振動分析在某航空發動機結構改進中的應用

朱金剛

摘 要：現階段，隨著社會的發展，我國的現代化建設的發展也有了很大的進步。某航空發動機動力渦輪單元體由兩級動力渦輪轉子、功率后輸出軸、動力渦輪機匣等組成，其中動力渦輪轉子采用前后雙支撐方式，功率后輸出軸通過膜盤聯軸器與車臺設備相連。在進行動力渦輪轉速調試試驗時，動力渦輪轉速上推至20900rpm穩定工作約30秒后出現振動突增超限，發動機緊急停車，本文通過分析振動突增前后的振動數據，結合動力渦輪轉子與車臺設備相接后的臨界轉速計算結果，確定振動突增的原因為動力渦輪轉子在臨界轉速點振動過大導致，通過改變動力渦輪軸結構，進而改變動力渦輪轉子臨界轉速后，發動機順利完成了動力渦輪轉速調試試驗。

關鍵詞：振動分析;某航空發動機結構改進;應用

0 引言

某航空發動機進行動力渦輪轉速調試試驗時，動力渦輪轉速上推至20900rpm穩定工作約30秒后出現振動突增超限，發動機緊急停車。本文通過分析振動突增前后的振動數據，結合動力渦輪轉子與車臺設備相接后的臨界轉速計算結果，確定振動突增的原因為動力渦輪轉子在臨界轉速點振動過大導致，通過改變動力渦輪軸結構，進而改變動力渦輪轉子臨界轉速后，發動機順利完成了動力渦輪轉速調試試驗。

1 振動測試系統

為測量某航空發動機整機振動情況，按照測試要求共設有9個振動測點，該型發動機測點代號及位置如下：Tz——渦輪機匣垂直測點Ty——渦輪機匣水平測點Tx——渦輪機匣軸向測點Pz——壓氣機機匣垂直測點Py——壓氣機機匣水平測點Px——壓氣機機匣軸向測點Fz——附件機匣垂直測點GDz——轉接段垂直測點GDy——轉接段水平測點渦輪振動測點選用高溫壓電加速度振動傳感器，該型加速度傳感器具有頻響寬、體積小、耐高溫、穩定性好等特點，能適應渦輪機匣外部的惡劣工作環境，其它振動測點選用常溫壓電加速度振動傳感器。機匣振動通過高溫壓電加速度振動傳感器轉變為電荷信號，經過高溫低噪聲電纜傳輸進入專用振動測試儀;經專用振動測試儀對電荷信號進行放大、濾波后，振動總量信號進入數采系統、通頻信號進入振動記錄分析儀，對壓氣機試驗件振動進行實時監測和試驗后數據回放分析處理。

2 振動數據分析

2.1 振動總量分析

發動機在Ng=29400rpm狀態停留約30s時，發動機各測點振動瞬間陡增，其中渦輪機匣Tz、Ty、Tx三個測點幅值增大明顯，振動異常前，發動機Np、Ng轉速已達到穩態工作約30s，且各測點振動總量均在限制值內，振動情況良好，發動機兩轉子轉速未發生明顯突變，下拉發動機轉速時刻為B線時刻，AB之間時間間隔約2s。

2.2 振動譜圖分析

渦輪機匣Tz、Ty、Tx三個測點振動頻譜主要表現為動力渦輪基頻振動，且伴有倍頻成分。由于渦輪機匣三個測點幅值增大明顯，根據振動異常情況，繪可見渦輪機匣Tz、Ty、Tx三個測點振動頻譜主要表現為動力渦輪基頻振動，且伴有倍頻成分。由于渦輪機匣三個測點幅值增大明顯，根據振動異常情況，繪制渦輪機匣垂直振動測點的三維瀑布圖（其它振動測點在文中未列出）。可見，振動異常發生時刻，動力渦輪基頻振動幅值突增達100mm/s以上，且伴有倍頻成分。此過程中，燃氣發生器轉子基頻振動幅值未見突變。通過振動數據分析可得：動力渦輪轉子基頻突增是導致發動機振動突增的主要原因，由于頻譜中出現多個倍頻成分，表明轉靜子發生刮磨是振動突增的次要原因，其中動力渦輪轉子基頻突增的原因可能有以下兩種：a）動力渦輪穩定工作轉速接近動力渦輪轉子臨界轉速;b）動力渦輪轉子不平衡量過大。由于動力渦輪基頻突增前發動機已經穩定工作了約30秒，突增前動力渦輪基頻振動幅值較小，并且穩定，故可以排除動力渦輪基頻突增是由于渦輪轉子不平衡量過大所致，重點分析動力渦輪轉子臨界轉速的影響。

3 改進措施與試驗驗證

3.1 改進措施

在原方案的基礎上，通過在一級渦輪盤上增加止口，增大動力渦輪軸外徑或縮短支點跨距形成4個新方案（依次命名為新方案1、新方案2、新方案3和新方案4），改進后的方案一、二階臨界必須滿足評定標準（20%）的要求，由于動力渦輪工作轉速與二階臨界轉速相近導致振動突增，所以改進后的方案盡量選擇臨界轉速裕度大的方案，改進措施的主要目的是盡量提高二階臨界轉速裕度。第一階臨界轉速均滿足評定標準（20%）的要求，新方案1動力渦輪轉子連接車臺設備時二階臨界轉速裕度（72.2%）比其它新方案大，故選用新方案1作為改進后的方案。

3.2 試驗驗證

改進后發動機進行動力渦輪轉速調試試驗，順利上推至最大轉速，發動機完成了轉速達標。整個試驗過程中振動情況良好，未超過限制值。動力渦輪轉子在20900rpm穩定工作時，各個振動測點動力渦輪轉子基頻振動幅值不超過15.5mm/s，振動情況良好，說明改進措施有效。4動力渦輪轉子動力特性分析動力渦輪轉子未連接車臺設備時轉子過第1階臨界轉速工作，且第1、2階臨界轉速裕度均較大（53.5%、54.8%），滿足評定標準（20%）的要求，動力渦輪轉子連接車臺設備后，轉子第2階臨界轉速下降了57.7%，位于正常工作轉速范圍內，不滿足評定標準的要求。此次發動機振動超限表現出來的振動特征為：動力渦輪轉子在20900rpm工作時轉子基頻振動幅值超限，其動力渦輪轉子工作轉速與連接車臺設備后的第二階臨界轉速相近。綜上所述：動力渦輪轉子連接車臺后其20900rpm工作轉速處于第二階臨界轉速附近是導致振動超限的原因。發動機工作一段時間后，由于發動機動力渦輪轉子存在熱變形，動力渦輪轉子2階臨界轉速發生了微小漂移，實際工作中的2階臨界轉速與計算所得的2階臨界轉速存在微小差異，而正好與動力渦輪工作轉速（20900rpm）相近最終導致了振動突增。

4 結語

航空發動機振動超限是航空發動機研制過程中常見的問題，也是航空發動機研制中必須克服的重點和難點，本文通過對振動數據進行振動總量、頻譜成分分析，揭示振動信號特征為動力渦輪轉子基頻振動幅值突增，并伴有倍頻成分，表現為二階臨界轉速與動力渦輪轉子工作轉速相近的振動特征。通過動力渦輪臨界轉速核驗計算，確定振動突增的原因為動力渦輪轉子與車臺設備連接后二階臨界裕度不足。隨后，有針對性的改變渦輪軸結構，提高動力渦輪二階臨界轉速，順利完成了轉速調試試驗，轉速達標。本文是振動分析在航空發動機結構改進中應用的實例，也是振動分析在型號研制中的典型范例，特別是動力渦輪轉子與車臺設備連接后導致臨界轉速裕度不足具有一定的科研實用價值，同時可為日后型號研制中出現類似問題提供很好的指導借鑒作用。

參考文獻

[1]王聰梅.航空發動機典型零件機械加工[M].北京：航空工業出版社，2014.