某航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸流葉輪葉片變形故障分析

吳桂嬌，何劉海，劉杰薇，高　粱

（1.中國(guó)航空動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002；2.航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 株洲 412002）

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某航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸流葉輪葉片變形故障分析

吳桂嬌1，2，何劉海1，劉杰薇1，高粱1

（1.中國(guó)航空動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002；2.航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 株洲 412002）

某航空發(fā)動(dòng)機(jī)在地面試驗(yàn)中出現(xiàn)效率下降且伴有嘯叫聲的異?，F(xiàn)象。根據(jù)對(duì)所測(cè)振動(dòng)、噪聲信號(hào)的詳細(xì)分析，成功判斷出該發(fā)動(dòng)機(jī)第一級(jí)軸流葉輪葉片發(fā)生變形。國(guó)內(nèi)外對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片發(fā)生變形故障時(shí)的噪聲數(shù)據(jù)研究較少，通過(guò)對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)故障的詳細(xì)分析，得到轉(zhuǎn)子葉片發(fā)生變形故障時(shí)噪聲頻譜的特征，為轉(zhuǎn)子葉片變形故障的準(zhǔn)確判斷提供依據(jù)。

振動(dòng)與波；航空發(fā)動(dòng)機(jī)；振動(dòng)測(cè)試；噪聲測(cè)試；葉片變形；頻譜特征

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片是發(fā)動(dòng)機(jī)最關(guān)鍵的零件之一，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)諸多性能參數(shù)具有直接影響。文獻(xiàn)［1］對(duì)國(guó)內(nèi)外近二十年來(lái)的多起航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障案例進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，其中葉片故障率占到了44.3%。為保障飛機(jī)的安全飛行，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片故障現(xiàn)象的研究及排除具有重要意義。

某航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行高空低溫性能試驗(yàn)時(shí)性能數(shù)據(jù)下降，將該發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)至地面試驗(yàn)，其性能未見(jiàn)好轉(zhuǎn)，并且試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)出嘯叫聲。文中對(duì)所測(cè)振動(dòng)及噪聲信號(hào)進(jìn)行詳細(xì)分析，結(jié)合故障現(xiàn)象成功判斷出第1級(jí)軸流葉輪盤(pán)（以下稱(chēng)為1級(jí)盤(pán)）葉片發(fā)生了變形，并通過(guò)內(nèi)窺鏡檢測(cè)證實(shí)了判斷。

1　故障現(xiàn)象及振動(dòng)、噪聲分析

1.1故障現(xiàn)象

該航空發(fā)動(dòng)機(jī)是雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，即燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子和自由渦輪轉(zhuǎn)子，在地面調(diào)試試驗(yàn)時(shí)其各性能數(shù)據(jù)均正常，振動(dòng)及噪聲監(jiān)測(cè)也未發(fā)現(xiàn)異常。調(diào)試結(jié)束后，該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了高空低溫性能試驗(yàn)，由于高空低溫性能試驗(yàn)環(huán)境惡劣，未進(jìn)行噪聲測(cè)量。試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)該發(fā)動(dòng)機(jī)性能下降了5%，而所有振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的總量均在要求范圍內(nèi)且振動(dòng)響應(yīng)也沒(méi)有發(fā)生突變。為查清性能下降的原因，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)至常規(guī)車(chē)臺(tái)進(jìn)行地面驗(yàn)證試驗(yàn)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)行至N= 60%時(shí)突然發(fā)出嘯叫聲，且嘯叫聲一直持續(xù)。

1.2振動(dòng)分析

發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣振動(dòng)監(jiān)控位置為前、后承力機(jī)匣和附件機(jī)匣。其中主機(jī)匣即壓氣機(jī)機(jī)匣上布置有垂直、水平以及軸向共三個(gè)測(cè)點(diǎn)；中機(jī)匣布置垂直、水平共二個(gè)測(cè)點(diǎn)；渦輪機(jī)匣徑向225o、315o共二個(gè)測(cè)點(diǎn)；附件機(jī)匣垂直方向布置了一個(gè)測(cè)點(diǎn)。振動(dòng)測(cè)試儀器為CA-YD-107壓電式加速度傳感器、VIB2012A專(zhuān)用振動(dòng)測(cè)試儀、DEWE-211記錄分析儀。振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示。各測(cè)點(diǎn)代號(hào)見(jiàn)表1。

圖1　振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)組成框圖

地面驗(yàn)證試驗(yàn)轉(zhuǎn)速只到了最大轉(zhuǎn)速的88.2%，因此對(duì)該狀態(tài)下的兩次試驗(yàn)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析，分析結(jié)果見(jiàn)表2，頻譜圖見(jiàn)圖2—圖3。從分析結(jié)果和頻譜圖可知：

1）兩次試驗(yàn)主機(jī)匣測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)相對(duì)較大；

2）在驗(yàn)證試驗(yàn)中所有測(cè)點(diǎn)的轉(zhuǎn)子基頻振動(dòng)響應(yīng)都比調(diào)試試驗(yàn)時(shí)略有增大。

圖2　地面調(diào)試試驗(yàn)N=88.2%時(shí)各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)

圖3　地面驗(yàn)證試驗(yàn)N=88.2%時(shí)各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)

表1　發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)代號(hào)

表2　轉(zhuǎn)速N=88.2 ％工況下兩次試驗(yàn)的振動(dòng)響應(yīng)單位：mm/s

1.3噪 聲分析

噪聲測(cè)試儀器為B&K3560B采集儀、4980型電容傳聲器、分析軟件為B&K的PULSE噪聲分析軟件。將傳聲器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道一側(cè)，與發(fā)動(dòng)機(jī)軸線(xiàn)同高且成45o。測(cè)試系統(tǒng)見(jiàn)圖4。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲頻譜是在寬帶噪聲的基礎(chǔ)上疊加了一系列的離散聲。寬頻噪聲是由有隨機(jī)特性的葉片脈動(dòng)力所引起。離散噪聲主要指的是轉(zhuǎn)子葉片的旋轉(zhuǎn)噪聲，旋轉(zhuǎn)噪聲由工作葉輪上均勻分布的葉片打擊周?chē)臍怏w介質(zhì)，引起周?chē)鷼怏w的壓力脈動(dòng)而產(chǎn)生，在噪聲譜上表現(xiàn)為轉(zhuǎn)子葉片的通過(guò)頻率（BPF）［1，2］和它的各次諧波。該型發(fā)動(dòng)機(jī)是雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，所以葉片通過(guò)頻率為燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子各級(jí)葉輪葉片的通過(guò)頻率和自由渦輪轉(zhuǎn)子葉片的通過(guò)頻率。

在進(jìn)行地面驗(yàn)證試驗(yàn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在N=60%時(shí)出現(xiàn)了嘯叫聲，隨轉(zhuǎn)速上升一直持續(xù)，在前期的調(diào)試試驗(yàn)中并未出現(xiàn)這一現(xiàn)象。地面驗(yàn)證試驗(yàn)最大轉(zhuǎn)速只達(dá)到N=88.2%，因此對(duì)該狀態(tài)下的兩次試驗(yàn)的噪聲信號(hào)進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　轉(zhuǎn)速N=88.2%工況下兩次試驗(yàn)的總聲壓級(jí)及相關(guān)頻譜分量的噪聲幅值/dB

圖4噪聲測(cè)試系統(tǒng)

圖5為發(fā)動(dòng)機(jī)地面調(diào)試試驗(yàn)時(shí)的噪聲譜，圖6為發(fā)動(dòng)機(jī)地面驗(yàn)證性試驗(yàn)時(shí)的噪聲譜。

從表3及噪聲頻譜圖中可以看到：

1）驗(yàn)證試驗(yàn)的總聲壓級(jí)比調(diào)試試驗(yàn)時(shí)增大了4 dB；

2）驗(yàn)證試驗(yàn)中的燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子基頻噪聲幅值比調(diào)試試驗(yàn)時(shí)大了32.4 dB；

圖5　N=88.2%時(shí)地面調(diào)試試驗(yàn)噪聲頻譜圖

圖6　N=88.2%時(shí)地面驗(yàn)證試驗(yàn)噪聲頻譜圖

3）驗(yàn)證試驗(yàn)中1級(jí)盤(pán)BPF的噪聲幅值比調(diào)試試驗(yàn)時(shí)減小了9 dB；

4）驗(yàn)證試驗(yàn)中第2、3級(jí)盤(pán)BPF的噪聲幅值都有所增大（最大增大了12.7 dB）；

5）驗(yàn)證試驗(yàn)的噪聲譜出現(xiàn)了以燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子基頻和它的各次諧波分量為主的離散噪聲；

6）自由渦輪BPF噪聲幅值在兩次試驗(yàn)中差別不大。

2　故障分析及內(nèi)窺鏡檢測(cè)結(jié)果

2.1故障分析

通過(guò)前面的振動(dòng)及噪聲數(shù)據(jù)分析可以看出前后兩次試驗(yàn)振動(dòng)數(shù)據(jù)沒(méi)有明顯異樣，但噪聲數(shù)據(jù)卻有著很大差異。驗(yàn)證試驗(yàn)中的噪聲譜出現(xiàn)了以燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)頻和它的各次諧波分量為主的離散噪聲，且幅值都很大，所以懷疑這次故障與燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子有關(guān)。

葉片通過(guò)頻率噪聲幅值的大小與葉片負(fù)荷有著直接的關(guān)系［3］，在發(fā)動(dòng)機(jī)相同狀態(tài)中，葉片通過(guò)頻率噪聲幅值應(yīng)該沒(méi)有明顯差異。驗(yàn)證試驗(yàn)中的噪聲譜出現(xiàn)了以燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)頻和它的各次諧波分量為主的離散噪聲。燃?xì)獍l(fā)生器各級(jí)盤(pán)的BPF都是其轉(zhuǎn)頻的倍頻，它們的噪聲幅值在轉(zhuǎn)頻諧波的影響下應(yīng)增大或不變。從表3可以看到1級(jí)盤(pán)BPF的噪聲幅值明顯降低（下降9 dB），第2、3級(jí)盤(pán)以及燃?xì)鉁u輪BPF的噪聲幅值都有所增大（最大增大了12.7 dB）。因此1級(jí)盤(pán)BPF的噪聲幅值出現(xiàn)明顯異常，故懷疑1級(jí)盤(pán)葉片出現(xiàn)故障。

葉片的故障模式主要有三種：變形、裂紋和斷裂。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)、靜子葉片出現(xiàn)變形，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的氣流分離，使壓氣機(jī)效率降低，而振動(dòng)及噪聲方面的數(shù)據(jù)研究較少。航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片發(fā)生裂紋，裂紋葉片會(huì)與相對(duì)應(yīng)的機(jī)匣發(fā)生碰磨，從而造成機(jī)匣振動(dòng)變大，但鮮少聽(tīng)聞發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)發(fā)出嘯叫聲。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片斷裂是一種非常嚴(yán)重的故障，輕則發(fā)動(dòng)機(jī)嚴(yán)重失速機(jī)匣振動(dòng)突增，重則發(fā)動(dòng)機(jī)熄火停車(chē)。根據(jù)上面對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)、噪聲分析，懷疑發(fā)動(dòng)機(jī)1級(jí)盤(pán)葉片發(fā)生變形可能性較大。

2.2內(nèi)窺鏡檢測(cè)

為驗(yàn)證上面的推測(cè)進(jìn)行了內(nèi)窺鏡檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)1級(jí)盤(pán)有多個(gè)葉片變形，其葉片盤(pán)葉片均完好。變形部位呈離散分布，變形葉片受沖擊處及反沖擊對(duì)應(yīng)部位均未發(fā)現(xiàn)受固態(tài)非變形異物接觸痕跡，葉輪相對(duì)應(yīng)的機(jī)匣內(nèi)壁亦未發(fā)現(xiàn)明顯碰摩痕跡。發(fā)動(dòng)機(jī)其它轉(zhuǎn)、靜子件及其對(duì)應(yīng)流道部分均未發(fā)現(xiàn)異常。變形部位如圖7—圖8。

圖7　軸流葉片變形部位1

圖8　軸流葉片變形部位2

3　葉片變形故障原因分析

3.1可能產(chǎn)生異?，F(xiàn)象的因素

1）裝配、運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生意外

發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過(guò)程中，操作人員不慎將轉(zhuǎn)子葉片碰傷或運(yùn)輸過(guò)程中出現(xiàn)意外將轉(zhuǎn)子葉片損傷造成了一級(jí)軸流葉片變形。如果是上述原因，在該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行最初的地面試驗(yàn)時(shí)，性能數(shù)據(jù)就會(huì)有所下降且在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)出嘯叫聲，因此可以排除裝配、運(yùn)輸過(guò)程中的意外造成軸流轉(zhuǎn)子葉片變形的可能性。

2）轉(zhuǎn)動(dòng)件與靜子件碰磨

在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，由于轉(zhuǎn)動(dòng)件與靜子件的徑向間隙過(guò)小等原因造成轉(zhuǎn)動(dòng)件與靜子件碰磨，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子件變形、裂紋等。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)件與靜子件發(fā)生碰磨時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)匣振動(dòng)響應(yīng)會(huì)增大，雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中會(huì)出現(xiàn)多種倍頻和分頻振動(dòng)以及兩轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速頻率的多種復(fù)合頻率［4］，此外葉尖與其對(duì)應(yīng)的機(jī)匣會(huì)出現(xiàn)刮痕。但從機(jī)匣振動(dòng)響應(yīng)的頻譜和內(nèi)窺鏡檢測(cè)結(jié)果均未發(fā)現(xiàn)上述特征，所以可以排除轉(zhuǎn)動(dòng)件與靜子件碰磨是故障產(chǎn)生的原因。

3）外物損傷

發(fā)動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)和工作時(shí)，在進(jìn)氣口產(chǎn)生負(fù)壓形成巨大的吸力，有可能會(huì)吸入外來(lái)物對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成損傷。外來(lái)物主要有三種：軟物體、沙石類(lèi)、金屬物。由文獻(xiàn)［5］可知，軟物體損傷常常造成一級(jí)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片端部進(jìn)氣邊緣彎曲變形，這與內(nèi)窺鏡檢測(cè)結(jié)果很相似，所以懷疑故障原因是外物損傷，外來(lái)物為軟物體。

3.2故障分析

外物損傷中軟物體主要指鳥(niǎo)、冰雪等，但就該發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)來(lái)看是不存在鳥(niǎo)類(lèi)外來(lái)物的。對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行仔細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)高空低溫試驗(yàn)的艙門(mén)有漏氣現(xiàn)象，將發(fā)動(dòng)機(jī)置于低溫性能試驗(yàn)環(huán)境中，并將艙門(mén)關(guān)閉半小時(shí)，打開(kāi)艙門(mén)檢查發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣罩上覆有冰霜且進(jìn)氣道內(nèi)出現(xiàn)了小的冰柱。所以該發(fā)動(dòng)機(jī)故障原因應(yīng)該是進(jìn)氣道結(jié)冰，發(fā)動(dòng)機(jī)一啟動(dòng)將進(jìn)氣道中的冰吸入流道內(nèi)打傷了1級(jí)盤(pán)葉片。

4　結(jié)語(yǔ)

針對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)故障的分析排查過(guò)程，得出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片被軟物體擊傷而發(fā)生變形時(shí)的以下故障特征，其中噪聲頻譜特征最明顯：

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)效率降低；

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)發(fā)出嘯叫聲；

（3）故障葉輪葉片通過(guò)頻率噪聲幅值明顯降低；

（4）在噪聲譜中會(huì)出現(xiàn)故障葉輪轉(zhuǎn)頻和它的各次諧波分量為主的離散噪聲；

（5）機(jī)匣振動(dòng)沒(méi)有明顯變化。

［1］趙婷，常迎春，馮陽(yáng).航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)可靠性體系研究［J］.國(guó)內(nèi)外機(jī)電一體化技術(shù)，2012，6：42-44.

［2］楊華運(yùn)，顏文學(xué)，王歡等.對(duì)旋軸流通風(fēng)機(jī)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理及特性分析［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2011，38（2）：76-79.

［3］喬渭陽(yáng).航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)聲學(xué)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)，2010.

［4］何田，劉獻(xiàn)棟，李其漢.一種改進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)靜件碰磨故障診斷方法［J］.航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2008，23（6）：1093-1097.

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MalfunctionAnalysis of Blades Deflection for anAero-engine Axial Impeller

WU Gui-jiao1，2，HE Liu-hai1，LIU Jie-wei1，GAOLiang1

（1.ChinaAviation Powerplant Research Institute，Zhuzhou 412002，Hunan China；2.Key Laboratory ofAero-engine Vibration Technology inAeronautical Science，Zhuzhou 412002，Hunan China）

Efficiency drop and whistling phenomenon appear in a ground test of an aero-engine.Through the detailed analysis of the measured vibration and noise signals，the blade deformation of the first-stage axial-flow impeller of the engine is identified.Based on the detailed analysis of the fault，the characteristics of the noise spectrum due to the blade deformation are obtained.The results can provide a basis for blade deformation induced fault identification.

vibration and wave；aero-engine；vibration measurement；noise measurement；blade deflection；spectral characteristics

中圖書(shū)分類(lèi)號(hào)：V23；V216.2+1；TB535ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.04.029

1006-1355（2016）04-0140-04

2015-11-27

吳桂嬌（1980-），女，湖南省株洲市人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度振動(dòng)試驗(yàn)、噪聲測(cè)試。E-mail:271382091@qq.com