雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)轉(zhuǎn)子間碰摩故障研究*

何俊杰，郭小鵬，吳元東，喬保棟

(沈陽發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)研究所，遼寧沈陽 110015)

0 引言

碰摩是發(fā)動機(jī)最常見的故障之一，碰摩主要發(fā)生在轉(zhuǎn)子葉片和靜子涂層之間、靜子葉片和鼓筒封嚴(yán)篦齒之間以及轉(zhuǎn)子軸密封等處，目前國內(nèi)外對碰摩的研究主要針對具有轉(zhuǎn)靜件碰摩故障的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)［1－4］，還未見對具有轉(zhuǎn)－轉(zhuǎn)子碰摩系統(tǒng)復(fù)雜動力學(xué)的研究。因此研究雙轉(zhuǎn)子間碰摩的振動特征和表現(xiàn)形式，對發(fā)動機(jī)的故障診斷和健康管理具有重要的意義。

1 高低壓轉(zhuǎn)子碰摩力方程的建立

當(dāng)雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子間發(fā)生碰摩時(shí)，假設(shè)高壓轉(zhuǎn)子與低壓轉(zhuǎn)子的碰撞為彈性碰撞，忽略摩擦引起的熱效應(yīng)。將高、低壓轉(zhuǎn)子簡化為兩端固支的Jeffcott轉(zhuǎn)子，參考了文獻(xiàn)［2］中的碰摩力模型，簡化后的碰摩力模型如圖1所示。設(shè)高壓轉(zhuǎn)子的軸心O1與低壓轉(zhuǎn)子的軸心O2在x方向相差δx，在y方向相差δy，則碰摩力方程可以表示為:

圖1 碰摩力模型圖

式中:μ為高低壓轉(zhuǎn)子接觸時(shí)的摩擦系數(shù)，kc為高低壓轉(zhuǎn)子接觸時(shí)的徑向剛度，r=為碰摩時(shí)作用在高壓轉(zhuǎn)子上的徑向力，F(xiàn)τ1為碰摩時(shí)作用在高壓轉(zhuǎn)子上的周向力，F(xiàn)N2為碰摩時(shí)作用在低壓轉(zhuǎn)子上的徑向力，F(xiàn)τ2為碰摩時(shí)作用在低壓轉(zhuǎn)子上的周向力。

將高低壓轉(zhuǎn)子受到的四個力在x、y坐標(biāo)系內(nèi)投影后得到:

2 運(yùn)動微分方程的建立

設(shè)高壓轉(zhuǎn)子質(zhì)心在x、y方向的位移為x1、y1，低壓轉(zhuǎn)子質(zhì)心在x、y方向的位移為x2、y2。為研究方便，忽略重力的影響，則簡化后的雙轉(zhuǎn)子碰摩系統(tǒng)運(yùn)動微分方程可以表示為:

對式(3)進(jìn)行無量綱化處理，令:

則方程(3)可以無量綱化為:

為方便求解，令 Δx和 Δy均為 0，μ=0．1，ξ=0．1，φ=π/3，ac=1，ae=1．2，ak=2，aΩ從1．2 開始取值，以0．1 為間隔，取值到 3，用龍格庫塔(Rung－Kutta)法對方程(4)進(jìn)行求解，根據(jù)計(jì)算結(jié)果做出低壓轉(zhuǎn)子位移量隨aΩ的變化曲線如圖2所示。

圖2 低壓轉(zhuǎn)子位移量隨aΩ變化曲線圖

由圖2可看出隨著aΩ增大，低壓轉(zhuǎn)子位移量先減小再增大，到達(dá)峰值后再次減小，即隨著轉(zhuǎn)速升高，低壓轉(zhuǎn)子位移量先增大，再減小，然后再緩慢上升。位移峰值表明轉(zhuǎn)子在某個轉(zhuǎn)速段出現(xiàn)較嚴(yán)重的碰摩。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

某發(fā)動機(jī)整機(jī)裝配過程中4支點(diǎn)軸承外環(huán)與高壓渦輪后軸配合尺寸超差，試車時(shí)轉(zhuǎn)速上推過程中高低壓轉(zhuǎn)子存在振動同步突增、突降現(xiàn)象，下臺分解發(fā)現(xiàn)4支點(diǎn)軸承外環(huán)有輕微劃痕，即高低壓轉(zhuǎn)子間發(fā)生了碰摩。該發(fā)動機(jī)整機(jī)試車主機(jī)振動測試系統(tǒng)包含5個測點(diǎn)，分別位于進(jìn)氣機(jī)匣水平和垂直位置、中介機(jī)匣垂直位置、渦輪后機(jī)匣水平和垂直位置，具體測點(diǎn)位置如圖3所示。

圖3 測點(diǎn)位置圖

該發(fā)動機(jī)裝配后試車過程中，狀態(tài)從慢車上推至中間狀態(tài)過程中，5個振動測點(diǎn)同時(shí)出現(xiàn)振動值突增的異常現(xiàn)象。該次試車振動曲線如圖4所示。

從圖4中可看出，不僅上推過程經(jīng)過某轉(zhuǎn)速段時(shí)各測點(diǎn)振動值同步增大，而且下拉經(jīng)過該轉(zhuǎn)速段時(shí)各測點(diǎn)振動值也有小幅增大。從振動值大轉(zhuǎn)速的譜圖看，振動頻率成份前兩個測振截面相對比較簡單，只有高低壓轉(zhuǎn)子1倍頻，而后截面兩個測點(diǎn)均出現(xiàn)了振動譜圖成份復(fù)雜的現(xiàn)象。振動異常時(shí)刻4測點(diǎn)和5測點(diǎn)的譜圖如圖5所示，該發(fā)動機(jī)前一次裝配后臺架試車通過此轉(zhuǎn)速附近正常的振動譜圖如圖6所示。

圖4 振動異常試車次各測點(diǎn)的振動曲線

圖5 轉(zhuǎn)子間碰摩時(shí)4測點(diǎn)和5測點(diǎn)的譜圖

圖6 該發(fā)動機(jī)其它次試車振動正常時(shí)的譜圖

從圖5中可看出4測點(diǎn)和5測點(diǎn)的譜圖上不僅有高低壓轉(zhuǎn)子的1倍頻 N2和 N1，還有低壓轉(zhuǎn)子的0．5 倍頻(0．5N1)、2 倍頻(2N1)，同時(shí)在低壓轉(zhuǎn)子的0．5倍頻左右還出現(xiàn)了對稱的未知頻率F1和F2。而振動正常的試車譜圖(見圖6)中只有高低壓轉(zhuǎn)速的1倍頻N2和N1。

由高低壓轉(zhuǎn)子間發(fā)生碰摩的振動數(shù)據(jù)分析結(jié)果與以往振動正常時(shí)的數(shù)據(jù)分析結(jié)果對比可知本次高低壓轉(zhuǎn)子間發(fā)生碰摩的特征主要有以下三點(diǎn):

(1)各個測點(diǎn)都表現(xiàn)為經(jīng)過某個轉(zhuǎn)速段時(shí)高低壓轉(zhuǎn)子振動超限現(xiàn)象。

(2)發(fā)生碰摩時(shí)靠近碰摩位置的測點(diǎn)4和測點(diǎn)5振動譜圖成份復(fù)雜，頻率成份一致。

(3)發(fā)生碰摩時(shí)靠近碰摩位置的測點(diǎn)4和測點(diǎn)5振動譜圖成份表現(xiàn)為為高低壓轉(zhuǎn)子的1倍頻N2和N1，0．5 倍頻(0．5N1)、2 倍頻(2N1);而沒有發(fā)生碰摩時(shí)譜圖上主要表現(xiàn)為高低壓轉(zhuǎn)子的1倍頻N2和N1。

4 結(jié)論

根據(jù)理論計(jì)算分析結(jié)果和某發(fā)動機(jī)高低壓轉(zhuǎn)子碰摩振動數(shù)據(jù)分析結(jié)果可得出以下結(jié)論。

(1)理論計(jì)算表明雙轉(zhuǎn)子間的碰摩與轉(zhuǎn)速比有一定的關(guān)系，即在某個轉(zhuǎn)速比下會出現(xiàn)振動峰值。

(2)雙轉(zhuǎn)子間碰摩的試驗(yàn)中各個振動測點(diǎn)都表現(xiàn)為經(jīng)過某個轉(zhuǎn)速段時(shí)振動值超限現(xiàn)象。

(3)雙轉(zhuǎn)子間碰摩的試驗(yàn)中碰摩時(shí)靠近碰摩位置的振動測點(diǎn)譜圖成份復(fù)雜，頻率成份一致，譜圖中頻率成份主要表現(xiàn)為高低壓轉(zhuǎn)子的1倍頻N2和N1，0．5 倍頻(0．5N1)、2 倍頻(2N1)。

［1］ Muszynska A，F(xiàn)ranklin W D，Hayashida R D．Rotor－to－stator Partial Rubbing and its Effects on Rotor Dynamic Response［J］．Rotor Dynamic Instability Problems in High Performance Turbo－machinery，NASA CP3122，1990，345－362．

［2］ 王德友．旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)靜子碰摩振動特性［J］．航空發(fā)動機(jī)，1998(2):37－41+36．

［3］ 孟 越，李其漢．應(yīng)用整體傳遞系數(shù)法分析復(fù)雜轉(zhuǎn)子系統(tǒng)轉(zhuǎn)靜件碰摩振動特征［J］．航空動力學(xué)報(bào)，2003，18(1):146－150．

［4］ 鄭旭東，張連祥．航空發(fā)動機(jī)整機(jī)振動典型故障分析［J］．航空發(fā)動機(jī)，2013(1):34－37．