.17到147.12 μm， CH2由97.53到122.15 μm)，渦輪盤處振動1倍頻降低(CH3由83.66到49.10 μm，通道CH4由66.49到26.62 μm)，壓氣機盤處一階正進動增大(由110.2到134.6 μm)，一階反進動和一階進動比降低(反進動由13.98到12.8 μm，進動比由0.126到0.095)，渦輪盤處一階正反進動均減小(正進動由73.12到36.04 μm，反進動由19.05到16.12 μm)；鼠籠彈支輻條應變1倍頻降到碰摩前的水平以下(由20.02到8.08)。 碰摩故障和擠壓油膜阻尼器對轉子振動的2倍頻和3倍頻的影響不明顯。擠壓油膜阻尼器對于碰摩故障導致的振動有一定的抑制作用，但會增大壓氣機盤處振動幅值。此時，擠壓油膜阻尼器對壓氣機盤減振失效。

3 不對中故障

不對中故障在轉子1/2倍臨界轉速附近響應較大，所以在轉子1/2倍臨界轉速附近(1 200 r/min)研究不對中故障的穩(wěn)態(tài)響應。在靠近聯(lián)軸器的轉子支座下墊6個銅片，制造了聯(lián)軸器平行偏角不對中，并用力矩扳手緊固地腳螺釘，以保證不同數(shù)量的銅片都以相同的壓力壓緊，實驗裝置如圖5所示。

設置了3組不對中故障實驗狀態(tài)，見表4。

圖5 不對中示意圖Fig.5 Schematic of misalignment

表4 不對中實驗狀態(tài)表

Tab.4 Lists of experimental states for misalignment

實驗因素狀態(tài)1狀態(tài)2狀態(tài)3不對中×√√擠壓油膜阻尼器××√

從狀態(tài)2到狀態(tài)3，每組狀態(tài)改變一個實驗條件，進而可以分析比較不對中和擠壓油膜阻尼器分別對轉子振動特性的影響。不對中故障的主要特征是頻譜出現(xiàn)2倍頻[14-15]，所以筆者將研究轉子的前3階振動幅值。圖6為3組狀態(tài)下轉子振動位移值的1倍頻、2倍頻和3倍頻幅值的統(tǒng)計柱狀圖。

圖6 CH1～CH4數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖Fig.6 Statistics for CH1～CH4

由圖6可知，不對中導致壓氣機盤處的1倍頻幅值有所減小， 渦輪盤處的1倍頻幅值略增，壓氣機盤和渦輪盤處的2倍頻幅值增大；加擠壓油膜阻尼器后壓氣機盤和渦輪盤處1倍頻振動幅值變化不明顯，2倍頻大幅下降(CH1由72.96到20.28 μm，CH2由59.31到24.84 μm，CH3由13.84到6.01 μm，CH4由12.05到6.39 μm)。不對中和擠壓油膜阻尼器對轉子振動的3倍頻影響不明顯，可見擠壓油膜阻尼器能大幅降低不對中導致的2倍頻成分。

4 結束語

轉子碰摩故障主要導致轉子的一階反進動和一階進動比增大，轉子不對中故障導致轉子2倍頻增大。擠壓油膜阻尼器可有效減小碰摩轉子渦輪盤處振動和鼠籠彈支輻條應變，但對壓氣機盤減振失效，擠壓油膜阻尼器可大幅減小不對中轉子振動的2倍頻成分。確立擠壓油膜阻尼器失效準則時，還應當考慮轉子故障的影響，確保擠壓油膜阻尼器在轉子發(fā)生故障時能穩(wěn)定工作。

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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2015.05.029

2014-09-01；

2014-12-23

V231.9

桑瀟瀟，男，1985年9月生，博士生。主要研究方向為航空發(fā)動機結構動力學。 E-mail: aeront@hotmail.com