某航空發動機軸流葉輪葉片變形故障分析

吳桂嬌，何劉海，劉杰薇，高　粱

（1.中國航空動力機械研究所，湖南 株洲 412002；2.航空發動機振動技術航空科技重點實驗室，湖南 株洲 412002）

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某航空發動機軸流葉輪葉片變形故障分析

吳桂嬌1，2，何劉海1，劉杰薇1，高粱1

（1.中國航空動力機械研究所，湖南 株洲 412002；2.航空發動機振動技術航空科技重點實驗室，湖南 株洲 412002）

某航空發動機在地面試驗中出現效率下降且伴有嘯叫聲的異常現象。根據對所測振動、噪聲信號的詳細分析，成功判斷出該發動機第一級軸流葉輪葉片發生變形。國內外對于發動機轉子葉片發生變形故障時的噪聲數據研究較少，通過對該發動機故障的詳細分析，得到轉子葉片發生變形故障時噪聲頻譜的特征，為轉子葉片變形故障的準確判斷提供依據。

振動與波；航空發動機；振動測試；噪聲測試；葉片變形；頻譜特征

航空發動機葉片是發動機最關鍵的零件之一，對發動機諸多性能參數具有直接影響。文獻［1］對國內外近二十年來的多起航空發動機故障案例進行了統計，其中葉片故障率占到了44.3%。為保障飛機的安全飛行，對發動機葉片故障現象的研究及排除具有重要意義。

某航空發動機進行高空低溫性能試驗時性能數據下降，將該發動機轉至地面試驗，其性能未見好轉，并且試驗過程中發出嘯叫聲。文中對所測振動及噪聲信號進行詳細分析，結合故障現象成功判斷出第1級軸流葉輪盤（以下稱為1級盤）葉片發生了變形，并通過內窺鏡檢測證實了判斷。

1　故障現象及振動、噪聲分析

1.1故障現象

該航空發動機是雙轉子發動機，即燃氣發生器轉子和自由渦輪轉子，在地面調試試驗時其各性能數據均正常，振動及噪聲監測也未發現異常。調試結束后，該發動機進行了高空低溫性能試驗，由于高空低溫性能試驗環境惡劣，未進行噪聲測量。試驗過程中發現該發動機性能下降了5%，而所有振動測點的總量均在要求范圍內且振動響應也沒有發生突變。為查清性能下降的原因，將發動機轉至常規車臺進行地面驗證試驗。當發動機轉速運行至N= 60%時突然發出嘯叫聲，且嘯叫聲一直持續。

1.2振動分析

發動機機匣振動監控位置為前、后承力機匣和附件機匣。其中主機匣即壓氣機機匣上布置有垂直、水平以及軸向共三個測點；中機匣布置垂直、水平共二個測點；渦輪機匣徑向225o、315o共二個測點；附件機匣垂直方向布置了一個測點。振動測試儀器為CA-YD-107壓電式加速度傳感器、VIB2012A專用振動測試儀、DEWE-211記錄分析儀。振動測試系統如圖1所示。各測點代號見表1。

圖1　振動測試系統組成框圖

地面驗證試驗轉速只到了最大轉速的88.2%，因此對該狀態下的兩次試驗的振動信號進行對比分析，分析結果見表2，頻譜圖見圖2—圖3。從分析結果和頻譜圖可知：

1）兩次試驗主機匣測點的振動響應相對較大；

2）在驗證試驗中所有測點的轉子基頻振動響應都比調試試驗時略有增大。

圖2　地面調試試驗N=88.2%時各測點振動響應

圖3　地面驗證試驗N=88.2%時各測點振動響應

表1　發動機振動測點代號

表2　轉速N=88.2 ％工況下兩次試驗的振動響應單位：mm/s

1.3噪 聲分析

噪聲測試儀器為B&K3560B采集儀、4980型電容傳聲器、分析軟件為B&K的PULSE噪聲分析軟件。將傳聲器安裝在發動機進氣道一側，與發動機軸線同高且成45o。測試系統見圖4。

航空發動機的噪聲頻譜是在寬帶噪聲的基礎上疊加了一系列的離散聲。寬頻噪聲是由有隨機特性的葉片脈動力所引起。離散噪聲主要指的是轉子葉片的旋轉噪聲，旋轉噪聲由工作葉輪上均勻分布的葉片打擊周圍的氣體介質，引起周圍氣體的壓力脈動而產生，在噪聲譜上表現為轉子葉片的通過頻率（BPF）［1，2］和它的各次諧波。該型發動機是雙轉子發動機，所以葉片通過頻率為燃氣發生器轉子各級葉輪葉片的通過頻率和自由渦輪轉子葉片的通過頻率。

在進行地面驗證試驗時，發動機轉速在N=60%時出現了嘯叫聲，隨轉速上升一直持續，在前期的調試試驗中并未出現這一現象。地面驗證試驗最大轉速只達到N=88.2%，因此對該狀態下的兩次試驗的噪聲信號進行分析，結果見表3。

表3　轉速N=88.2%工況下兩次試驗的總聲壓級及相關頻譜分量的噪聲幅值/dB

圖4噪聲測試系統

圖5為發動機地面調試試驗時的噪聲譜，圖6為發動機地面驗證性試驗時的噪聲譜。

從表3及噪聲頻譜圖中可以看到：

1）驗證試驗的總聲壓級比調試試驗時增大了4 dB；

2）驗證試驗中的燃氣發生器轉子基頻噪聲幅值比調試試驗時大了32.4 dB；

圖5　N=88.2%時地面調試試驗噪聲頻譜圖

圖6　N=88.2%時地面驗證試驗噪聲頻譜圖

3）驗證試驗中1級盤BPF的噪聲幅值比調試試驗時減小了9 dB；

4）驗證試驗中第2、3級盤BPF的噪聲幅值都有所增大（最大增大了12.7 dB）；

5）驗證試驗的噪聲譜出現了以燃氣發生器轉子基頻和它的各次諧波分量為主的離散噪聲；

6）自由渦輪BPF噪聲幅值在兩次試驗中差別不大。

2　故障分析及內窺鏡檢測結果

2.1故障分析

通過前面的振動及噪聲數據分析可以看出前后兩次試驗振動數據沒有明顯異樣，但噪聲數據卻有著很大差異。驗證試驗中的噪聲譜出現了以燃氣發生器轉子轉頻和它的各次諧波分量為主的離散噪聲，且幅值都很大，所以懷疑這次故障與燃氣發生器轉子有關。

葉片通過頻率噪聲幅值的大小與葉片負荷有著直接的關系［3］，在發動機相同狀態中，葉片通過頻率噪聲幅值應該沒有明顯差異。驗證試驗中的噪聲譜出現了以燃氣發生器轉子轉頻和它的各次諧波分量為主的離散噪聲。燃氣發生器各級盤的BPF都是其轉頻的倍頻，它們的噪聲幅值在轉頻諧波的影響下應增大或不變。從表3可以看到1級盤BPF的噪聲幅值明顯降低（下降9 dB），第2、3級盤以及燃氣渦輪BPF的噪聲幅值都有所增大（最大增大了12.7 dB）。因此1級盤BPF的噪聲幅值出現明顯異常，故懷疑1級盤葉片出現故障。

葉片的故障模式主要有三種：變形、裂紋和斷裂。發動機轉、靜子葉片出現變形，會導致嚴重的氣流分離，使壓氣機效率降低，而振動及噪聲方面的數據研究較少。航空發動機轉子葉片發生裂紋，裂紋葉片會與相對應的機匣發生碰磨，從而造成機匣振動變大，但鮮少聽聞發動機會發出嘯叫聲。發動機轉子葉片斷裂是一種非常嚴重的故障，輕則發動機嚴重失速機匣振動突增，重則發動機熄火停車。根據上面對該發動機的振動、噪聲分析，懷疑發動機1級盤葉片發生變形可能性較大。

2.2內窺鏡檢測

為驗證上面的推測進行了內窺鏡檢測，發現1級盤有多個葉片變形，其葉片盤葉片均完好。變形部位呈離散分布，變形葉片受沖擊處及反沖擊對應部位均未發現受固態非變形異物接觸痕跡，葉輪相對應的機匣內壁亦未發現明顯碰摩痕跡。發動機其它轉、靜子件及其對應流道部分均未發現異常。變形部位如圖7—圖8。

圖7　軸流葉片變形部位1

圖8　軸流葉片變形部位2

3　葉片變形故障原因分析

3.1可能產生異常現象的因素

1）裝配、運輸過程中發生意外

發動機裝配過程中，操作人員不慎將轉子葉片碰傷或運輸過程中出現意外將轉子葉片損傷造成了一級軸流葉片變形。如果是上述原因，在該發動機進行最初的地面試驗時，性能數據就會有所下降且在試驗過程中發出嘯叫聲，因此可以排除裝配、運輸過程中的意外造成軸流轉子葉片變形的可能性。

2）轉動件與靜子件碰磨

在發動機運轉過程中，由于轉動件與靜子件的徑向間隙過小等原因造成轉動件與靜子件碰磨，從而導致轉子件變形、裂紋等。當轉動件與靜子件發生碰磨時，發動機的機匣振動響應會增大，雙轉子系統中會出現多種倍頻和分頻振動以及兩轉子轉速頻率的多種復合頻率［4］，此外葉尖與其對應的機匣會出現刮痕。但從機匣振動響應的頻譜和內窺鏡檢測結果均未發現上述特征，所以可以排除轉動件與靜子件碰磨是故障產生的原因。

3）外物損傷

發動機在啟動和工作時，在進氣口產生負壓形成巨大的吸力，有可能會吸入外來物對發動機造成損傷。外來物主要有三種：軟物體、沙石類、金屬物。由文獻［5］可知，軟物體損傷常常造成一級壓氣機轉子葉片端部進氣邊緣彎曲變形，這與內窺鏡檢測結果很相似，所以懷疑故障原因是外物損傷，外來物為軟物體。

3.2故障分析

外物損傷中軟物體主要指鳥、冰雪等，但就該發動機的試驗現場來看是不存在鳥類外來物的。對試驗現場進行仔細檢查發現高空低溫試驗的艙門有漏氣現象，將發動機置于低溫性能試驗環境中，并將艙門關閉半小時，打開艙門檢查發現進氣罩上覆有冰霜且進氣道內出現了小的冰柱。所以該發動機故障原因應該是進氣道結冰，發動機一啟動將進氣道中的冰吸入流道內打傷了1級盤葉片。

4　結語

針對該發動機故障的分析排查過程，得出發動機轉子葉片被軟物體擊傷而發生變形時的以下故障特征，其中噪聲頻譜特征最明顯：

（1）發動機效率降低；

（2）發動機在運行過程中會發出嘯叫聲；

（3）故障葉輪葉片通過頻率噪聲幅值明顯降低；

（4）在噪聲譜中會出現故障葉輪轉頻和它的各次諧波分量為主的離散噪聲；

（5）機匣振動沒有明顯變化。

［1］趙婷，常迎春，馮陽.航空發動機結構可靠性體系研究［J］.國內外機電一體化技術，2012，6：42-44.

［2］楊華運，顏文學，王歡等.對旋軸流通風機噪聲的產生機理及特性分析［J］.礦業安全與環保，2011，38（2）：76-79.

［3］喬渭陽.航空發動機氣動聲學［M］.北京：北京航空航天大學，2010.

［4］何田，劉獻棟，李其漢.一種改進的航空發動機轉靜件碰磨故障診斷方法［J］.航空動力學報，2008，23（6）：1093-1097.

［5］關玉璞，陳偉，高德平.航空發動機葉片外物損傷研究現狀［J］.航空學報，2007，28（4）：851-857.

MalfunctionAnalysis of Blades Deflection for anAero-engine Axial Impeller

WU Gui-jiao1，2，HE Liu-hai1，LIU Jie-wei1，GAOLiang1

（1.ChinaAviation Powerplant Research Institute，Zhuzhou 412002，Hunan China；2.Key Laboratory ofAero-engine Vibration Technology inAeronautical Science，Zhuzhou 412002，Hunan China）

Efficiency drop and whistling phenomenon appear in a ground test of an aero-engine.Through the detailed analysis of the measured vibration and noise signals，the blade deformation of the first-stage axial-flow impeller of the engine is identified.Based on the detailed analysis of the fault，the characteristics of the noise spectrum due to the blade deformation are obtained.The results can provide a basis for blade deformation induced fault identification.

vibration and wave；aero-engine；vibration measurement；noise measurement；blade deflection；spectral characteristics

中圖書分類號：V23；V216.2+1；TB535ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.04.029

1006-1355（2016）04-0140-04

2015-11-27

吳桂嬌（1980-），女，湖南省株洲市人，碩士研究生，主要研究方向為航空發動機強度振動試驗、噪聲測試。E-mail:271382091@qq.com