航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子早期裂紋故障振動特征的維譜分析

王艷豐，朱靖，滕光蓉，梁恩波

(中國燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703)

摘要：針對航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子早期裂紋故障難以檢測的特點首先，根據(jù)轉(zhuǎn)子裂紋擴(kuò)展機(jī)理，建立早期裂紋轉(zhuǎn)子振動分析理論模型，提出利用維譜對早期裂紋振動信號進(jìn)行分析。然后，利用維譜分析法對早期裂紋轉(zhuǎn)子理論模型和早期裂紋轉(zhuǎn)子故障實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了具體分析。理論模型和實驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果都表明：應(yīng)用維譜對實際發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子早期裂紋故障信號進(jìn)行分析，不僅能夠得到一般頻譜分析法難以獲得的故障特征頻率，還能對混疊噪聲信號進(jìn)行降噪。因此，維譜能夠有效的診斷航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子裂紋故障，在航空發(fā)動機(jī)故障診斷中具有一定的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子；裂紋故障；理論模型；振動信號；維譜

中圖分類號:TN911.7文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

基金項目：國家自然科學(xué)基金(51178211)

收稿日期：2013-09-03修改稿收到日期：2013-12-29

基金項目：國家自然科學(xué)

收稿日期：2013-10-09修改稿收到日期：2014-01-09

WANG Yan-feng, ZHU Jing, TENG Guang-rong, LIANG En-bo(ChinaGasTuibineEstablishment,Sichuan621703,China)

Abstract:Based on crack propagation theory, a mathematical model of early cracked rotor vibration characteristics was established.-dimension spectrum was applied to analyse the model and the test data from a real early cracked rotor.-dimension spectrum is efficient for fault signal analysis of early cracked rotors. Through the analysis, the fault frequency which is usually hard to acquire is obtained, and the noise in contaminated signals is also reduced.-dimension spectrum shows effective properties in vibration monitoring, especially in early fault diagnosis and data analysis of aero engines.

航空發(fā)動機(jī)在工作過程中要承受高溫、高壓、突變載荷等外界條件的影響，其轉(zhuǎn)子很容易出現(xiàn)裂紋故障。若轉(zhuǎn)子處于早期裂紋故障狀態(tài)或者裂紋信號淹沒在噪聲中時，故障特征非常隱蔽，難以直觀發(fā)現(xiàn)，裂紋便會在交變載荷等作用下不斷擴(kuò)展，最終將導(dǎo)致發(fā)動機(jī)出現(xiàn)非常嚴(yán)重的故障。因此，及時準(zhǔn)確地對轉(zhuǎn)子的早期裂紋進(jìn)行檢測和診斷，可以防止轉(zhuǎn)子突然斷裂所引發(fā)的災(zāi)難性事故[1-3]。如今，研究發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子早期裂紋故障振動特征，探究有效的早期裂紋故障檢測和診斷方法也越來越受重視。然而，當(dāng)發(fā)動機(jī)在運行時，必然產(chǎn)生很強(qiáng)的噪聲信號，將有用的振源信號淹沒，若采用一般頻譜分析方法來檢測和診斷轉(zhuǎn)子裂紋故障非常困難。同時，安裝在外部機(jī)匣的振動傳感器所獲取的振動信號是轉(zhuǎn)子、機(jī)匣、噪聲和傳遞路徑振動等的混疊信號，不能直接、準(zhǔn)確地反映源信號特征。因此，要準(zhǔn)確判斷發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)、診斷轉(zhuǎn)子裂紋故障，必須對混疊的振動信號進(jìn)行噪聲抑制和故障特征識別。

1航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子早期裂紋故障振動特征

1.1轉(zhuǎn)子裂紋擴(kuò)展機(jī)理分析

裂紋轉(zhuǎn)子在持續(xù)工作過程中，仍然會承受著轉(zhuǎn)子振動和重力等因素的影響，因此裂紋轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中可能出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展，這種情況下的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)可認(rèn)為是剛度變化的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。裂紋擴(kuò)展過程可分為裂紋萌生、裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展、裂紋的穩(wěn)定擴(kuò)展至斷裂三個階段[7]。當(dāng)裂紋完全處于轉(zhuǎn)軸拉伸側(cè)時，裂紋完全張開；當(dāng)裂紋完全處于轉(zhuǎn)軸壓縮側(cè)時，裂紋完全閉合；其間裂紋處于半閉半開狀態(tài)。若轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，那么裂紋開閉循環(huán)一次，剛度呈現(xiàn)周期性變化，轉(zhuǎn)子的振動特性便會隨之改變。航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子裂紋擴(kuò)展初期(早期裂紋狀態(tài))具有以下振動特征：

(1)早期裂紋轉(zhuǎn)子的振動故障信號非常微弱，且常被噪聲信號所淹沒；

(2)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)存在裂紋后，便會有扭轉(zhuǎn)振動、彎曲振動，甚至?xí)a(chǎn)生渦輪盤振動，其振動狀態(tài)極其復(fù)雜；

(3)早期裂紋造成劇烈的顯微開裂紋會引起轉(zhuǎn)子的自激振動，并可能具有穩(wěn)定的周期，進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子不平衡[1]；

(4)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生裂紋后，在起飛加速過程中，容易產(chǎn)生喘振現(xiàn)象，還可能出現(xiàn)高次諧波和次諧波的振動，甚至出現(xiàn)類似周期振動[1]；

(5)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)早期裂紋后，振動表現(xiàn)出非線性現(xiàn)象，且存在轉(zhuǎn)子的二次、三次、四次和更高次的簡諧分量，當(dāng)轉(zhuǎn)子升速或者降速時，會出現(xiàn)臨界頻率的分?jǐn)?shù)次共振，且在非共振區(qū)出現(xiàn)相位變化。

圖1　裂紋轉(zhuǎn)子坐標(biāo)示意圖 Fig.1 The sketch map of coordinate on crack rotor

1.2早期裂紋轉(zhuǎn)子振動分析的理論模型

航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子在振動不劇烈的情況下，可認(rèn)為轉(zhuǎn)子在裂紋處是完全彈性形變的。根據(jù)轉(zhuǎn)子裂紋擴(kuò)展機(jī)理和航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子早期裂紋狀態(tài)下的振動特征，對一個質(zhì)量為m，如圖1所示的裂紋轉(zhuǎn)子模型進(jìn)行理論分析，可建立如式(1)所示的裂紋轉(zhuǎn)子動力學(xué)方程[8-9]：

式中:c為阻尼；ω為轉(zhuǎn)速；e為質(zhì)量偏心，β為質(zhì)量偏心的相對相角，也稱裂紋角。

裂紋轉(zhuǎn)子在固定坐標(biāo)系中的剛度矩陣為：

(2)

式中k0是無裂紋時的剛度，Δkξ為裂紋轉(zhuǎn)子沿ξ方向的剛度變化量。

采用Gasch提出的描述裂紋開閉的周期函數(shù)f(θ)為：

n=0,±1,±2,…

(3)

其傅里葉級數(shù)表達(dá)式為：

(4)

在研究中通常只考慮該級數(shù)展開的前4項。

將剛度矩陣代入式(1)，則總體轉(zhuǎn)子運動方程為：

(5)

(6)

(7)

(8)

具體計算式如下:

X*(ω)[X(ω)*X(ω)]

(9)

圖2　淺裂紋時頻譜圖 Fig.2 Spectrum of shallow crack rotor

圖3　淺裂紋時1 維譜圖 Fig.3 1 -Dimension Spectrum of shallow crack rotor

圖4　深裂紋時頻譜圖 Fig.4 Spectrum of deep crack rotor

圖5　深裂紋時1 維譜圖 Fig.5 1 -Dimension Spectrum of deep crack rotor

3.2裂紋轉(zhuǎn)子振動實驗數(shù)據(jù)分析

航空發(fā)動機(jī)是復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，對其轉(zhuǎn)子進(jìn)行振動測試與分析，往往是通過安裝在機(jī)匣上的振動傳感器測量振動信息。由于航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速高，空氣流量大，試車時，旋轉(zhuǎn)噪聲，燃燒噪聲，氣動噪聲，螺旋槳噪聲等多種聲源合成從幾十到幾千赫茲的寬帶噪聲。這種寬帶噪聲信號與轉(zhuǎn)子源信號、故障源信號混疊一起。因此傳感器測得振動信號是一種混疊噪聲的信號，要分析振動信號就一定要對其噪聲信號進(jìn)行抑制。

3.2.1模擬轉(zhuǎn)子裂紋故障振動實驗數(shù)據(jù)分析

根據(jù)航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和工作原理，在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子試驗臺上搭建一個裂紋轉(zhuǎn)子振動故障試驗研究系統(tǒng)。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)主要包括轉(zhuǎn)軸、聯(lián)軸器、葉盤和支承座，在轉(zhuǎn)軸中心的水平截面和垂直截面分別安裝一只電渦流振動位移傳感器。轉(zhuǎn)子早期裂紋信號經(jīng)傳感器輸入到相應(yīng)的采集分析系統(tǒng)，其信號采樣頻率12.8kHz/s。裂紋模擬轉(zhuǎn)子試驗系統(tǒng)框圖如圖6所示，裂紋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)實圖如圖7所示。

圖6　模擬轉(zhuǎn)子實驗臺布置 Fig.6 Test rig and date acquisition equipment of analog rotor

圖7　模擬轉(zhuǎn)子系統(tǒng)實圖 Fig.7 Measurement system of analog rotor

根據(jù)發(fā)動機(jī)的工作原理，將模擬轉(zhuǎn)子系統(tǒng)從零轉(zhuǎn)速逐漸升速到最大轉(zhuǎn)速(14 000r/min)后降速停車。其試驗分兩個階段，第一階段試驗中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸為正常軸(轉(zhuǎn)軸上無裂紋存在)，第二階段試驗中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸被開鑿了一個2.4mm深度的裂紋(淺裂紋)。對兩階段中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為9 750r/min時，轉(zhuǎn)軸中心水平截面位移傳感器采集的振動數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖8　無裂紋時水平截面的振動頻譜圖 Fig.8 Vibration spectrum of a good rotor’s horizontal

圖9　無裂紋時水平截面的1 維譜 Fig.9 1 -Dimension Spectrum of a good rotor’s horizontal

圖10　有裂紋時水平截面的振動頻譜圖 Fig.10 Vibration spectrum of a crack rotor’s horizontal

圖11　有裂紋時水平截面的1 維譜 Fig.11 1 -Dimension Spectrum of a crack rotor’s horizontal

3.2.2整機(jī)轉(zhuǎn)子裂紋故障振動實驗數(shù)據(jù)分析

圖12是該型渦噴發(fā)動機(jī)在物理轉(zhuǎn)速38436r/min下進(jìn)行轉(zhuǎn)子裂紋擴(kuò)展試驗時，渦輪水平端的時域波形圖。從圖12中可以看出，當(dāng)發(fā)動機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子存在裂紋時，其產(chǎn)生了幅值較大的沖擊振動信號，但這些沖擊信號淹沒在噪聲中，僅從時域上很難分析振動情況。圖13是圖12信號的頻譜圖，從圖中可以看出，轉(zhuǎn)子頻率(640.6Hz)，轉(zhuǎn)子。

圖12　渦輪水平端振動時域波形 Fig.12 Vibration of a turbine rotor’s horizontal

圖13　渦輪水平端頻譜圖 Fig.13 Spectrum of a turbine rotor’s horizontal

圖14　渦輪水平端1 維譜 Fig.14 1 -Dimension Spectrum of a turbine rotor’s horizontal

4結(jié)論

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第一作者杜永峰男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，1962年3月生

第一作者王鋒男，博士，副研究員，1976年6月生