某型渦扇發動機高壓轉靜子碰摩故障研究

何俊杰，高曉果，姜廣義，劉 洋

某型渦扇發動機高壓轉靜子碰摩故障研究

何俊杰，高曉果，姜廣義，劉 洋

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽110015）

基于某型雙轉子渦扇發動機高壓轉、靜子在工作中發生的碰摩現象，通過碰摩消除前后的整機振動響應對比，總結了高壓轉、靜子碰摩的典型振動特征，結合碰摩特點及相關振動理論研究，建立了高壓壓氣機轉、靜子碰摩模型，應用龍格庫塔(Rung-Kutta)法求解模型特定轉速下碰摩位置振動響應的頻譜圖。計算與試驗結果表明：雙轉子結構發動機發生轉、靜子碰摩時靠近碰摩位置的機匣振動響應會出現次諧波、高次諧波和組合諧波成分，且隨碰摩接觸面積的增加而增加。

碰摩；雙轉子系統；振動特征；高壓壓氣機；渦扇發動機；轉子；靜子

0 引言

轉、靜子碰摩是航空渦扇發動機常見的振動故障之一，如果轉子葉片經常受到碰摩，長期受到沖擊作用，就可能導致斷裂，引發嚴重故障。因此，研究渦扇發動機轉、靜子碰摩振動特征，特別是早期碰摩特征，采取相應的措施，避免嚴重碰摩故障和繼發性故障，對渦扇發動機的健康運行具有重要意義。目前,國內外對轉、靜件之間碰摩問題的研究多局限于單轉子系統碰摩[1-6]，而對雙轉子系統碰摩故障研究較少。然而，對于航空渦扇發動機雙轉子系統碰摩的振動特性及故障診斷具有不同于常規單轉子系統的顯著特點。在以往的雙轉子系統碰摩研究中，大都只是從理論層面描述碰摩現象和特征[7-15]，很少涉及到雙轉子發動機實際碰摩現象和特征。

本文基于某型雙轉子渦扇發動機高壓轉、靜子碰摩現象，從理論和試驗2方面研究了其發生碰摩時的典型振動特征。

1 臺架振動測點分布

某型渦扇發動機主機振動測試系統包含4個測點，分別位于進氣機匣和中介機匣的垂直位置、渦輪后機匣水平和垂直位置，如圖1所示。各測點均采用加速度傳感器，其中測點1、3跟蹤低壓轉子1倍頻振動，測點2、4跟蹤高壓轉子1倍頻振動，同時各測點的譜圖顯示在測試系統界面內。

圖1 振動測試系統測點位置

2 碰摩消除前后發動機的振動響應曲線

2.1 時域振動對比

某臺份渦扇發動機高壓轉子葉片與靜子蜂窩之間由于間隙過小，在臺架試車中出現測點2振動值超限，3維譜圖頻率成分復雜的現象。發生碰摩時的振動曲線如圖2所示。

圖2 碰摩時的試車振動曲線

調整高壓壓氣機轉子葉片和靜子蜂窩之間的間隙后，再次進行整機試車，測點2振動值沒再發生超限現象，各測點振動值均在限制值以內，碰摩故障消除，其后的試車振動曲線如圖3所示。

圖3 碰摩故障消除后的試車振動曲線

2.2 頻域譜圖對比

發生碰摩時各測點的3維譜如圖4所示。

從圖中可見，測點2振動值超限時，各測點的3維譜都表現為高壓轉子1倍頻分量值最大，低壓轉子1倍頻分量值相對較小；但在測點2的3維譜上還有高壓轉子的0.5倍頻、2倍頻和高低壓轉子的組合頻（N1+N2和 2N1+N2）。

碰摩消除后發動機慢車到中間的3維譜如圖5所示。其中，測點2中只有幅值很小的高壓轉子1倍頻，高壓轉子的0.5倍頻、2倍頻和高低壓轉子的組合頻率沒再出現。其他測點主要為高低壓轉子的1倍頻，且振動值較小。

圖4 磨合試車碰摩振動大時的3維譜

圖5 排故試車時的3維譜

據試驗數據分析和碰摩故障的經驗，某型渦扇發動機高壓壓氣機轉、靜子碰摩具有以下4個典型特征：

（1）各測點都表現為高壓轉子1倍頻振動顯著，靠近碰摩位置的測點2處還有高壓轉子0.5倍頻、高壓轉子2倍頻和高低壓轉子的組合頻率（N1+N2和2N1+N2）。

（2）測點2振動信號中的高壓1倍頻隨轉速增大而增大，并且在達到最大轉速前超限。

（3）在碰摩消除后，測點2正常的振動譜中只有高壓轉子的1倍頻，且振動值很小。

（4）發生碰摩時，隨轉速增大，碰摩面積增加和部位增多，振動值隨之增大。

3 碰摩力方程

當高壓壓氣機轉子葉片與靜子機匣蜂窩碰摩時，假設轉子與機匣的碰撞為彈性碰撞，Kc為靜子機匣與轉子葉片接觸時的徑向剛度，轉子葉片與機匣的摩擦符合庫倫定律，f為轉子與機匣接觸時的摩擦系數，α為碰摩點與x軸的夾角，ω為轉子角速度，碰摩力模型如圖6所示。

圖6 碰摩力模型

轉子軸心與機匣中心的相對位移為

式中：x1、y1分別為轉子中心位置坐標；x2、y2分別為靜子機匣中心位置坐標。

轉子與靜子機匣的非線性碰摩力可表示為

式中：PN為徑向摩擦力；PT為切向摩擦力；δ為轉、靜子初始間隙。

在x、y坐標系中，摩擦力表示為

其中

碰摩力矩陣可以表示為

4 動力學方程

某型渦扇發動機轉子動力學分析模型如圖7所示。

圖7 某型發動機轉子動力學分析模型

基于結構和模態相似理論對發動機支承結構簡化，高壓壓氣機轉、靜子碰摩模型如圖8所示。圖中k1、c1、k2、c2、k3、c3、k4、c4、k5、c5、k6、c6、kr、cr分別為主安裝節、輔助安裝節、機匣、前支承、后支承、轉子的等效剛度和阻尼，F1、F2分別為低、高壓轉子不平衡量激振力。

圖8 雙轉子高壓壓氣機碰摩模型

雙轉子系統的動力學方程組為

選取不同的Ωt模擬不同的碰摩接觸面積，調整彈性恢復系數Kc來改變碰摩力的大小，對高壓壓氣機碰摩模型進行各種碰摩面積和碰摩力的計算，從而獲得高壓壓氣機碰摩時的振動響應特征。在計算中選取低壓轉速頻率f1=187 Hz、高壓轉速f2=210 Hz，Ω=2πf2，應用龍格庫塔(Rung-Kutta)法對式（6）進行計算，得到輕微碰摩和較重碰摩時碰摩位置響應，分別如圖9、10所示。

圖9 雙轉子轉、靜件輕微碰摩振動響應頻譜

圖10 雙轉子轉、靜件較重碰摩振動響應頻譜

計算結果表明：

（1）雙轉子結構高壓轉、靜子碰摩時的機匣振動響應會出現次諧波、高次諧波和組合諧波成分，其中高壓轉子1倍頻振動最為明顯。

（2）隨碰摩接觸面積的增加，機匣振動響應幅值增大。

（3）諧波出現與接觸力和接觸面積有關。

5 結論

（1）雙轉子渦扇發動機高壓壓氣機發生碰摩時，靠近碰摩位置的機匣振動響應會出現較復雜的頻率成分，而遠離碰摩位置的機匣響應不明顯。

（2）在靠近碰摩位置測點的機匣振動響應中碰摩轉子1倍頻最顯著，同時還伴隨有碰摩轉子的分頻、倍頻和2個轉子的組合頻，其他位置測點碰摩轉子1倍頻振動顯著。

（3）隨碰摩時間增加、轉速增大和開車次數增加，機匣振動響應也增大。

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Rubbing Failure Study on High Pressure Rotor-Stator of a Turbofan Engine

HEJun-jie， GAO Xiao-guo， JIANG Guang-yi， LIU Yang
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China）

Based on the rubbing phenomenon occurs in the process of high pressure rotor-stator for a twin spool turbofan engine,the contrast response of engine vibration was analyzed before and after rubbing elimination.A typical vibration characteristic of high pressure rotor-stator rubbing was summarized.The rotor-stator rubbing model of high pressure compressor was built based on rubbing characteristics and relative vibration theory.The model under certain rotation spectrum of vibration response for friction touch position was solved by Runge Kutta method.The calculation and experimental results show that the rubbing location of dual-rotor engine near the casing vibration response will be harmonic,high harmonic and harmonic components,which increases with the rubbing contact area.

rubbing;twin spool system;vibration characteristics;high pressure compressor;turbofan engine;rotorp;stator

V263.6

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2015.01.013

2013-12-18

航空動力基礎研究項目資助

何俊杰（1981），男，碩士，工程師，從事航空發動機整機振動測試研究與試驗工作；E-mail：hwn201109@163.com。

何俊杰，高曉果，姜廣義，等.某渦扇發動機高壓轉靜子碰摩故障研究[J].航空發動機，2015,41（1）：66-69.HEJunjie，GAOXiaoguo，JIANG Guangyi，et al.Rubbingfailurestudy on high pressurerotor-stator of aturbofan engine[J].Aeroengine，2015,41（1）：66-69.

（編輯：沈廣祥）