航空發動機整機振動分析與控制

閆志敏 劉濤 劉本勝 韓亮亮

摘 要：航空發動機工作過程中較為普遍發生的和嚴重的故障就是發動機整體振動是，同時由于其復雜性，也在一定程度上增加了控制的難度。本文對常見的發動機整機振動類型進行了闡述，并對引起航空發動機整機振動的原因的進行了分析，同時總結了常用的控制方法，以期為解決航空發動機整機振動的問題提供參考。

關鍵詞：航空發動機；整機振動；類型；原因；控制

發動機整機振動會嚴重影響發動機的性能，特別是在飛行過程中的整機振動，會增加磨損，導致系統故障，造成不可預知的后果。為此，振動故障類型的準確把握，原因的細致分析，控制技術的熟練掌握顯得十分重要，這不僅可以極大地提高航空發動機的安全性和可靠性，而且也可以增強其適應性，減少維護保養費用。這也是發動機研發時需要探索的重要課題。

1 常見的發動機整機振動類型

整理相關資料發現，目前較為常見的故障類型主要包括：轉子不平衡、轉動件與靜子件之間的摩擦、轉子彎曲、同心度問題、主軸承故障、附件軸承和齒輪損壞、油膜振蕩、轉軸開裂、不均勻的氣流渦動等等。找準故障類型，是進行故障原因分析，并找到解決辦法的前提。

2 引起航空發動機整機振動的原因

2.1 轉子發生故障

（1）轉子不平衡。轉子不平衡是航空發動機整體振動的眾多原因中最主要的一種。它不僅可以產生噪音，誘發其他類型故障，更會對發動機的安全運行造成巨大威脅。識別轉子不平衡，并采取有效措施降低其發生頻次，是減少發動機整體振動發生的重要措施。相對于其他原因引起的振動，轉子不平衡有著較為明顯的特征，那就是載荷與轉速平方成正比，轉速和頻率相同。通過研究發現，引起轉子不平衡的原因有很多，比如轉子的材質不達標、設計不合格、熱變形、制作誤差等等，都可以造成轉子在運行過程中出現質量不平衡的現象。

（2）轉子不對中。隨著航空事業的發展，對航空發動機的轉速和推重比要求越來越高，而由軸系不對中引起的振動故障也呈現出上升趨勢。如果航空發動機的轉子不對中的話，極易造成軸承磨損、轉子和機匣摩擦等故障，對發動機的穩定性造成極大威脅。一般情況下，我們可以將轉子不對中分為聯軸器不對中和軸承不對中兩種。聯軸器不對中又可分為角度不對中、平行不對中、角度平行不對中三種。軸承不對中主要是由于軸承支座的變形和安裝誤差等原因造成的，同時也會對轉子穩定性造成危害。多項研究表明，由轉子不對中引起的發動機整體振動幅度會因為轉速的提高而加大。

（3）轉靜子摩擦。一般轉靜子摩擦可以分為局部摩擦和全局摩擦，局部摩擦又可以分為單點、多點、面摩擦三種。按照轉子類型也可將其分為單轉子和雙轉子摩擦兩種。目前對航空發動機摩擦故障的機理研究一般都是通過Jeffcott因子建立韓摩擦故障的轉子系統。航空發動機多采用雙轉子結構，用滾動軸承將高壓轉子和低壓轉子連接起來，構成了雙轉子-滾動軸承系統。雙轉子航空發動機有兩個激振源，當轉靜子摩擦發生時，一方面兩個轉子旋轉頻率發生振動，靈體方面兩個轉子的組合頻率也會振動。

（4）轉子積液。由于航空發動機的壓氣機采用的是鼓筒式結構，其前后支承地方額封嚴裝置經常在發動機調試的時候出現漏油，因此在鼓筒內會出現積油。帶有鼓筒的轉子雖然是剛性的，但實際上它是介于剛性和柔性之間的，當轉速超過限度時，他也是會發生彎曲的。在轉子內存在積油的情況下，如果轉速超過臨界值時，積液就會形成油團，由于油團的頻率跟轉子不同，就導致了轉子自激振動，這種振動的振幅一般較大，既增加了滾動軸承的負擔，也會造成葉片與機匣的摩擦，嚴重損害發動機的結構，造成危險。研究發現，只要轉子內存在積液，不管數量多少，都會明顯感覺到振動。

（5）轉子支承松動。由于轉子支承松動，支承系統聯系面存在縫隙，導致轉子機械阻力降低，發動機振動故障。產生支承松動的主要是受到外力和溫度升高的影響。

2.2 氣流原因

（1）葉柵尾流。葉柵尾流造成的振動主要是由于靜子葉片的存在，葉片下游氣壓和流速會降低，當轉子到達這個區域時，其所承受的氣流動力也會發生變化，從而導致振動。

（2）封閉氣流。由于壓氣機轉子和靜子之間有漏氣，影響壓氣機效率，因此我們必須選擇封閉裝置。氣體在封閉腔內旋轉滯后于轉子運動，造成壓力分布不均勻，這也將引發振動。為了減少氣流振動，我們通常會采取加裝煩預旋裝置、周圍遮擋、阻尼密封等三種手段減小氣流在封閉腔內的流速。這三種方式本質是都是軸向封閉，而大量研究證明螺旋形流動是產生氣流力的主要原因，所以軸向封閉并不能從根本上解決氣流振動故障。由于軸向封閉還存在泄漏量和耐磨性的矛盾，因此降低漏氣，提高安全性，研究更先進的封閉技術也必然成為熱點，這對航空發動機十分重要。

2.3 齒輪

傳動系統是航空發動機十分重要的一部分，其傳動系統是一個齒輪耦合復雜轉子系統，要分析該系統動力學特性，我們也要掌握轉子動力學、齒輪動力學和軸承動力學等方面的知識。

2.4 失諧葉盤

所謂失諧葉盤就是在航空發動機葉盤的各個扇區存在著不可避免的誤差，這種誤差就叫失諧。航空發動機對失諧是非常敏感的，失諧發生后，能量會集中存在于部分葉片上，導致振幅增強，引發葉片高周疲勞失效，甚至會造成葉片破損或斷裂等危險。

2.5 機匣振動

機匣是航空發動機的架子，能夠直接反映出發動機震動的真實情況。當前對機匣振動的研究主要包括結構、噪聲、氣流激振等幾個方面。結構激振是由發動機轉子的不平衡引起的；噪聲激振主要是由于氣流高速流動造成的；氣流激振主要是由于氣團旋轉失速導致的。

3 航空發動機整機振動控制方法

3.1 基于發動機整機動力學的設計

查閱相關資料發現，目前發動機整機動力學的設計的熱點主要集中在轉子動力學設計上，主要研究轉子系統的臨界轉速、穩態不平衡等問題。如果不能對涉及整機結構特征的因素進行詳細的分析研究，就無法解決整機振動的問題。同時，當前開展的動力學分析主要是通過線性振動設計，對發動機中原有的非線性因素進行了處理，這種設計能夠簡化計算，提高設計效率，但隨著發動機技術的發展，非線性因素越來越多，影響越來越明顯，原有的線形設計明顯不能滿足需求，只有加強非線性研究，才能更加準確的掌握振動特點。

在動力學設計中，忽略了對加工誤差分布、結構參數變化的考慮，而將結構特征參數都當做了確定性的參數。我們應該建立整機參數模型來對結構振動進行分析，考慮結構特征的分散性，建立整機振動的概率分析動力學設計模型。

3.2 基于支承結構動柔度的動力學設計

動力學分析在航空發動機動力學設計中已經比較成熟了，但由于缺少支承機構動柔度數據，計算誤差過大，影響了結構動力學設計的真實目的，最終導致分析結果精度不夠。動柔度主要是指單位振動載荷造成的變形，這主要與振動頻次和振動質量有關。在正常柔度范圍內，臨界轉速對它的敏感性是很高的，我們可以通過靜柔度的實驗結果考慮溫度的影響。對靜柔度的實測很簡單，但對動柔度的實測不太現實，而影響臨界速度的就是動柔度，因此對動柔度進行更加精確的把握是提高發動機動力學設計的前提。影響動力學特征的第二個重要因素是連接結構動柔度。國外從20世紀中期開始采取相關措施，制訂了相對完善的應用規范。而國內的相關研究才剛剛起步，對各種參數的研究還不夠深入，在未來我們應該加大對相關技術的研究，為航空發動機整機振動的控制提供有力支持。

3.3 裝配工藝控制

航空發動機裝配工藝的實施主要是為了保證在工作時間段內安全、穩定完成其效能任務。為了達到這個目的，我們需要充分考慮發動機的結構和它的工作環境。也就是在保證發動機結構參數、環境影響下的力學參數、能夠滿足動力學設計需求，控制結構動力學參數范圍，提高裝配工藝水平，保障發動機運行品質。

在渦扇發動機結構中，各部件的工藝特征參數都存在著時變性和分散性的特點，這就導致了動力學參數的時變性和分散性，直接引起發動機振動的較大的分散度。由于引發發動機振動的動力學參數難以準確，因此要增加結構振動穩定性，研究者需要理清影響發動機整機振動參數的主要內容，并且研究其控制技術。發動機是由眾多零部件組合而成的，但這些零部件具有一定的隨機性，因此發動機的結構也存在分散性的特征。我們需要對靜態工藝參數進行合理研究，這樣才能滿足裝配工藝參數的需求。

發動機的結構參數、工藝參數在一定范圍內的變化會引起動力學參數變化，影響整機振動特征。我們需要對工藝參數和結構參數進行詳細研究，找到它們與動力學參數的聯系，為裝配工藝控制打下基礎。影響整機振動的直接參數也就是結構動力學參數，而不同心度、連接剛度等參數又是裝配工藝的主要參數，所以，裝配工藝的參數對控制整機振動有著重要的意義。

4 結論

航空發動機的工作性能直接影響到飛機飛行安全，航空發動機整機振動控制技術對避免空中事故、減少經濟損失具有重要意義。隨著航空事業的發展，高性能的航空發動機越來越多，但是高性能發動機有著結構復雜的特點，這對提高發動機整機的穩定性和安全性提出了更高的要求。

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作者簡介：閆志敏（1991-），男，內蒙古呼和浩特人，研究生，工學碩士，長期從事飛行器總體設計、飛行器先進控制方法研究、飛控軟件架構設計和核心算法開發的研究與應用創新工作。