航空發(fā)動機(jī)整機(jī)振動典型故障分析

鄭旭東，張連祥

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機(jī)設(shè)計研究所，沈陽 110015）

0 引言

整機(jī)振動歷來是航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)設(shè)計、制造加工和使用中的重大問題，多數(shù)發(fā)動機(jī)在研制過程中都經(jīng)歷過。有的發(fā)動機(jī)在研制中時常受到振動問題的困擾，其振動超標(biāo)臺次比例占總試驗臺次的1/4～1/3，從而影響發(fā)動機(jī)調(diào)試工作的進(jìn)展；有的發(fā)動機(jī)在交付使用后，因振動偏大造成的返廠率達(dá)5%左右。振動的存在降低了可靠性，威脅使用安全，同時帶來一定的經(jīng)濟(jì)損失。

整機(jī)振動故障產(chǎn)生的原因很復(fù)雜，多是各種綜合因素共同作用的結(jié)果。因此，弄清整機(jī)振動的規(guī)律，確定發(fā)生振動故障的原因，尋求解決振動偏大故障的有效措施，是航空發(fā)動機(jī)振動理論和工程應(yīng)用研究人員面臨的重要任務(wù)。

本文闡述了航空發(fā)動機(jī)整機(jī)振動的典型故障，分析了故障產(chǎn)生的機(jī)理和原因，提出了解決故障所采取的措施。

1 轉(zhuǎn)子熱彎曲引發(fā)的振動故障

國內(nèi)外航空發(fā)動機(jī)研制部門非常重視對轉(zhuǎn)子熱起動問題的研究和驗證工作。美國空軍的渦輪發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)完整性大綱指出，從滿足飛機(jī)戰(zhàn)術(shù)要求來講，應(yīng)該將解決熱起動問題列入修改結(jié)構(gòu)或冷卻流路等日程,并已將研究撓曲轉(zhuǎn)子的起動問題列入新的設(shè)計和試驗中。

在某型航空發(fā)動機(jī)研制期間，曾多次發(fā)生轉(zhuǎn)子熱彎曲引起的振動偏大問題。其振動特點為在起動過程中振動突然增大多倍，存在1個相當(dāng)高的振動峰值，有時導(dǎo)致起動終止,有時引起壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片與機(jī)匣以及轉(zhuǎn)子封嚴(yán)篦齒與靜子葉片封嚴(yán)環(huán)之間嚴(yán)重碰摩，嚴(yán)重時，造成轉(zhuǎn)子葉尖多處掉角和出現(xiàn)裂紋等后果。

熱起動過程的轉(zhuǎn)子熱彎曲問題發(fā)生在發(fā)動機(jī)停車后，此時發(fā)動機(jī)工作溫度較高，葉片-輪盤-轉(zhuǎn)軸封閉在機(jī)匣內(nèi)，處于冷卻過程中。外界氣流不斷從進(jìn)口流向發(fā)動機(jī)內(nèi)。由于外界氣流溫度較低，發(fā)動機(jī)內(nèi)氣流溫度較高，熱氣流密度較小，向上浮動，冷氣流密度較大，向下流動。因此，轉(zhuǎn)子周圍溫度分布不均，上部變熱，下部變冷。在溫度載荷作用下，轉(zhuǎn)子上、下部膨脹量不同，以至發(fā)生彎曲變形。溫差越大，彎曲變形程度越大，從而產(chǎn)生很大的不平衡量，引發(fā)較大的外傳振動。

大量試車數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析表明，在熱起動過程中的振動響應(yīng)不僅與熱起動前的停車時間間隔有關(guān)，同時與發(fā)動機(jī)前次試車的工作時間和達(dá)到的工作狀態(tài)有關(guān)。如果前次試車工作狀態(tài)較高，在高狀態(tài)下工作時間較長，表明發(fā)動機(jī)已經(jīng)熱透，轉(zhuǎn)、靜子間隙處于良好狀態(tài)，在熱起動過程中不會發(fā)生轉(zhuǎn)、靜子碰摩，外傳振動不會增大。如果前次試車工作狀態(tài)較低，在高狀態(tài)下工作時間較短，即表明發(fā)動機(jī)沒有熱透，在熱起動過程中則會發(fā)生轉(zhuǎn)、靜子碰摩，外傳振動響應(yīng)會增大，比已熱透發(fā)動機(jī)的大20%～50%。實踐表明，為避免在熱起動過程中出現(xiàn)較大的振動響應(yīng)，設(shè)計時，應(yīng)綜合考慮各種因素，合理確定發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)、靜子間隙，并設(shè)計具有一定程度彎曲的平動或俯仰型臨界轉(zhuǎn)速，距離慢車轉(zhuǎn)速留有足夠的裕度。使用時，對于具有較強(qiáng)熱彎曲的轉(zhuǎn)子，在一定的停車時間間隔范圍內(nèi)進(jìn)行再次熱起動，以避免發(fā)生轉(zhuǎn)子熱彎曲現(xiàn)象。

某型發(fā)動機(jī)在不同起動條件下整機(jī)振動測試結(jié)果如圖1所示。從圖中可見，在冷起動過程中發(fā)動機(jī)振動很小，最大振動值為7 mm/s；停車46 min后再次起動，最大振動值達(dá)100 mm/s左右。如果在再起動前進(jìn)行1次冷運轉(zhuǎn)，停車后46 min再次起動，最大振動值為17 mm/s左右。說明在再起動前進(jìn)行1次冷運轉(zhuǎn)，可以明顯改善發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲引發(fā)的振動響應(yīng)。

2 轉(zhuǎn)、靜子碰摩引發(fā)的振動故障

對于航空發(fā)動機(jī)而言，在不斷提高推重比及提高作為主要循環(huán)參數(shù)的工作介質(zhì)溫度和工作壓力情況下，對轉(zhuǎn)、靜子封嚴(yán)間隙提出了越來越高的要求，使得在工程上解決整機(jī)振動問題越來越困難。加大轉(zhuǎn)、靜子間隙，勢必影響發(fā)動機(jī)的效率和推力等；而縮小轉(zhuǎn)、靜子間隙，可能帶來由于轉(zhuǎn)、靜子碰摩引發(fā)的部件或整機(jī)振動問題。

在某型航空發(fā)動機(jī)整機(jī)調(diào)試期間，曾發(fā)生與瞬態(tài)溫度場有關(guān)的振動偏大故障，對該振動故障分析表明：

（1）根據(jù)振動測量和頻譜分析結(jié)果，認(rèn)為振動值較大時，主要表現(xiàn)在高壓轉(zhuǎn)子1倍頻率分量較大，并有一定量值的高壓轉(zhuǎn)子2倍頻率分量，而低壓轉(zhuǎn)子1倍頻率分量相當(dāng)小。故發(fā)動機(jī)振動偏大故障原因主要來自于高壓轉(zhuǎn)子。

（2）在“充分暖機(jī)”后，在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)下，其振動值均較小，遠(yuǎn)小于振動限制值（為振動限制值的1/5～1/3），即使在最高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，振動值也很小。說明該振動故障不是由于轉(zhuǎn)子不平衡量較大引起的。

（3）在“充分暖機(jī)”后，其振動值均較小。僅在油門桿上推過程中，某一轉(zhuǎn)速出現(xiàn)振動峰值，而在油門桿下拉過程中，不出現(xiàn)振動峰值。說明該振動故障不是轉(zhuǎn)子共振或出現(xiàn)臨界轉(zhuǎn)速所造成的。

（4）認(rèn)為該振動故障主要與發(fā)動機(jī)的溫度場和工作轉(zhuǎn)速有關(guān)。即在發(fā)動機(jī)處于某一狀態(tài)下，在轉(zhuǎn)、靜子最小封嚴(yán)間隙部位，轉(zhuǎn)子熱變形和離心變形較大，而靜子熱變形較小，容易消除轉(zhuǎn)、靜子最小封嚴(yán)處間隙，以至發(fā)生碰摩。涂層較薄的封嚴(yán)件的涂層被磨光后，就會發(fā)生金屬機(jī)體的“硬碰硬”磨損，從而產(chǎn)生較大的振動，一旦轉(zhuǎn)、靜子最小間隙處從接觸到脫開，振動值便遽然減小。

針對該振動故障，將發(fā)動機(jī)分解后普查轉(zhuǎn)、靜子碰摩部位，對碰摩較為嚴(yán)重處加大局部間隙后，振動峰值明顯減小，且出現(xiàn)振動峰值的轉(zhuǎn)速減小，峰值駐留時間變短。該排故措施取得明顯效果。振動偏大故障排除前、后的振動變化如圖2、3所示。

圖3 振動故障排除后參數(shù)變化曲線

3 甩油孔位置不當(dāng)引發(fā)的自激振動故障

自激振動和失穩(wěn)雖不經(jīng)常發(fā)生，但一旦發(fā)生就易引發(fā)嚴(yán)重故障。因此，在設(shè)計和加工制造階段應(yīng)避免引發(fā)自激振動。但是，由于對自激振動失穩(wěn)的機(jī)理了解得不夠清楚，欲做到準(zhǔn)確預(yù)估，防患于未然，還存在相當(dāng)大困難。在某型航空發(fā)動機(jī)研制階段，曾發(fā)生1起甩油孔位置不正確引發(fā)的自激振動故障。該發(fā)動機(jī)歷經(jīng)3次上下臺裝配、地面試驗和分解，共試車50余次。在試車起動過程接近慢車轉(zhuǎn)速時或在慢車轉(zhuǎn)速停留一定時間（最短5 s，最長2 min），出現(xiàn)異常響聲，并伴隨振動突然增大現(xiàn)象，有時從噴口處有火星噴出。分解后發(fā)現(xiàn)故障主要集中在壓氣機(jī)前支點附近的轉(zhuǎn)子和靜子件。壓氣機(jī)各級轉(zhuǎn)子葉片葉尖磨損嚴(yán)重，最大磨損量約1 mm；轉(zhuǎn)子鼓筒內(nèi)有較多積油；壓氣機(jī)前支點石墨跑道與外環(huán)相摩；前支點軸承鎖緊螺母松動，鎖緊螺母鎖片被剪斷。

試車過程中的振動3維分析如圖4所示。從圖中明顯可見，存在1個基本不變或稍微變化的振動頻率（156～160 Hz），不隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速頻率變化而變化。在慢車轉(zhuǎn)速附近，該頻率對應(yīng)的幅值突然增大。發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)較低，工作時間很短，但將發(fā)動機(jī)分解后發(fā)現(xiàn)故障相當(dāng)嚴(yán)重，說明振動能量很大。分析認(rèn)為該振動故障不是一般的共振，也不是通常的強(qiáng)迫振動，而是比較典型的非同步自激振動。

圖4 轉(zhuǎn)子振動3維分析

該振動故障的機(jī)理：在發(fā)動機(jī)改裝時，為適應(yīng)工藝要求，在壓氣機(jī)前軸頸修改設(shè)計過程中，將內(nèi)孔積油槽處的2個斜向甩油孔（5（a））改為直向甩油孔（圖5（b）），且改變了位置，如圖5所示。從圖中可見，甩油孔偏離了內(nèi)腔集油槽的最低點。在發(fā)動機(jī)工作時，如出現(xiàn)滑油泄漏情況，滑油流入壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)腔時，致使內(nèi)腔積油甩不出來。同時，由于裝配時，空氣導(dǎo)管與前軸頸的密封膠圈損傷，發(fā)生滑油泄漏，使壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)腔積存滑油，在轉(zhuǎn)子不平衡力作用下，作正同步進(jìn)動時，積油被甩向遠(yuǎn)離中心的一側(cè)，使不平衡量加大，不至引起自激振動。但當(dāng)偶然出現(xiàn)次同步進(jìn)動時，因轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速ω大于公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速Ω，在液體的黏性作用下，轉(zhuǎn)子中的積油被轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)帶動向前方轉(zhuǎn)動，使得積油質(zhì)心位置總是超前于轉(zhuǎn)子振動方向1個角度φ，如圖6所示。積油除被轉(zhuǎn)子帶著作正進(jìn)動之外，因液體黏性被轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)帶動有向前的速度，使得積液的慣性力方向不通過軸承中心連線，而是與OO'相交于O點上方。積液慣性力的分力Pt對轉(zhuǎn)子是1種自激力，促使轉(zhuǎn)子繼續(xù)保持并發(fā)展次同步進(jìn)動，嚴(yán)重時會導(dǎo)致壓氣機(jī)失穩(wěn)，失穩(wěn)開始時的頻率與轉(zhuǎn)速頻率比為0.5～1.0。

圖5 甩油孔結(jié)構(gòu)變化

圖6 轉(zhuǎn)子內(nèi)腔積液引起自激力分析

4 結(jié)束語

發(fā)動機(jī)再次裝配時，恢復(fù)原甩油孔位置，并將直向甩油孔改為斜向甩油孔，使壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)腔積油迅速排除，從而使發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)到最高狀態(tài)，再沒有發(fā)生異常響聲、振動突然變大以及結(jié)構(gòu)損壞等故障。驗證了該故障為甩油孔位置不當(dāng)引發(fā)的自激振動，同時表明排除該振動故障的措施是有效的。

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