機場環境對某型民用飛機輔助動力裝置振動的影響研究

呂金華，張發富，張強

(中國商用飛機有限責任公司 上海飛機設計研究院，上海 200120)

0 引言

目前我國航空事業的飛速發展，除了可直接為飛機提供動力的主發動機外，還涌現出以輔助動力裝置(auxiliary power unit,APU)為代表的各種新型航空動力裝置。從原理上來說，輔助動力裝置相當于一臺小型的燃氣渦輪發動機，主要功能有：地面起動主發動機、飛機地面運轉或維護時提供電源、為飛機環控系統提供壓縮空氣源、驅動飛機的液壓系統、空中停車時提供應急電源或起動主發動機等，其技術復雜程度與飛機主發動機相當。航空輔助動力裝置主要作用是給主發動機提供起動時所需要的功率，尤其當飛機的主發動機在高空運行時發生故障，航空輔助動力裝置能夠提供主發動機快速起動所必需的液壓、電源等輔助能源，有力地保障了飛機的飛行安全[1-2]。

對于航空輔助動力裝置而言，振動是一個非常重要的監控參數，振動信號的大小可以反映出航空輔助動力裝置運行情況的好壞。在工程應用中，航空輔助動力裝置絕大部分故障的產生首先都是因為發生了振動故障。振動異常除了會使零件損壞之外，還透露了航空輔助動力裝置中潛在故障的信息，如不及時加以檢查、排除，就有造成嚴重惡果的可能[3]。輔助動力裝置振動不僅與其本身轉子設計有關，還受到其使用環境如溫度、側風等因素的影響。

國外主機供應商如霍尼韋爾通過環境模擬試驗研究溫度、海拔高度等環境因素對輔助動力裝置振動的影響，但是由于各國對航空輔助動力裝置的振動研究還處于保密階段，相應的技術文獻資料較少。目前國內主要通過仿真分析環境因素對航空發動機轉子振動的影響，如艾書民通過熱-結構耦合模型研究溫度場對轉子系統振動特性的影響[4-5]，但是缺少試驗研究。本文通過實機地面試驗研究機場風向、溫度對輔助動力裝置振動能量的影響。

1 傳感器布置

本文采用在輔助動力裝置機匣布置壓電加速度計的方式測量輔助動力裝置的振動。根據某型輔助動力裝置結構，在其齒輪箱頂部加裝3個加速度計以測量前軸承處轉子軸向、垂向和側向的振動。由于空間位置的限制，在渦輪機匣上部只能布置1個加速度計，以測量后軸承處轉子徑向的振動[6]。

加速度計采樣率為8192Hz，滿足Shannon采樣定理，可以有效采集輔助動力裝置的振動數據[7]。

2 振動數據處理

機械振動可以用振動位移、速度、加速度3個互相關聯的參數表示，其中速度反映物體的振動能量，加速度反映物體的振動慣性力[8]。本文使用振動速度方均根值(有效值VRMS)反映輔助動力裝置的振動能量，同時使用輔助動力裝置工作轉速下的加速度值反映輔助動力裝置的轉子激振力。

2.1 振動速度有效值

振動速度有效值VRMS為速度對時間的平均，計算公式如式(1)所示，其數值大小可以恰當地評價轉子的平衡質量和運轉狀態的好壞。

(1)

式中：VRMS為振動速度有效值；Vi為每個采樣點的振動速度；n為每0.1s的采樣點數[9]。

2.2 傅里葉變換

基于傅里葉變換的頻域分析是目前比較成熟且使用最廣泛的航空發動機振動信號處理方法，可以將復雜的非平穩時域信號轉換為穩定和清晰的頻域信號。對于時域信號x(t)，若x(t)滿足狄氏條件，在(-∞，+∞)上可積，則x(t)的傅里葉變換為

(2)

式中:F(ω)為傅里葉變換后的頻域信號；x(t)為振動時域信號[10]。

2.3 振動數據處理流程

本文對加速度傳感器采集得到的振動信號處理流程如圖1所示。

圖1 振動信號處理流程

在計算振動速度有效值之前需要先對加速度傳感器采集的原始信號進行低通濾波、數值積分以及高通濾波處理。低通濾波保留2500Hz以下的振動信號，是為了避免高頻噪聲的影響。離散數值積分的目的是將加速度信號轉換為速度信號。高通濾波是為了消除離散數值積分引起的低頻噪聲。本文關心的是轉子激振力，轉子激振力由轉子運動引起，主要成分為轉子工作轉速下的力。所以本文在傅里葉變換后，需根據輔助動力裝置每秒的平均轉速選取此轉速對應的加速度值。

齒輪箱軸向、垂向、側向和渦輪機匣徑向振動大小各不相同，絕對值無法有效、準確反映機場風向、溫度對輔助動力裝置各處振動的影響。因此本文用每個加速度傳感器在不同風向(溫度)下的最大振動值進行歸一化處理。

3 機場風向對振動的影響

3.1 機場風向對振動能量的影響

假設飛機逆風，且機場風向與飛機軸線完全平行時為0°。在某型號飛機輔助動力裝置的齒輪箱和渦輪機匣上分別安裝振動傳感器，在錫林浩特機場將飛機分別放置在與機場風向成90°、180°和270°的位置上，如圖2所示。空載運行輔助動力裝置2min，測量其振動情況，重復進行2次試驗，取2次試驗的平均值。

圖2 飛機與機場風向相對位置

對于采集的振動數據按圖1方法處理后得到輔助動力裝置在不同機場風向下的振動速度有效值，如圖3所示。從圖中可以看出，齒輪箱軸向振動速度有效值在順風180°下最大，在90°側風下最小，兩者振動均值相差27.2%；齒輪箱側向振動速度有效值也是在順風180°下最大，在90°側風和270°側風下的差異很小，振動均值相差最大為9.3%。齒輪箱垂向振動和渦輪機匣徑向振動在180°順風、90°側風和270°側風下差異較小，振動均值相差最大僅為4.2%。因此，輔助動力裝置在順風下的振動能量最大，在90°側風、270°側風下除了齒輪箱軸向振動能量差異明顯外，其余3個方向振動能量差異很小。這可能與輔助動力裝置的進氣畸變有關，本文所測試的輔助動力裝置布置在飛機尾部中軸線附近，因此90°側風和270°側風下進氣畸變差異很小，但是在順風下，輔助動力裝置進氣會受到進氣風門的阻擋，容易導致進氣畸變的變大。

圖3 輔助動力裝置在不同機場風向下的振動速度有效值

3.2 機場風向對轉子激振力的影響

輔助動力裝置在不同機場風向下的轉子頻率對應的加速度值如圖4所示。從圖中可以看出，對于齒輪箱軸向振動，順風180°下的加速度值最大，側風90°下的加速度值最小，加速度平均值相差58%；對于齒輪箱側向振動，在，側風90°下的加速度值最大，側風270°下的加速度值最小，平均值相差27%；對于齒輪箱垂向振動和渦輪機匣徑向振動，兩者都是側風90°下的加速度值最大，順風180°下的加速度值最小，加速度平均值最大相差33%。因此本文輔助動力裝置的軸向激振力在順風下較大，在徑向激振力在側風下較大。這說明輔助動力裝置轉子振動可能受到了同方向尾椎運動的影響。

圖4 輔助動力裝置在不同機場風向下的振動加速度

4 機場溫度對振動的影響

4.1 機場溫度對振動能量的影響

在某型號飛機輔助動力裝置的齒輪箱和渦輪機匣上安裝振動傳感器，在吐魯番機場高溫(35℃±5℃)環境、敦煌機場常溫環境(10℃±5℃)、西安環境實驗室低溫環境(-10℃±5℃)下，分別空載運行輔助動力裝置2 min，測量其振動情況，重復進行2次試驗，取2次試驗的平均值。

輔助動力裝置在不同溫度下的振動速度有效值如圖5所示。從圖中可以看出：齒輪箱軸向、垂向、側向和渦輪機匣徑向振動速度有效值都是在高溫下最大，在低溫下最小；齒輪箱側向振動速度有效值的平均值相差最大為46.8%，渦輪機匣徑向振動速度有效值的平均值相差最小為29%。因此，在-10℃～35℃范圍內，輔助動力裝置的振動能量隨著溫度升高而增大。

圖5 輔助動力裝置在不同機場溫度下的振動速度有效值

4.2 機場溫度對轉子激振力的影響

輔助動力裝置在不同溫度下轉子頻率對應的加速度值如圖6所示。從圖中可以看出：對于齒輪箱軸向振動，高溫下的加速度最大，常溫下的加速度平均值僅比低溫下的加速度平均值大0.006%；對于渦輪機匣徑向振動，常溫下的加速度最大，低溫下的加速度最小，兩者加速度平均值相差48%；對于齒輪箱垂向、側向振動，都是高溫下的加速度最大，低溫下的加速度最小，兩者加速度平均值相差最大為64%。因此，在-10℃～35℃范圍內，輔助動力裝置在前軸承的轉子激振力隨著溫度升高逐漸增大，在后軸承處的轉子激振力在常溫下最大，在低溫下最小。

圖6 輔助動力裝置在不同機場溫度下的振動加速度

輔助動力裝置的振動能量和激振力在高溫下較大，在低溫下最小，這可能與輔助動力裝置通風冷卻有關。在高溫下，輔助動力裝置散熱效果差，易導致轉子軸承間隙、轉子與機匣間的間隙減小，進而導致振動變大。

5 結語

本文基于實機地面試驗研究機場復雜環境對某型輔助動力裝置振動的影響，得出如下結論：

1) 輔助動力裝置在順風下的振動能量最大，在90°側風、270°側風下除了齒輪箱軸向振動能量差異明顯外，其余3個方向的振動能量差異很小，這可能與輔助動力裝置的進氣畸變有關；

2) 輔助動力裝置軸向轉子激振力在順風下較大，徑向轉子激振力在側風下較大，這說明輔助動力裝置轉子振動可能受到尾椎運動的影響；

3) 在-10℃～35℃范圍內，輔助動力裝置的振動能量和激振力在高溫下較大，在低溫下最小，這可能與輔助動力裝置通風冷卻有關。

由于試驗條件的限制，本文僅針對1種型號的輔助動力裝置進行研究，風向角度只選擇3個極端值，低溫值也遠未達到我國某些機場冬天的極端溫度。因此若想將本文結論推廣，還需做進一步的研究。同時本文僅通過試驗得出機場風向、溫度對輔助動力裝置振動的影響，但對于其內部機理仍需做進一步分析研究。