航空發動機整機振動測量和分析方法

(中航工程集成設備有限公司，北京 102206)

0 引言

航空發動機是一種結構復雜的高速旋轉機械，旋轉機械不可避免的會出現振動，而發動機的整機振動主要是轉子不平衡引起的周期振動和發動機流道內氣體流動、燃燒等原因引起的隨機振動的復合，由于裝配精度以及裝配過程中動平衡的情況與發動機實際工況的差異，實際的發動機轉子總是會存在一定的殘余不平衡量。發動機臺架試車測量整機振動的目的是為了對發動機零部件加工、裝配及轉子動平衡的質量進行檢驗的一種手段。目前國內仍有很多航空發動機試車臺使用的是模擬振動測量儀，配套專門的振動傳感器完成對發動機的振動測量，選擇帶有濾波和積分功能的振動信號放大器，濾波和積分選擇均需針對機型專門定制，靈活性不夠，同時也不能分析振動頻率，滿足不了發動機振動分析的要求。如何以合理的方法，選擇合適的振動傳感器和振動測量儀，迅速準確地測量發動機的振動值并分析振動頻率是發動機廠、所對發動機整機臺架試驗的要求。

1 整機振動測量硬件組成

一般渦噴、渦扇、渦軸、渦槳發動機最小工作狀態和最大工作狀態的轉子轉速范圍在300～60 000 rpm，因此由轉子引起的發動機一階振動頻率的范圍為5～1 000 Hz，這個頻率范圍的振動正好與振動速度傳感器的頻響范圍相吻合，因此目前仍有很多機種的發動機采用振動速度傳感器。美國軍用標準—《航空渦輪噴氣和渦輪風扇發動機通用規范》也規定發動機的振動用速度有效值表示。

振動速度傳感器是利用磁電感應原理把振動信號變換成電信號，它主要由磁路系統、慣性質量、彈簧阻尼等部分組成。由于振動速度傳感器質量較重，使用溫度范圍較小(一般不大于200 ℃)，越來越多的新機種中的振動傳感器使用了壓電式加速度傳感器。壓電加速度計是根據某些材料的壓電效應設計的，它輸出的電信號與振動加速度成正比，通過積分電路可以測量振動速度和振動位移。壓電加速度計的頻率范圍寬，能夠設計成耐高溫型，能在高溫環境中有效地工作，現在壓電加速度計最高使用溫度為650 ℃，能滿足發動機高溫部位振動測量的要求。由于壓電加速度計的頻響范圍較高，因此為了測量和分析5～1 000 Hz的振動信號，就必須在測量系統中加入抗混濾波器， 振動測量系統硬件組成如圖1所示。

圖1 整機振動測量硬件系統框圖

壓電加速度計包括常規的加速度計和icp(integrated circuits piezoelectric)加速度計。常規的加速度計需要配套電荷放大器，而ICP型的加速度計由于內部集成了放大電路，因此可以不用配套電荷放大器，測量系統得到了簡化。測量系統中選用的數據采集模塊必須帶有抗混濾波功能，否則有可能產生混疊效應。

另外航空發動機的振動測量還需選擇合適的測振點安裝振動傳感器，不同機型的發動機有不同的測振點安裝要求。傳感器安裝支架的設計需要考慮對發動機的影響最小，并且需有足夠的剛性。測振點選擇一般在發動機轉子的前支承機匣和后支承機匣附近。渦噴發動機、渦軸發動機的渦輪附近由于有高溫燃氣，其測點溫度一般比較高，需要對安裝在此處的振動傳感器采取冷卻措施，渦扇發動機由于有外涵，外部機匣的溫度不高，可以不用進行冷卻。

2 整機振動測量軟件設計

發動機整機振動測量軟件除了具備常規振動測量軟件的功能外，還必須具備轉速測量及分析功能，由于航空發動機多為雙轉子發動機，需要從振動信號中提取出不同轉子對應的振動分量，該振動分量的提取需要跟隨發動機轉速的變化而改變。

本軟件功能劃分為有身份驗證、系統自檢、測量硬件配置管理、測量方案配置管理、傳感器標定、轉速信號獲取、振動信號顯示及分析、歷史記錄存儲及回放、報表打印。

2.1 身份驗證

系統根據用戶輸入的用戶名和密碼，確定當前操作者的權限和使用功能。

用戶只有通過身份驗證才能運行系統。

每個用戶對應一個角色，每個角色對應不同的權限。

任何身份的人員只要密碼驗證通過即可運行本程序。

2.2 系統自檢

系統自檢是對系統運行環境的檢查，以確保系統在正常環境下運行，系統運行穩定可靠，測量數據準確可信。

檢測項包含如下：

檢測數據采集設備狀態是否正常。檢查應當給出結論，提示給用戶。

檢測的過程中，如果發現異常，直接給出提示，如某設備連接出錯等提示，指導操作人員排故。

2.3 測量硬件配置管理

測量硬件配置管理包括：

選擇采集設備，如為固定設備此項可不選；

選擇激活的采集通道(1～Max通道)；

設定采集卡的采集頻率及分析樣點數，樣點數設定選擇為512/1024/2048/4096，缺省為1024；

為每個激活的采集通道設定輸入方式(ICP或電壓，缺省為電壓)；

為每個激活的采集通道設定耦合方式(缺省為AC耦合)；

為每個激活的采集通道設定量程輸入范圍；

為每個激活的采集通道設定傳感器類型(位移/速度/加速度)，以及靈敏度系數(位移對應mv/mm，速度對應mv/mm/s，加速度對應mv/g或mv/m/s2)。

以上所有配置數據可以選擇保存在配置文件中。

2.4 測量方案配置管理

測量方案配置管理包括：

設定顯示的窗口數及窗口顯示內容，窗口顯示內容配置包括：窗口名稱、對應測量通道、橫坐標選擇(轉速/頻率/時間)、橫坐標單位及上限線、縱坐標單位及上限線、濾波參數設定(按數字IIR濾波規范設置濾波器參數)、積分選擇、窗函數選擇(缺省為Flat Top)、當前有效值顯示選擇、峰值顯示選擇、報警上限設定、分析頻率帶寬、轉速1分量顯示選擇、轉速2份量顯示選擇、主頻及主頻幅值顯示選擇、歷史記錄文件名，如果橫坐標選擇轉速或有轉速分量顯示要求，需要提供轉速獲取途徑；

按照數字IIR濾波器規范設定濾波器參數；

在做了積分設定后，對應的測量通道是加速度傳感器的，積分后縱坐標顯示為速度，峰值、有效值、轉速分量等均顯示為速度，不再顯示加速度值；若用戶想觀察加速度信號，可以新建窗口，選擇相應的測量通道，但不做積分設定。對應的測量通道是速度傳感器的，積分后縱坐標顯示為位移。

選擇橫坐標為轉速，需設定縱坐標顯示為峰值、有效值、轉速1分量、轉速2分量，可以設定振動限制曲線，限制值可以設定為峰值、有效值、轉速1分量、轉速2分量；

選擇橫坐標為頻率，縱坐標為振動頻譜，可以設定顯示幅度譜或功率譜，缺省為幅度譜，可以設定按dB還是線性刻度，缺省為線性刻度，可以設定顯示主頻及主頻幅值，可以設定顯示振動有效值，可以設定顯示轉速1分量、轉速2分量的對應幅值；

選擇橫坐標為時間，需設定橫坐標單位及上限線、縱坐標單位及上限線，可以顯示振動有效值。

報警值可以設定為峰值、有效值、轉速1分量、轉速2分量，超出設定報警值時對應顯示控件閃爍；以上所有配置數據可以選擇保存在配置文件中。

2.5 傳感器標定

此功能是為了得到傳感器的靈敏度系數，方法如下：

用戶將被標定傳感器放置于標定振動臺上，設定標準的一組振動值(峰值或有效值均可)，調節振動臺到相應的振動值，點擊獲取鍵，即得到對應傳感器靈敏度系數，可以在多個點獲取，最后獲得一個平均的靈敏度系數，軟件此時應給出該傳感器的線性誤差，標定結果可以打印。

2.6 轉速信號獲取

軟件可以通過接受外部數據的方法實時獲得發動機的轉速數據(一般均為雙轉子發動機，因此有2個轉速)，該項功能設定后，測量方案配置中的轉速1分量、轉速2分量、橫坐標轉速等設置有效。

2.7 振動信號顯示及分析

按工具欄運行按鈕后軟件執行該功能，該功能首先啟動數據采集器獲取測量數據，然后按照測量方案的設置顯示數據。

在窗口內除了顯示波形，還需按用戶的設定顯示振動峰值、有效值、主頻及主頻幅值、轉速1分量的對應幅值、轉速2分量的對應幅值；

每個窗口有最大保持功能(以當前通道的振動有效值計算)，保留測得的最大振動信號，用戶也可取消該項選擇；

用戶可以隨時對所有窗口暫停刷新數據，并對所有窗口的數據打印輸出；

用戶可以對所有窗口的數據保存記錄，并添加到記錄文件或數據庫中；

用戶可以執行停止操作，軟件關閉振動信號顯示窗口；

用戶可以重新設定測量方案，然后再次進入振動信號顯示界面，此時振動信號顯示窗口的內容按照新方案顯示。

2.8 歷史記錄存儲和回放

對于從數據采集器讀入的數據，根據用戶在測試方案配置中設置是否啟動歷史記錄保存功能，文件名在測試方案設置中提前輸入。用戶啟動振動信號顯示分析功能時開始記錄所有激活通道的數據，當用戶暫停顯示時或啟動最大保持時，均不影響軟件在后臺記錄歷史數據，該歷史數據為數據采集器采集到的信號。當用戶關閉振動顯示窗口時結束歷史記錄存儲。

根據用戶選擇的歷史記錄文件回放數據，回放過程用戶可以拖動回放進度條選擇回放位置，讀到歷史記錄文件尾后程序自動回到歷史記錄文件頭。回放過程可以根據用戶重新配置的測量方案進行振動信號分析。

2.9 報表打印

用戶可以設計報表數據的模板。根據用戶設計的模板加入振動波形，還需按用戶的設定顯示振動峰值、有效值、主頻及主頻幅值、轉速1分量的對應幅值、轉速2分量的對應幅值的信息；用戶可以實時打印或在回放數據時打印。

3 振動信號濾波方法研究

由于發動機振動測量需要分析轉子引起的振動分量，因此振動測量分析系統還需具備數字跟蹤濾波以及窄帶濾波的功能。

該項試驗目的是對不同方式的軟件濾波效果進行研究，并找出最適合的濾波方式。試驗方法: 通過安捷倫信號發生器發出掃頻頻率信號，經過動態信號分析儀的抗混濾波并利用振動分析軟件的帶通濾波功能顯示分析結果。

通過使用信號發生器在0～1 000 Hz掃頻試驗，研究振動分析軟件在常用的發動機振動范圍20～300 Hz的的濾波效果，選用的數字IIR濾波器如下表：

表1 濾波器選擇表

不同濾波器的實際效果如下所示。

Butterworth濾波器濾波效果如圖2。

圖2 Butterworth濾波器

Chebyshev濾波器濾波效果如圖3。

圖3 Chebyshev濾波器

Inverse Chebyshev濾波器濾波效果如圖4。

圖4 Inverse Chebyshev濾波器

Elliptic濾波器濾波效果如圖5。

圖5 Elliptic濾波器

Bessel濾波器濾波效果如圖6。

圖6 Bessel濾波器

測量結果表明，選用Butterworth濾波器的濾波效果最好，最適合作為實際測量中選用的濾波器，遠遠超出發動機生產廠提出的通帶平滑度≤±5%，阻帶衰減大于-30 dB/倍頻程的濾波技術要求。

4 幅值譜分析中窗函數的選擇

通過振動校驗儀固定給出1 g的加速度振動信號，使用加速度傳感器進行測量，在幅值譜分析時通過加不同類型窗函數，得出試驗結果如表2。

表2 1 g加速度幅值下的測量結果

由試驗結果可以看出：選用Flat Top窗可以獲取更高的測量精度。

5 試驗結果與分析

試驗選用比較的傳感器為國產的YD611D型加速度傳感器、美國PCB公司的HT622A01型加速度傳感器以及丹麥B&K公司的4382V型加速度傳感器。其中YD611D型加速度傳感器、HT622A01型加速度傳感器均為ICP型加速度傳感器。

表3 傳感器主要技術指標

分別對3種規格的傳感器進行標定試驗，試驗方法分別將3種規格的傳感器安裝在E5501便攜振動校驗儀上，啟動校驗儀，分別測量校驗儀發出的1 g標準信號，試驗目的驗證擬研制的振動測量系統的實時測量功能，以下是3種傳感器的試驗結果：

YD611D測量結果如圖7。

圖7 YD611D測量結果

經過E5501便攜振動校驗儀發出的1 g標準信號，實測結果為0.966 3 g。

HT622A01測量結果如圖8。

經過E5501便攜振動校驗儀發出的1 g標準信號，實測結果為0.995 6。

4382 V測量結果如圖9。

經過E5501便攜振動校驗儀發出的1 g標準信號，實測結果為1.019 5 g。

根據上述試驗結果，表明所研究的ICP加速度傳感器與壓電加速度傳感器均能滿足GJB5543-2006《航空發動機地面試車臺通用要求》關于振動測量精度的要求(<5%)。

圖8 HT622A01測量結果

圖9 4382V測量結果

6 結束語

通過搭建航空發動機整機振動測量系統硬件及編寫振動測量分析軟件，對航空發動機整機振動信號的分析方法進行了試驗研究，研究表明，發動機整機振動測量建議選擇壓電式加速度傳感器并使用帶有抗混濾波的差分放大器以消除頻率混疊和共模干擾，在振動分析軟件處理中采用Butterworth濾波器和Flat Top窗，試驗結果表明，該方法能夠滿足發動機生產廠提出的通帶平滑度≤±5%，阻帶衰減大于-30 dB/倍頻程的濾波要求以及對振動測量精度≤±5%的要求。本文提出的航空發動機整機振動測量方法準確可靠，能夠滿足發動機廠、所對試車臺架整機振動測量的要求。