PW4000發動機典型振動故障及排故方法

摘要：發動機的振動故障是發動機較為常見的一種故障，在飛行過程中會對飛機造成安全影響，甚至導致空難。在發動機維修與試車過程中，振動故障的排除一直是難題。本文根據生產經驗，總結了PW4000發動機試車中常見的振動故障及相應的排故方法。

關鍵詞：航空發動機；振動；頻譜分析

Keywords：aero-engine；vibration；spectrum analysis

0 引言

航空發動機為飛機的飛行提供動力，被稱作飛機的心臟。在發動機在翼使用及發動機在廠維修試車過程中，振動故障是較為常見的一種故障。發動機試車過程中對振動故障的分析較為復雜，需要考慮諸多因素，需要進行大量的排故工作，輕者需要平衡風扇轉子，嚴重的甚至需要發動機返廠重新分解組裝。本文根據生產經驗，對PW4000發動機試車中常見的振動故障及相應的排故方法進行總結。

1 PW4000發動機振動情況

振動是自然界最普遍的現象之一。物體相對于平衡位置所做的往復運動稱為機械振動，簡稱振動。振動三要素為振幅、頻率、相位。

PW4000發動機為雙轉子軸流式發動機，100%N1轉速為3600rpm（60Hz），100%N2轉速為9900rpm（165Hz），因此PW4000發動機的振動屬于中低頻振動，一般用振動位移（mil）或振動速度（IPS）來描述振動強度。按照轉速（頻率）又分為 N1、N2、BB（總量，矢量和）振動。

PW4000發動機本身的振動傳感器位于風扇機匣A安裝邊；在試車臺進行試車時，還需在排氣機匣P安裝邊加裝另外一個試車傳感器。發動機的N1轉速是由位于中介機匣內的N1速度傳感器發送給EEC的，N2轉速是由安裝在齒輪箱上的N2速度傳感器發送給EEC的；相位角信號來自發動機內部的齒輪脈沖，渦輪軸連接器前端具有轉速表齒輪，該齒輪上有一個短齒，每轉一圈可提供一個脈沖。

振動信號由振動傳感器采集，通過推力架上的線纜傳輸到試車臺MPI32計算機，經過進一步的信號處理，得出最終的振動值。主要的處理裝置包括放大器、濾波器、模數轉換、控制程序、數字信號處理器等。振動傳感器產生的振動信號是時域的。這種信號顯示的是很多不同振動源的復合振動。頻譜分析是將時域波形通過傅里葉變換（FFT）轉換為頻域波形，忽略各個不同波形的初始相位，只考慮其頻率和幅值，相當于將一個復雜的振動波形按其激振源分列開來，這些波形的頻率為基準波形的整數倍，如圖1所示。最終的BB、N1、N2振動值將通過相應試車界面顯示在屏幕上，并可以通過平衡計算程序計算出修正N1不平衡量所需安裝配重的件號和位置。

PW4000的AMM手冊及EM手冊中給出的振動極限是振動測試的驗收標準，AMM振動極限：BB為1.80IPS，N1為1.51IPS，N2為1.25IPS；EM振動極限：BB為0.9IPS，N1為0.65IPS，N2為0.8IPS。當客戶有更加嚴格的要求時，甚至會要求按照EM振動極限的70%出廠。

2 PW4000發動機典型振動故障及排故措施

當發生振動故障時，首先應判斷振動傳感器及其傳輸線纜以及試車設備是否存在故障，若存在故障需先予以排除，以獲得發動機真實的振動值。此外，引起發動機振動的原因可能包括轉子本身不平衡、壓氣機或渦輪葉片損壞、軸承損壞、附件失效、傳動系統故障、單元體不匹配、N1倍頻共振等。

2.1 轉子本身不平衡引起的振動

轉子本身不平衡引起的振動是最常見的振動故障，其振動表現為N1或N2轉子振動較高，從而引起BB總量也較高。此類振動故障通常采取的排故措施是在風扇轉子轂前端增加配重，配重的重量和位置由平衡程序根據轉子不平衡量和相位角得出。此種平衡方式是最常見最普遍的修正振動方式，但只對N1轉子A安裝邊的振動效果較為明顯，對N1轉子P安裝邊的振動也有一定的平衡作用，卻并不一定能完全平衡N1轉子P安裝邊的振動。對風扇的平衡，配重總和不能超過EM手冊極限的50oz-in，若在50oz-in范圍內無法平衡N1振動，需考慮調整風扇葉片順序或更換風扇葉片。同時，平衡風扇對N2轉子振動的影響較小，通常無法修正N2轉子的振動故障。因此，針對N1轉子P安裝邊振動高或N2轉子振動高，用風扇平衡方式無法修正的情況下，通常發動機需要返廠，對相應的LPT、HPC、HPT等單元體進行孔探，甚至重新分解、平衡和組裝。

圖2～圖4所示的振動故障案例為典型的風扇不平衡引起的振動故障。該發動機按照平衡程序的計算結果安裝配重后，振動故障得以排除。

另外，若相位角出現故障或平衡程序無法計算出配重重量及位置時，可以采用三圓法平衡方式（Sommervaille Three Weight Method）來進行平衡。三圓法需要發動機進行四次試運轉，一次“觀察”運轉和三次帶配重塊的“測量”運轉；所有運轉中測量的振動值均為在選定N1轉速點的低壓振動幅值；通過矢量運算的方法，確定不平衡量的重量和位置。具體操作步驟可以參考PW4000EM手冊相應章節。

2.2 N1倍頻共振引起的振動

N1倍頻共振引起的振動是另一種較為常見且非常具有迷惑性的振動故障。此種故障的通常表現為N1、N2振動值均較低，但BB總量較高。此種故障的發生是由于某一轉速下，N1的倍頻（可能是2倍頻、3倍頻或6倍頻等）與發動機其他部件產生共振，從而導致振動總量較高。倍頻引起的振動故障需通過改變N1轉子固有頻率來消除共振的影響，但僅僅平衡風扇通常無法消除倍頻共振，更有效的方法是更換風扇葉片或調整風扇葉片順序。判斷振動故障是否是由N1倍頻引起的，首先需確保振動傳感器系統工作正常，并檢查確認發動機外部件均緊固，沒有引起BB異常高振動的可能，再通過頻譜分析來進行判斷。

圖5～圖8所示的案例是典型的N1轉子2倍頻振動故障。從振動圖可以看出，N1、N2的振動均一直處于較低狀態，但BB風扇振動在起飛功率下異常，已接近極限0.9IPS。為進一步分析振動故障，在起飛功率下進行頻譜分析，可以發現N1（3415rpm）、N2（9348rpm）所對應的振動都很低，高振動是由6825rpm引起的，而此轉速（頻率）正好十分接近于2倍的N1轉速，因此判斷此發動機為N1轉子2倍頻振動故障。最終，通過調整風扇葉片排序，使振動故障得以排除。

更具有迷惑性的是N1轉子3倍頻振動故障。由于N2的轉速與N1轉速的3倍較為接近，因此當出現N1轉子3倍頻振動故障時，該振動峰值可能會被N2振動圖捕捉到，從而造成N2轉子振動高的假象。如果不進行頻譜分析并仔細甄別，誤以為N2轉子本身振動高，導致發動機返廠排除N2故障，就會誤入歧途。圖9～圖12的案例是較為典型的N1轉子3倍頻振動故障，從圖中可以看出，N1轉子振動較低，但BB振動總量和N2轉子振動在N2轉速9000rpm附近出現峰值。如果不深入進行頻譜分析，單從振動曲線著手，很容易誤以為N2轉子振動異常。但通過振動高點頻譜分析發現，振動主要來自于9187.5rpm轉速，但此時N2轉速為8895.4rpm，進一步計算發現9187.5rpm十分近似于N1轉速3063.9rpm的三倍，因此判斷此發動機的振動故障并不是N2轉子本身的振動故障，而是由于N1轉子3倍頻所導致的。最終，通過調整風扇葉片的順序而排除了故障。

2.3 單元體性能不匹配

單元體氣動性能不匹配也可能引起振動異常，這種情況較為少見，通常需要對單元體進行分解、檢查、裝配，甚至更換單元體。某發動機進行試車時，N1轉子振動較低，但BB振動總量和N2轉子振動直線上升超過振動極限。通過頻譜分析發現，振動確實是由N2轉子本身引起的，因此發動機返廠排故。但三次返廠、分解檢查中，發動機各單元體及零件均無異常。第一次返廠，改變HPC與HPT單元體的對接角度，振動故障依舊；第二次返廠，對HPT單元體進行分解、平衡、組裝，振動故障依舊；第三次返廠，更換HPT單元體后，振動故障排除。

3 總結

PW4000發動機引起振動故障的原因多種多樣，但只要掌握分析方法，各種問題將迎刃而解。首先，確定振動傳感器及相關設備均無異常，且外部件對振動沒有影響，將振動問題集中到發動機本身。若N1轉子振動高，需對風扇進行平衡，甚至調整風扇葉片或LPT單元體，以實現N1轉子振動達到較低狀態。N1轉子振動達到較低狀態后，若N2轉子振動較高，此時需進行頻譜分析，以確定是N2轉子本身振動高還是N1轉子3倍頻引起的振動高；若N2轉子本身振動高，需返廠孔探、分解、檢查、裝配，甚至更換單元體；若N1轉子3倍頻引起的振動高，需調整風扇葉片。若N1、N2轉子振動均較低，但BB振動總量較高，需進行頻譜分析，通常是由N1轉子倍頻引起的高振動，需調整風扇葉片。

作者簡介

吳小光，工程師，主要從事發動機維修及試車工作。