航空發動機振動故障診斷技術及發展趨勢

鄭帥

摘要：在我國進入21世紀迅猛發展的新時期，隨著發動機對性能要求的提高，先進的發動機渦輪工作葉片為滿足氣動性能要求，一般設計成薄而長的結構形式，這樣的葉片構型由于剛性較低，容易引起葉片共振和顫振的危險。因此，工程上為提高展弦比較高的渦輪葉片的剛性，在葉片頂部均設計了帶冠結構，該結構利用葉片的解扭和熱膨脹變形，亦或是裝配時產生的葉片預扭來保證葉冠之間工作面的相互抵緊，從而使葉冠形成一個環形的整體，將葉片由懸臂態轉變為簡支狀態，提高了渦輪葉片的整體剛度，同時，相鄰葉冠抵緊面之間的振動摩擦還可以形成阻尼，消耗葉片的振動能量，起到葉片減振效果。但是，葉冠與葉冠工作面之間的接觸摩擦具有明顯的非線性，因此，采用常規的帶冠渦輪葉片模型獲得的模態結果精度很難保證，這就給帶冠葉片的振動設計帶來了很大的困難。

關鍵詞：航空發動機;振動故障;診斷技術;發展趨勢

1概述

振動是航空發動機的一個重要監控參數，發動機在進行試驗時，需要解決各種振動問題。發動機振動之所以特別重要，是因為振動直接影響發動機的正常工作和壽命，如果發動機出現振動異常而不及時加以檢查排除，就有可能造成嚴重的后果。因此，航空發動機振動故障診斷一直都是航空發動機試驗測試中的一個重要研究課題。

2航空發動機振動故障診斷技術及發展趨勢

2.1管路防振設計分析

對于航空發動機管路的防振設計，一是檢查管路的自振頻率與發動機轉速頻率是否有共振，如有共振，需要進行調頻設計;二是檢查管路的振動應力，如果振動應力大于許用應力，就要改進管路的支承固定、改進有關的附件支承固定，或者采用各種減振措施，使管路的振動應力降到許用應力水平。

2.2共振故障診斷技術

對于亞音速收斂型尾噴管，一般為薄壁殼體構件，由于處在高溫高壓燃氣環境中，工作環境極其惡劣，且尾噴管具有自身尺寸大、壁厚薄、剛性弱的特點，在發動機整機試驗或外場飛行中易于出現振動大甚至局部開裂的故障，影響發動機整機的安全性、可靠性和結構的完整性。同時，過大的振動會影響發動機氣流通道的形狀、氣體流動規律和部件性能效率，甚至會將大的振動傳遞給飛機，進而影響飛機的飛行品質和安全性，因此防止高頻振動是薄壁尾噴管結構設計時的一項重要任務。國內外學者對發動機尾噴管開展了相關研究工作，對尾噴管的流動特性進行了數值計算和試驗驗證;用準線性公式獲得了火箭噴管流動中的化學和振動區;對噴管整體結構模型進行了自由振動模態分析，獲得了多階自振頻率和模態，為結構改進提供參考價值;對某固體發動機噴管結構進行了自由振動和模態分析，獲得了噴管的多階自振頻率和模態;對尾噴管進行了熱流固耦合分析，揭示了溫度場、流場和結構之間的作用關系;對發動機尾噴口整流結構進行優化改進，采用三維外形參數化、CATIA軟件二次開發等技術對三維后體尾噴管進行了多目標優化設計，較大幅度提升了綜合性能。國內外學者雖對薄壁尾噴管開展了相關研究，但研究內容相對較少，且未對薄壁構件振動展開深層次分析研究。

2.3兩級燃油泵耦合振動特性分析方法和流程

振動特性是指連續質量彈性體結構在無阻尼（或不考慮阻尼）自由振動時的振型和頻率，振動特性分析的實質就是求解結構無阻尼自由振動時的振型和頻率，并通過分析結構的工作情況，比如離心力等外載荷作用的時頻特性等，使結構在實際工作中避開激振源，避免發生共振故障。結構振型和頻率的獲得通常有兩種方法：（1）實驗法，比如通過測量結構的頻響函數、再進行模態參數識別可得;（2）計算法，可利用基本公式對形狀復雜結構進行近似的數值求解，但通常只能用于求解基頻;隨著計算技術的發展，有限元法發展成工程上常用、可用于更復雜形狀彈性體結構振動特性計算的方法。

2.4功率譜分析

在管路高階頻率在工作轉速范圍內的情況下，應保證管路能承受壽命周期內的振動，管路的振動應力應小于許用應力。為檢查管路的振動應力，對管路進行功率譜分析。譜分析是將模態分析與譜聯系起來計算結構振動響應的分析技術。功率譜密度是將對時域的振動描述轉化為對頻域的振動描述，反映了隨機過程中統計參量均方值在頻域上的分布，也就是振動能量的概率分布。

2.5載荷計算

當發動機轉速發生變化時，燃油泵工況（自身轉速、泵出燃油的壓力和流量）也會發生變化。當飛機地面滑行時，發動機工作在慢車轉速下，需油量最小，燃油泵功率最小，即此時燃油泵轉速最小、承受的油液扭矩也最小;相反，當飛機最大功率起飛時，發動機在最大轉速下工作，需油量最大，燃油泵功率最大，即此時燃油泵轉速最大、承受的油液扭矩也最大。本文作者選取發動機慢車至最大起飛工作狀態之間的若干工況下，兩級燃油泵轉動部件的離心力、油液扭矩載荷作為結構含預應力振動特性計算的初始條件。

2.6管路頻率計算與調頻分析

與原金屬管路固有頻率對比可知，增加金屬軟管管路的各階頻率均低于原管路，說明金屬軟管降低管路的剛度，使管路的固有頻率明顯下降;且隨著階次的升高，頻率差值不斷增大。根據標準，帶金屬軟管的管路1、2階及6～9階頻率均在危險范圍內。為使改制后的帶金屬軟管的管路避開危險范圍的頻率，對管路進行調頻設計。對管路調頻時常用方法有調整管路的幾何參數、增加卡箍及調整卡箍位置。由于關系工程實際問題，該管路走向是復雜的三維空間，是根據在發動機上的位置、受限空間等進行鋪敷，金屬鋼管的壁厚、直徑、彎曲半徑、轉角角度等尺寸參數無法再做比較大的調整，只能通過增加卡箍及調整卡箍位置進行調頻。該管路彎管集中在管路右端，各彎管段較短且遠離發動機機匣，無法增加卡箍，因此只能在左端的直線段增加卡箍。該發動機管路使用的卡箍為彈性支承卡箍，用彈性卡箍并墊聚四氟乙烯襯套，固定在彈性支架上，其特點是既能對導管起到支承作用，又具有減振阻尼效果，支承剛度為2×105 N·m。由于卡箍的體積、質量相對于管路都十分小，對于彈性卡箍，可以采用彈簧單元模擬其力學特征。在已有的有限元模型基礎上，將彈簧單元添加在卡箍安裝位置處的節點。為保證周向剛度均勻，一個卡箍采用2個彈簧單元進行模擬。

結語

航空發動機振動故障診斷技術是多學科知識的綜合運用，在實際運用中，為了準確監測和分析發動機的振動特性，有效地診斷并預測發動機的振動故障，必須結合具體對象、目的和要求，選取合理適用的測試系統和處理方法。發展綜合振動故障診斷技術，開展振動故障機理研究，是獲得滿意的監測和診斷效果的有效途徑。

參考文獻

[1]劉長福，鄧明.航空發動機結構分析[M].西安：西北工業大學出版社，2006.

[2]廉筱純，吳虎.航空發動機原理[M].西安：西北工業大學出版社，2005.