航空發動機整機振動問題中的高低壓耦合振動研究

任志遠++韋周慶

摘 要：某航空發動機試驗過程中出現振動大故障，通過試驗過程中的頻譜分析發現振動過程存在明顯的高低壓轉子轉速耦合頻率，對發動機進行全面分解排查，查明振動原因是低壓渦輪轉子不平衡，低壓渦輪轉子不平衡的原因是平衡工藝存在不足，工藝過程中的重復拆裝影響平衡質量，針對低壓渦輪轉子平衡工藝進行優化，保證低壓渦輪轉子的平衡質量，排除了振動故障。

關鍵詞：航空發動機；整機振動；中介軸承；高低壓耦合；平衡工藝

中圖分類號：V231 文獻標識碼：A

為提高推重比，現代雙轉子渦扇發動機普遍采用高壓轉子后支點為中介軸承的支承方案，由于中介軸承的存在，使得高、低壓轉子的耦合效應對發動機振動特性存在影響，理論分析認為，低壓轉子不平衡會激起轉子以組合頻率振動，某航空發動機試驗過程中出現振動大故障，頻譜分析表明存在明顯的高低壓轉子轉速耦合頻率，與理論分析結果符合，對后續的故障排查指明方向。

1.振動問題因素排查

1.1 故障現象

某航空發動機試驗過程中，振動值超出控制要求，針對振動情況進行頻譜分析表明，振動主要表現為高壓轉子基頻振動，同時伴隨較大的低壓轉子基頻、（兩倍高壓轉子-低壓轉子）頻率、（高壓轉子+低壓轉子）頻率、（高壓轉子-低壓轉子）頻率等高低壓轉子轉速耦合頻率的幅值。

1.2 分解檢查情況

對發動機進行分解檢查，風扇轉子、高壓壓氣機轉子、高壓渦輪轉子殘余不平衡量均為裝配要求的3～5倍，考慮平衡用模擬轉子的裝配誤差和平衡機支撐系統的重復裝配誤差，認為該不平衡量變化屬于正常范圍，而對低壓渦輪轉子進行殘余不平衡量檢查時發現，低壓渦輪轉子盤端即后平衡面殘余不平衡量異常，達到裝配要求的15倍以上，表明低壓渦輪轉子在試驗過程中出現了較大的不平衡量變化。

1.3 振動原因分析

由于工藝誤差、裝配誤差以及發動機試驗過程中溫度和剛性的非線性變化，中介軸承的剛度會出現周向不均勻，考慮低壓渦輪轉子的不平衡時，低壓盤的不平衡會導致轉子以低壓轉速基頻正進動，并激起高壓轉子以（2倍高壓轉子-低壓轉子）頻率的正進動，同時會伴隨高壓轉子基頻+低壓轉子基頻、高壓轉子基頻-低壓轉子基頻頻率幅值的存在，本臺發動機試驗過程中，振動測試表現出明顯的高低壓耦合特征，且分解排查發現存在低壓渦輪轉子不平衡量異常變化的情況，認為低壓渦輪轉子的不平衡是本次振動故障的主要原因。

2.低壓渦輪轉子平衡工藝評估與優化

某航空發動機低壓渦輪轉子為兩級渦輪，低壓一、二級工作葉片均通過樅樹型榫齒分別與低壓一、二級盤聯接，用盤前、后擋板及盤間封嚴環槽向固定，低壓一、二級渦輪盤靠螺栓連在低壓渦輪軸上，低壓軸前端外花鍵套齒與風扇軸內花鍵套齒配合，用以將低壓渦輪的扭矩傳遞到風扇軸上，低壓渦輪轉子后端通過滾棒軸承支撐在后支撐機匣上。

2.1 低壓渦輪轉子平衡工藝評估

低壓渦輪轉子采用臥式平衡機進行動平衡，前支撐位于低壓渦輪軸前端，采用平衡工藝軸套支撐在平衡機滾輪上，并利用套齒結構連接平衡機傳動機構進行傳扭，后支撐位于輪盤中心位置，采用平衡工藝軸套支撐在平衡機滾輪上，此時兩級轉子之間的靜子機匣不進行裝配，平衡完成后，分解低壓渦輪二級轉子葉片，裝配靜子機匣，再次裝配低壓渦輪二級轉子葉片，完成組件裝配并進行整機裝配。

針對現有低壓渦輪轉子平衡工藝進行評估，分析認為導致低壓渦輪轉子平衡量存在變化的原因有如下兩項：

（1）由于低壓渦輪轉子輪盤、葉片均處于后支撐附近，轉子的不平衡量測量對后支撐工藝軸套的形位公差比較敏感，低壓渦輪轉子重量約為150kg，假設與后支點軸承相比，工藝軸套形位公差存在e=0.005mm偏心量，估算轉子組件會產生750g.mm的附加不平衡量，對裝配狀態及平衡狀態的一致性造成影響。

（2）低壓渦輪轉子平衡完成后，需要分解低壓渦輪二級轉子葉片，進行靜子機匣裝配后對低壓渦輪二級轉子葉片恢復裝配，雖然制定了嚴格按照葉片、平衡螺釘和鎖片上的位置號原位裝配的要求，但重復拆裝不可避免地會造成不平衡量的變化，影響了低壓渦輪轉子的平衡狀態，同時平衡前后也要對后支撐軸承進行分裝，這種重復分裝工作增加了操作者的工作量，增大了裝配錯誤的概率。

2.2 低壓渦輪轉子平衡工藝優化及驗證

為了保證低壓渦輪轉子平衡狀態與裝配狀態的一致性，研究帶軸承和靜子機匣的低壓渦輪轉子平衡工藝方案進行研究，為了避免工藝軸承座結構剛性較差導致的不平衡量測量失真效應，采用結構剛性較強的框架結構平衡工裝同時實現對后支點軸承和靜子機匣的支撐。

平衡工裝主要由焊接結構的定位套筒組件、前工藝機匣焊接組件、后工藝機匣組成，三者之間螺栓連接。前機匣上有轉接環與低壓渦輪一級前機匣連接，用于支撐低渦靜子；軸前端通過定位套筒與平衡機傳動聯軸節相連，由前機匣前端的兩個精密滾輪和后機匣上的軸承座裝配后支點軸承并支撐低壓渦輪轉子。平衡過程中前后機匣上分別設有與平衡機支撐架配合的前后V型支撐座，用于支撐整個平衡系統。為加強支撐剛性，將前后支撐機匣間連接支撐桿兩端焊加強筋處理。

由于轉子前后支撐跨距較大，而平衡穩定性對支撐同心度要求較高，所以一方面在選擇轉子支撐形式時，后軸承作為一個支點，前段采用兩個滾輪進行支撐，由于滾輪的表面為弧面即支撐轉子時為線接觸，降低了對同心度的要求，另一方面通過控制組件之間的連接止口處柱面跳動及端面跳動；連接螺栓孔位置度、與后軸承配合的工藝外環的粗糙度、圓柱度、相對基準的跳動值等要求提高工藝裝備的精度，同時關鍵配合面以及螺栓連接孔等加工均采用組合加工來保證精度，并選取定位套筒后止口與機匣焊接組件配合處為組合加工基準。

對新的低壓渦輪轉子平衡工藝進行平衡準確性和平衡重復性驗證，新工藝對修正面上的相應輕點位置加配重后的不平衡量采集比較準確，能夠滿足平衡準確性的要求，在平衡轉速下，平衡重復性相比原平衡工藝有較大的提高。

采取低壓渦輪轉子帶支點軸承和靜子機匣平衡工藝方案后，平衡過程采用主支點軸承進行支撐，平衡狀態與轉子工作狀態更加接近，避免了工裝對不平衡量的帶入影響，同時平衡工序前后不需要軸承和低渦轉子葉片的重復拆裝，避免了軸承和葉片重新分解裝配造成的不平衡量的不可控變化，保證了轉子平衡狀態和裝配狀態的一致性，經平衡和裝配試驗驗證，振動故障排除。

結語

振動是航空發動機永恒的話題，振動機理復查，影響因素眾多，本次試驗過程振動的排除實例可供相關技術人員借鑒：

（1）振動的頻譜分析和相應機理的結合可以有效地指引發動機的振動排故，通過理論和實際的結合，可以明確振動原因和結構影響因素，為后續的裝配控制提供方向。

（2）振動對不平衡量極其敏感，對于平衡工藝要加強評估，在平衡精度控制的基礎上要注意裝配狀態和平衡狀態的一致性，避免裝配操作產生附加的不平衡量。

參考文獻

[1]廖明夫，劉永泉，王四季，等.中介軸承對雙轉子振動的影響[J].機械科學與技術，2013，32（5）：641-646.

[2]周揚.基于振動信號分析的轉子故障診斷方法研究[D].南京：南京航空航天大學，2014.

[3]王娟，史新宇.航空發動機低壓渦輪轉子平衡工藝研究[J]，航空科學技術，2016，27（2）：25-28.

[4]周駿，潘曉銘，周哲為.轉子動平衡技術研究[J].機械設計與制造，2007，4（4）：151-153.