航空發動機轉子徑向振動測試技術研究

張龍，薛秀生，韓鵬卓，徐春雷

(中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015)

航空發動機轉子徑向振動測試技術研究

張龍，薛秀生，韓鵬卓，徐春雷

(中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015)

建立了航空發動機轉子徑向振動模型，研制了一套專門用于航空發動機轉子徑向振動測量的測試系統。通過獲取轉子葉片葉尖間隙、葉片到達時間的信息，采用離散周期信號頻譜分析方法，獲得發動機壓氣機轉子徑向振動數據。結果表明，隨著轉速的升高，轉子徑向振動的幅值、頻率及相位角度均增大。該結果對發動機的結構設計起指導作用，為轉子徑向振動主動抑制技術研究提供了基礎數據。

渦輪發動機；轉子；徑向振動；葉尖間隙；葉片到達時間；測試技術；頻譜

1 引言

振動過大一直是困擾航空發動機研制的技術難題，其中轉子徑向振動問題最為常見，嚴重制約發動機技術的發展[1]。目前，國外航空發動機技術先進國家已經將轉子系統主動抑制技術應用到發動機設計過程中[2]，而國內還主要通過優化轉子結構設計與試驗驗證來解決徑向振動問題，對轉子系統主動抑制技術的研究只停留在理論階段[3-4]。由于優化發動機轉子系統結構設計及利用轉子系統主動抑振技術的前提，都是要準確測量轉子徑向振動信息，所以如何快速、準確、低成本地對發動機轉子徑向振動信號進行檢測分析，就成為發動機轉子故障診斷的關鍵[5]。

目前，國內在發動機轉子徑向振動測試領域還屬于技術空白。為此，本文開展了轉子徑向振動測試技術的研究，首次建立航空發動機轉子徑向振動模型，設計、組建了一套專門用于航空發動機轉子徑向振動監視與分析的測試系統，并通過了試驗驗證，獲得了某型發動機轉子徑向振動數據。該測試方法屬于非接觸式測量，與傳統方法相比，具有不破壞被測物體，響應時間短、可實時直接測量和分析轉子振動信息，以及適用發動機范圍廣、靈敏度高等優勢[6]。

2 轉子徑向振動測試原理

工程實際中，發動機轉子在機匣內做的是偏心轉動，轉子徑向振動運動模型如圖1所示。雙點劃線圓為機匣內壁的機匣圓，圓心為O點，半徑為R；點劃線圓為轉子輪廓的轉子圓，圓心為P點，半徑為r。

假設振動傳感器安裝在機匣的A點，轉子上的E點掃過形成實線圓，圓心為O點，半徑為r′。直線AO與轉子圓交于Q點，與實線圓交于D點。當轉子順時針轉動角度α時，轉子由于偏心圓心達到了P點，轉子圓與實線圓內切于E點。此時，傳感器測得的葉尖間隙值為：

式中：l0為機匣圓與實線圓半徑差，l(α)為α的函數。

根據實際情況，解方程得：

發動機在某一狀態穩定運行時，轉子葉尖間隙值直流分量R-r、轉子振動幅值r′-r均可視為常數，將公式(6)表達為離散周期函數形式，即：

式中：i為轉子葉片序號，t為轉子葉片到達時間(s)，f為轉子振動頻率(Hz)，φ為轉子振動相位(rad)。

利用電容傳感器測量葉片的葉尖間隙值和葉片的到達時間值。實際應用中，固定在機匣中的電容傳感器構成電容的一個極，而葉片葉尖構成電容的另一電極。傳感器與葉尖之間電容值是電極幾何形狀、兩極間距離及兩極間介質的函數。假設電極的幾何形狀和介質為常數，則電容值只是兩極間距離的函數，即電容值變化與發動機葉尖間隙變化存在對應關系。利用葉片到達信號模型匹配技術及峰值點檢測技術，獲得葉片到達時間信息。

3 系統硬件結構與軟件實現

3.1 硬件結構

系統硬件包括電容式測試探頭，三層雙屏蔽金屬電纜，延長電纜，電容測量模塊，以及數據采集、處理系統等。通過前端傳感器抗干擾結構設計、專用數據電纜、抗干擾數據采集技術及硬件濾波技術的綜合設計，解決了測試信號中存在復雜干擾信號的問題。

3.2 軟件實現

系統軟件基于LabVIEW自主開發的PXI轉子徑向振動測試系統，具有使用靈活、功能多樣、專業性強等諸多優點[7]。軟件中針對原始電壓信號，可進行葉片葉尖間隙和葉片到達時間分析，進而對轉子徑向振動信息進行分析。此外，該軟件開放性極強，可進行回放功能及相關參數分析功能的二次開發。軟件開發過程中，還結合系統硬件，重點進行了信號濾波、模型匹配、間隙檢測、葉片到達時間計算、鎖相技術的軟件編程設計，為轉子徑向振動提供基礎數據。在此基礎上，通過編寫轉子徑向振動分析子程序，實現轉子徑向振動測量。

4 試驗驗證

某型發動機測試時，將兩支振動測試傳感器分別安裝于壓氣機一級、二級機匣內，周向位置位于順航向右側。

試驗過程中，發動機在最大狀態停留30 s后拉回慢車狀態；然后從相對換算轉速nˉ=0.5狀態開始，以固定轉速為一個臺階逐步增速至nˉ=1.0狀態；每個臺階穩定約60 s，共6個臺階轉速。每個臺階分別錄取一級、二級轉子徑向振動曲線，結果如圖2所示。分析可得：該轉速段隨著發動機狀態的升高，發動機一級、二級轉子徑向振動的幅值、頻率、峰值點相位角度均呈上升趨勢。

對發動機一級、二級轉子各狀態臺階轉子徑向振動曲線進行頻率-幅度譜、頻率-相位譜分析，其結果如圖3、圖4所示。通過兩組試驗數據，可得到一級、二級轉子徑向振動數據對比曲線。

圖5分別給出了轉子徑向振動頻率、幅值和相位隨發動機狀態的變化曲線。可見，發動機狀態由0.5上升到1.0的過程中，一級、二級轉子徑向振動頻率逐漸增加。發動機狀態到達0.8以前，一級、二級轉子徑向振動相對幅值逐漸增大約0.20，且二級轉子振動相對幅值略大于一級轉子振動相對幅值約0.20；發動機狀態到達0.8以后，一級轉子徑向振動相對幅值繼續增大0.18，二級轉子徑向振動相對幅值反而減小0.16。一級轉子徑向振動相位角度增大約50°，二級轉子徑向振動相位角度增大約80°，且二級轉子徑向振動響應略滯后于一級轉子。

5 結論

建立了某型發動機轉子徑向振動模型，提出了一種利用轉子葉片葉尖間隙及葉片到達時間信息測量轉子徑向振動的測試方法，得到了該型發動機壓氣機轉子徑向振動數據。試驗結果表明：

(1)隨著發動機轉速的升高，一級、二級轉子徑向振動頻率逐漸增大，并始終與轉速頻率保持一致，說明發動機一級、二級轉子徑向振動主要為一階振動；一級轉子徑向振動幅值一直增大，二級轉子徑向振動幅值先增大后減小，說明二級轉子的一階臨界轉速位于相對換算轉速0.8狀態附近；一級、二級轉子徑向振動相位角度逐漸增大，二級轉子略滯后于一級轉子。

(2)試驗得到的轉子徑向振動變化規律，對優化該型發動機結構設計起到了指導意義。同時，該試驗數據結果充分驗證了測試系統的有效性，該測試系統完全可用于航空發動機轉子徑向振動測試。

[1]李國鴻，李飛行.STFT在航空發動機振動信號處理中的應用[J].測控技術，2013，32(4)：45—49.

[2]El-Shafei A，Hathout J P.Modeling and control of HSFDS for active control of rotor-bearing systems[J].ASME Jour?nal of Engineering for Gas Turbines and Power，1995，117 (4)：757—766.

[3]賀爾銘.轉子系統振動主動控制系統的理論研究[D].西安：西北工業大學，1993.

[4]賀爾銘，顧家柳，陳新海.航空發動機轉子振動主動控制系統的綜合設計[J].西北工業大學學報，1996，14(3)：371—375.

[5]徐一鳴，劉精宇.發動機轉子振動信號虛擬測試系統[J].中國民航學院學報，2004，22(S0)：154—156.

[6]蔣云帆，廖明夫，王四季.航空發動機轉子扭振測量新方法[J].振動、測試與診斷，2013，33(3)：410—415.

[7]馮德虎，劉滿銀.基于LabVIEW的虛擬測試轉子振動的研究[J].陜西科技大學學報，2006，24(5)：104—108.

Testing technology on rotor radial vibration for aero-engine

ZHANG Long，XUE Xiu-sheng，HAN Peng-zhuo，XU Chun-lei
(AECC Shenyang Engine Research Institute，Shengyang 110015，China)

The radial vibration model for aero-engine rotor was established,and a dedicated test system for the aero-engine rotor radial vibration measurement was set up.By obtaining rotor tip clearance,arrival time information,compressor rotor radial vibration data of an engine was obtained using discrete periodic signal spectrum analysis.The results show that as the speed increases,the rotor radial vibration amplitude,fre?quency and the vibration phase increase.The result is of guiding significance for an engine structure design, and provides the basic data for rotor radial vibration active suppression technology research.

turbine engine；rotor；radial vibration；tip clearance；blade arrival time；measuring technology；spectrum

V231.92

：A

：1672-2620(2017)01-0041-03

2016-04-16；

：2016-08-01

張龍(1986-)，男，遼寧鐵嶺人，工程師，碩士，主要從事發動機測試研究。