民用航空發動機振動配平功能設計

尚 洋

（中國商用飛機有限責任公司上海飛機設計研究院，上海201210）

民用航空發動機振動配平功能設計

尚 洋

（中國商用飛機有限責任公司上海飛機設計研究院，上海201210）

振動故障是航空發動機常見并且危害較大的故障，可能導致發動機運營事故或提前更換，增加航空公司運營成本，進行轉子平衡是降低發動機振動的重要措施。根據民用渦扇發動機的設計特點和振動配平相關原理，設計了利用EVMU進行發動機振動配平計算的功能，并通過試驗進行了驗證。試驗結果表明：采用根據EVMU計算出的方案配平發動機，能夠有效地降低發動機N1振動值，滿足航線使用需求。

N1振動值；發動機配平；影響系數法；渦扇發動機

0 引言

航空發動機使用中會因轉子不平衡而導致振動，輕則造成發動機性能衰退過快，在役時間大大縮短；重則造成軸承、葉片損壞，導致發動機運營事故或提前更換，增加航空公司運營成本[1]。因此，如何將在役發動機的振動維持在較低水平，保證發動機具有較高的可靠性、良好的經濟性、較低的維修成本和較低的客艙噪聲，是發動機維護人員所要面對的重要課題。

隨著計算機技術的發展，目前國外先進飛機上都裝載有專門的機載設備用于監控發動機振動以及計算發動機振動配平方案。國內也已研發出機載設備用于實時監控發動機振動[2]，但尚不具備計算發動機振動配平方案功能。針對發動機振動配平技術（也稱轉子動平衡技術），國內部分高校及研究所進行機載設備等大量的研究及試驗[3-4]。

如果民用飛機不具備利用機載設備進行發動機振動配平計算的功能，航線上發生發動機振動偏高的情況，通常只能采用傳統的三元法[5-6]對發動機進行配平，該方法需要進行至少5～7次高功率開車，耗時長、不經濟且需要人工計算配平方案。為提高民用飛機的競爭力，本文利用機載軟件進行發動機振動配平計算的功能設計。

1 發動機振動配平相關原理

1.1 轉子不平衡

“不平衡力”是航空發動機振動主要原因。由于轉子材質的不均勻、設計缺陷、熱變形、制造裝配的誤差和轉子在運行過程中介質黏附到轉子上或有質量脫落等，使實際轉子的質心與形心不一致，從而使轉子出現質量不平衡[7]，這是導致航空發動機整機振動過大和產生噪聲的重要因素[8-9]，不但會直接威脅到航空發動機安全可靠地運行，而且還容易誘發其他類型的故障。轉子不平衡引起的振動故障是航空發動機常見并且危害較大的故障，識別并減弱發動機轉子不平衡是減小發動機振動的重要措施。轉子質量不平衡所引起的振動有以下特點[10]：

（1）由不平衡引起的轉子振動是與轉速同頻的簡諧振動，相位比較穩定，可以根據對振動響應中同頻振動分量的測量來確定轉子的不平衡狀況；

（2）不平衡響應的幅值與不平衡量呈線性關系，且工作轉速不同時，線性系數也不同。

1.2 發動機振動測量系統

民用飛機發動機振動測量技術在國內已經比較成熟[11-13]，測量系統原理如圖1所示。發動機上裝有1個N1轉速傳感器、1個N2轉速傳感器和2個振動加速度傳感器，2個振動加速度傳感器根據安裝位置分別稱為前、后振動加速度傳感器。在飛機電子/電氣設備艙內安裝有發動機振動監控裝置EVMU。發動機的N1、N2轉速信號和前、后振動傳感器信號傳遞至EVMU，EVMU根據接收到的信號計算發動機的N1、N2振動值，并將計算結果發送到駕駛艙顯示。

1.3 發動機振動配平原理

民用飛機渦扇發動機動平衡的方法主要有振型平衡法和影響系數法[14-15]。振型平衡法基于疊加理論，主要應用于能準確計算或測出其振型的場合，由于其不易自動化，比較復雜，且對操作者要求較高，所以在目前眾多測試系統中應用不多。影響系數法是1種完全建立在實驗基礎上的平衡方法，對轉子的動態特性了解較少，特別適合現場動平衡，而且易于自動化，操作方便，因此被廣泛應用[16-17]。影響系數法將轉子及支承系統近似地當作黑箱，平衡面上的試加質量（包括大小和相位）作為這一封閉系統的輸入；在相同的平衡轉速、測振位置和測振方向上，試加質量所引起的振動變化作為系統的輸出，把輸入與輸出的傳遞關系定義為影響系數。影響系數的計算公式為

式中：A、B分別為試加質量前、后的振動幅值和相位；U為試加質量；C為發動機影響系數。

得到發動機影響系數后，配平方案計算為

式中：Vo、Vn分別為配平前、后的振動幅值和相位（理想狀態下為0）；W為配重質量和相位，即配平方案。

2 發動機振動配平功能設計

2.1 平衡面的選取及配重部件介紹

民用渦扇發動機結構如圖2所示。從圖中可見，發動機風扇及低壓渦輪的最后1級葉片易于接近，因此發動機振動配平功能僅對低壓轉子（即N1轉子）進行配平。在航線上通過在風扇前整流錐或低壓渦輪最后1級葉片增加配重對發動機低壓轉子進行配平。

發動機振動配平可采用單平面法和雙平面法。單平面法僅在風扇前整流錐增加配重，雙平面法在風扇前整流錐和低壓渦輪最后1級葉片上增加配重。

發動機的風扇前整流錐上包含36個孔，如圖3所示。每個孔上安裝有1個配平螺釘，有P1～P13共13種構型，不同構型螺釘的質量不同，其中P1構型的螺釘對應的配重質量為0，P1和P13構型配平螺釘的實物如圖4所示。

針對低壓渦輪最后1級葉片，可以通過在葉片的葉冠處增加配平夾的方式來改變低壓轉子的質量分布，民用渦扇發動機采用的配平夾實物如圖5所示。配平夾有1種構型，質量一定，每個葉片能安裝1個配平夾，可通過在連續幾個葉片安裝配平夾來調整配平質量，配平夾的安裝效果如圖6所示。

2.2 發動機影響系數獲取

根據第1.3節發動機振動配平原理，民用發動機影響系數需通過大量試驗獲取數據并計算得出，獲取流程為：（1）發動機低壓轉子為平衡狀態，記錄發動機在不同轉速下前、后振動傳感器測得的低壓轉子振動幅值及相位；（2）通過在風扇前整流錐的已知位置增加已知質量的配平螺釘，將發動機的低壓轉子調整為不平衡狀態，記錄發動機在上述轉速下前、后振動傳感器測得的低壓轉子振動幅值及相位；（3）計算步驟（1）、（2）中記錄的振動差值與風扇前整流錐上加裝的配重之間的關系，即風扇配平面所對應的影響系數；（4）通過在低壓渦輪最后1級葉片增加已知質量的配平夾，將發動機的低壓轉子調整為不平衡狀態，記錄發動機在上述轉速下前、后振動傳感器測得的低壓轉子振動幅值及相位；（5）計算步驟（1）、（2）中記錄的振動差值與低壓渦輪最后1級葉片上加裝的配重之間的關系，即低壓渦輪最后1級配平面所對應的影響系數。

2.3 振動配平計算

得到發動機的影響系數后，可根據第1.3節發動機振動配平原理中的公式計算振動配平方案。由EVMU廠商將發動機影響系數及振動配平計算程序集成至EVMU中。

在發動機運轉時，EVMU能夠記錄特定轉速下低壓轉子的振動幅值及相位。當低壓轉子振動值偏高時，可以操作EVMU利用記錄的振動數據及內部的振動配平算法計算配平方案。

3 試驗驗證

為驗證發動機振動配平功能，首先將發動機低壓轉子調整為不平衡狀態，調整后發動機在整個N1轉速區間內前、后振動傳感器測得的N1振動值分別如圖7、8所示。

操作EVMU執行單平面法計算，EVMU計算出的配平方案如圖9所示。

從圖中可見，需要在風扇前整流錐的H14孔增加7.86grams（對應P11構型）的螺釘，在H16孔增加2.67grams（對應P4構型）的螺釘，在H19孔增加2.67grams（對應P4構型）的螺釘，在H21孔增加7.86grams（對應P11構型）的螺釘。按照配平方案實施配平后，開車檢查發動機的N1振動值。配平前、后2個振動傳感器測得的發動機N1振動對比分別如圖10、11所示。

對于雙平面法，驗證過程類似，不再贅述，僅列出配平前、后2個振動傳感器測得的的N1振動值對比，如圖 12、13 所示。

從上述試驗結果可以看出，根據EVMU計算的單平面方案和雙平面方案配平發動機后，發動機的N1振動值相比配平前顯著降低，表明設計的發動機振動配平功能有效。

4 總結

為了提高民用飛機的競爭力，利用機載設備EVMU進行發動機振動配平計算的功能設計。通過試驗，對所設計的功能進行了驗證，試驗結果表明，采用機載設備EVMU計算的單平面方案和雙平面方案配平發動機后，能夠有效降低發動機N1振動值。該功能相比傳統的三元配平法，可以減少開車次數，為航空公司節約大量資金和時間，降低飛機的維護成本。對國產民用飛機和發動機的設計具備借鑒意義。

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Engine Balancing Function Design of Civil Aircraft

SHANG Yang
（COMAC Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210）

Vibration failure is a common and serious failure for the aeroengine.Vibration failure may result in engine operation accidents or early replacement of the engine.This would increase the operating cost of the airlines.Engine balancing is an important measure to reduce the engine vibration.According to the design characteristics of the civil aircraft turbofan engine and the principle of vibration balancing,the engine balancing function that used the EVMU was designed.The design was verified by test.The results show that the vibration can be reduced after balancing according to the solution given by EVMU,and the design can meet the needs of airlines.

N1 vibration;engine balancing;influence coefficient method;turbofan engine

V231.96

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2017.04.010

2016-12-05

尚洋（1987），男，碩士，工程師，從事民用飛機動力裝置系統集成工作；E-mail:shangyang@comac.cc。

尚洋.民用航空發動機振動配平計算功能設計[J].航空發動機，2017，43（4）：56-60.SHANG Yang.Engine balancing function design of civil aircraft[J].Aeroengine，2017，43（4）：56-60.

（編輯：李華文）