渦扇發(fā)動機渦輪和機匣碰摩故障飛行試驗研究

郝曉樂，雷曉波，文 敏，高莎莎

（中國飛行試驗研究院，710089西安）

0 引言

整機振動值異常或超出使用限制值是航空發(fā)動機外場使用中暴露的主要問題之一[1]?，F(xiàn)代航空發(fā)動機追求高性能和高推重比，結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，工作條件苛刻，導(dǎo)致整機振動異常的因素逐步增多[2]，相應(yīng)的故障定位也越加困難；另外，在飛行試驗中，受裝機空間限制，大部分小涵道比渦扇發(fā)動機只采用1個振動傳感器監(jiān)控整機振動值，無法準(zhǔn)確對異常振動故障定位分析和排除。

國內(nèi)外學(xué)者針對葉片－機匣局部碰摩故障，進(jìn)行了大量理論和試驗研究，獲得了較為豐富的研究成果。高艷蕾等[3]研究了葉片－機匣間發(fā)生偏摩情況時轉(zhuǎn)子系統(tǒng)頻率結(jié)構(gòu)特征，分析了發(fā)生偏摩時，轉(zhuǎn)子頻譜的特征；陳果等[4]采用航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子試驗臺，模擬葉片-機匣局部碰摩故障，得到了不同轉(zhuǎn)速下碰摩故障產(chǎn)生的頻譜特征；Ahrens等[5]通過模型試驗研究了葉片、機匣碰摩產(chǎn)生的接觸力以及摩擦系數(shù)與轉(zhuǎn)速間依賴關(guān)系等；Padova等[6]對發(fā)動機在工作轉(zhuǎn)速下葉片-機匣的碰摩問題進(jìn)行試驗，測量葉片-機匣接觸過程中碰摩力及葉片動應(yīng)力，分析了碰摩導(dǎo)致的非線性特性。但針對葉片-機匣碰摩的飛行試驗研究未見報道。

本文針對某渦扇發(fā)動機科研試飛中發(fā)生的發(fā)動機振動值異常故障，借助隨機加裝的應(yīng)變片和振動傳感器等測量裝置的試驗數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確定位了故障部位和原因。

1 發(fā)動機振動值異常故障

某臺渦扇發(fā)動機在出廠前試車中，振動值基本在20 mm/s以下。裝機后，該發(fā)動機在前期各架次試驗中振動最大值統(tǒng)計情況見表1。表中nH為高壓轉(zhuǎn)子相對物理轉(zhuǎn)速；B為發(fā)動機振動值。從表中的試驗數(shù)據(jù)可見，在1次滑行和4次飛行試驗中發(fā)動機振動最大值均在16.5 mm/s以下，且發(fā)動機均處于最大和中間狀態(tài)。

表1 發(fā)動機裝機后各架次發(fā)動機振動最大值

在進(jìn)行某高度飛行包線右邊界發(fā)動機工作穩(wěn)定性驗證試飛返場過程中，發(fā)動機振動值異常升高，如圖1所示。從圖中可見，在完成包線右邊界大表速飛行返場過程中，在2架次飛行試驗中均出現(xiàn)發(fā)動機振動值異常升高的情況（圖中圓圈），而在起飛、爬升以及加速過程中，振動值均保持在20 mm/s以下。圖中3次振動異常峰值時發(fā)動機主要參數(shù)見表2。表中Φ為發(fā)動機油門桿角度。表中振動峰值均在45 mm/s以上，高壓轉(zhuǎn)速均為93%左右，發(fā)動機狀態(tài)基本一致。

雖然發(fā)動機振動值并未超出《發(fā)動機使用維護手冊》給出的限制值，但對比表1、2中的數(shù)據(jù)可見，表2中的振動峰值較前幾架次明顯突升。在振動值異常時，發(fā)動機油門位置變化較小，高壓轉(zhuǎn)速基本恒定，見表3。即振動異常并非由發(fā)動機過渡態(tài)過程所引發(fā)。綜上，可判定為發(fā)動機振動值異常故障。

表2 振動異常架次峰值

表3 振動峰值前后主要參數(shù)變化幅值

2 振動異常故障原因分析

該型渦扇發(fā)動機發(fā)動機振動傳感器安裝在中介機匣上，如圖2所示。中介機匣是發(fā)動機承力系統(tǒng)的主要部件，高、低壓轉(zhuǎn)子的軸向載荷和部分徑向載荷由其傳出，同時發(fā)動機的主安裝節(jié)和附件機匣也安裝在其上，其內(nèi)腔還安裝有發(fā)動機中央傳動系統(tǒng)。因此，發(fā)動機振動傳感器可以感受到發(fā)動機各部件的振動情況，但很難確認(rèn)振動異常的振源。

此外，根據(jù)飛行試驗需求，在該渦扇發(fā)動機的進(jìn)氣機匣和中介機匣等處安裝應(yīng)變測量片，在進(jìn)氣機匣、中介機匣和渦輪后機匣等處加裝了振動傳感器（圖2）。通過分析發(fā)動機高壓轉(zhuǎn)子的振動頻率以及各機匣處的振動值的變化情況，可以有效定位故障位置，分析發(fā)動機發(fā)動機振動異常的原因。

圖1中第1飛行架次第1次振動異?，F(xiàn)象發(fā)生前后，應(yīng)變片測量數(shù)據(jù)的頻譜分析結(jié)果如圖3所示。對比正常振動水平和振動峰值時的頻譜，可見正常振動時，圖3（a）中只有較為明顯的高、低壓轉(zhuǎn)子的1倍頻nL和nH。而在振動峰值時圖譜中，不僅有高、低壓轉(zhuǎn)子的1倍頻nL和nH，還有高壓轉(zhuǎn)子的2倍頻2nH，以及高、低壓轉(zhuǎn)子的組合頻率，如2nH-nL和nL+nH。

第2飛行架次振動異常前后的頻譜分析結(jié)果也基本相同，如圖4所示。在正常振動水平時圖譜中高、低壓轉(zhuǎn)子的1倍頻nL和nH占優(yōu)，但存在其他未知頻率的干擾。而在振動峰值的圖譜中，再次出現(xiàn)高壓轉(zhuǎn)子的2倍頻2nH，以及高、低壓轉(zhuǎn)子的組合頻率nL+nH。

文獻(xiàn)[7-19]中對轉(zhuǎn)、靜子碰摩問題進(jìn)行了詳細(xì)的理論和試驗研究。在雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機發(fā)生轉(zhuǎn)、靜子碰摩故障時，高、低壓轉(zhuǎn)子基頻和倍頻激振力將增大，并且會出現(xiàn)如 nH±nL、2nH±nL等 anH±bnL形式的高、低壓轉(zhuǎn)子的組合頻率，但不能判斷出是高壓轉(zhuǎn)、靜子碰摩或低壓轉(zhuǎn)、靜子碰摩。因此，根據(jù)圖3、4的分析結(jié)果基本可以確定振動異常的原因為轉(zhuǎn)子和機匣碰摩，但無法具體定位碰摩部位。

第1飛行架次第1次振動異常和第2飛行架次振動異常過程中，位于中介機匣和渦輪后機匣的加裝振動傳感器所測得的機匣加速度如圖5、6所示。從圖中可見，在相同標(biāo)尺下，渦輪后機匣加速度由藍(lán)變紅的時間明顯早于中介機匣加速度的變化，表明其加速度突升發(fā)生得更早。從占優(yōu)頻率的幅值變化分析，2次振動異常發(fā)生時渦輪后機匣的振動突升明顯早于中介機匣的，可以認(rèn)為碰摩故障發(fā)生于渦輪單元體。

通過以上分析，可以確定振動異常的原因為渦輪葉片和機匣上的外環(huán)部件發(fā)生了碰摩，但無法準(zhǔn)確確定為高壓或低壓渦輪。

3 發(fā)動機振動值趨勢特征

在確定發(fā)動機振動值異常的原因是渦輪葉片和機匣外環(huán)碰摩后，通過分析碰摩過程中發(fā)動機振動值的變化，可以得到典型碰摩故障過程發(fā)動機振動值的發(fā)展趨勢特征。3次渦輪和機匣碰摩過程發(fā)動機振動值的變化如圖7所示。從圖中可見發(fā)動機振動值的發(fā)展趨勢呈現(xiàn)以下特征。

（1）在油門角度、高壓轉(zhuǎn)速不變時（即穩(wěn)態(tài)過程），發(fā)動機振動值會緩慢持續(xù)上升（圖7（a）），油門桿角度、高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速波動分別僅為0.3°和1.3%，而振動值由27.5 mm/s增大至34.1 mm/s，持續(xù)約40 s；

（2）油門角度小幅度增大時，發(fā)動機振動值急劇增大（表3）；

（3）在一定高壓轉(zhuǎn)速下，發(fā)動機振動值會突降（2 s以內(nèi)），圖7中3次碰摩結(jié)束瞬間發(fā)動機振動值降幅分別達(dá)到76.9%、74.1%和70.9%。

由此得到的渦輪和機匣碰摩的典型振動模式如圖8所示。

4 故障原因簡析

圖1中3次由于渦輪轉(zhuǎn)子和機匣碰摩產(chǎn)生的發(fā)動機振動值異常均發(fā)生在完成飛行包線右邊界發(fā)動機工作穩(wěn)定性驗證試飛后的返場過程中。發(fā)動機以最大狀態(tài)長時間高負(fù)荷工作，工況點基本接近工作包線極限，流道內(nèi)氣動熱力環(huán)境處于高溫高壓狀態(tài)，造成渦輪轉(zhuǎn)子和機匣變形量較大。隨后，發(fā)動機收至小狀態(tài)工作，渦輪轉(zhuǎn)子和機匣熱變形開始恢復(fù)。當(dāng)發(fā)動機再次由小狀態(tài)上推到大狀態(tài)時，渦輪轉(zhuǎn)子和機匣熱變形不協(xié)調(diào)，渦輪轉(zhuǎn)子變形較快，機匣變形較慢，造成轉(zhuǎn)、靜子間隙不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致渦輪葉片尖部與機匣局部碰摩，產(chǎn)生較大的碰摩力，從而引起發(fā)動機振動值增大。當(dāng)發(fā)動機狀態(tài)提高，流道氣體溫度升高后，轉(zhuǎn)、靜子變形恢復(fù)正常，葉尖與機匣不再接觸，此時發(fā)動機振動值突降。

受加工裝配等個體差異性影響，某些發(fā)動機渦輪葉尖間隙較大或比較均勻，轉(zhuǎn)、靜子變形協(xié)調(diào)，不會發(fā)生上述碰摩現(xiàn)象；而當(dāng)發(fā)動機渦輪葉尖間隙較小或局部較小，熱變形不協(xié)調(diào)時，就容易發(fā)生渦輪轉(zhuǎn)子和機匣碰摩。此外，碰摩故障的發(fā)生還與發(fā)動機的工作狀態(tài)和工作時間密切相關(guān)。

5 結(jié)論

本文利用某渦扇發(fā)動機加裝的應(yīng)變片和振動傳感器的數(shù)據(jù)，分析了試飛中出現(xiàn)的發(fā)動機振動值異常故障，得到以下結(jié)論：

（1）渦輪和機匣碰摩導(dǎo)致發(fā)動機振動值異常；

（2）渦輪和機匣碰摩會使機匣應(yīng)變圖譜中出現(xiàn)高壓轉(zhuǎn)子的2倍頻2nH，以及2nH-nL、nL+nH等高、低壓轉(zhuǎn)子的組合頻率；

（3）該型渦扇發(fā)動機典型渦輪和機匣碰摩故障中發(fā)動機振動值的發(fā)展特征趨勢如下：油門角度不變時，發(fā)動機振動值會緩慢持續(xù)增大；油門角度小幅度增大時，發(fā)動機振動值急劇增大；在一定高壓轉(zhuǎn)速下，發(fā)動機振動值會突降。

[1]鄧午立，王娟．航空發(fā)動機外場振動問題分析與研究[J]．航空科學(xué)技術(shù)，2014，25（4）：19-23．DENG Wuli,WANG Juan.Research and analysis of in-field vibration problem for aeroengine[J].Aeronautical Science&Technology,2014,25（4）:19-23.(in Chinese)

[2]黃志堅，高立新，廖一凡.機械設(shè)備振動故障檢測與診斷[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010：191-194．HUANG Zhijian,GAO Lixin,LIAO Yifan.Vibration monitoring and fault diagnosis of mechanical equipment[M].Beijing:Chemical Industry Press,2010:191-194.(in Chinese)

[3]高艷蕾，李勇，王德友.轉(zhuǎn)子－機匣系統(tǒng)碰摩故障特征試驗研究[J].航空發(fā)動機，2002（4）：16-21．GAO Yanlei,LI Yong,WANG Deyou.Experimental investigation of rotor-to-casing rubbing fault[J].Aeroengine,2002（4）:16-21．

[4]陳果，李成剛，王德友.航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子－滾動軸承－支承－機匣耦合系統(tǒng)的碰摩故障分析與驗證 [J].航空動力學(xué)報，2008，23(7)：1304-1311．CHEN Guo，LI Chenggang，WANG Deyou.Nonlinear dynamic analysis and experiment verification of rubbing faults of rotor-ball bearing-support-stator coupling system for aeroengine[J].Journal of Aerospace Power，2008，23（7）：1304-1311．

[5]Ahrens J，Ulbrich H，Ahaus G.Measurement of contact forces during blade rubbing[C]//Vibrations in R otating Machinery.7th International Conference，Nottingham，Imech E，London，2000:259-263．

[6]Padova C,Barton J,Dunn M,et al.Development of an experimental capability to produce controlled blade tip/shroud rubs at engine speed[J].Journal of Turbomachinery,2005,127（4）:726-735.

[7]陳果，于月明，劉永泉，等.基于倒頻譜分析的航空發(fā)動機轉(zhuǎn)靜碰磨部位識別[J]．機械工程學(xué)報，2014，50（7）：32-38．CHEN Guo,YU Yueming,LIU Yongquan,et al.Identifying rotor-stator rubbing positions using the cepstrum analysis technique[J].Journal of Mechanical Engineering,2014,50（7）：32-38.(in Chinese)

[8]馬輝，楊健，宋溶澤，等．轉(zhuǎn)子系統(tǒng)碰磨故障實驗研究進(jìn)展與展望[J]．振動與沖擊，2014，33（6）：1-12．MA Hui,YANGJian,SONGRongze,et al.Review and prospect on the research of rub-impact experiment of rotor system [J].Journal of Vibration and Shock,2014,33（6）：1-12.(in Chinese)

[9]李洪偉，李明.某型航空發(fā)動機常見振動故障分析[J].新工藝技術(shù)，2015，32（5）：88-91．LI Hongwei,LI Ming.The common vibrating analysis for the aero-engine[J].New Technology&New Process,2015,32（5）:88-91.(in Chinese)

[10]艾延廷，周海侖，孫丹，等.航空發(fā)動機發(fā)動機振動分析與控制[J].沈陽航空航天大學(xué)學(xué)報，2015，32（5）：1-25．AI Yanting,ZHOU Hailun,SUN Dan,et al.Study on the control of the whole aeroengine vibration[J].Journal of Shenyang Aerospace University,2015,32（5）:1-25.(in Chinese)

[11]柏樹生，艾延延，翟學(xué)，等.航空發(fā)動機發(fā)動機振動常見故障及排除措施[J]．航空維修與工程，2011（1）：43-45．BAI Shusheng,AI Yanting,ZHAIXue,et al.Analysis and solution of common faults in body vibration of aeroengine [J].Aviation Maintenance&Engineering,2011（1）:43-45.(in Chinese)

[12]孫云嶺，張永祥，常漢寶.基于定子振動的轉(zhuǎn)子碰摩故障診斷方法研究[J]．機械工程學(xué)報，2009，22（4）：391-394．SUN Yunling,ZHANG Yongxiang,CHANG Hanbao.Method of rotor rub-impact faults diagnosisbased on stator vibration signal[J].Journal of Mechanical Engineering，2009，22（4）：391-394.(in Chinese)

[13]WANG Q，CHU F.Experimental determination of the rubbing location by means of acoustic emission and wavelet transform[J].Journal of Sound and Vibration，2001，248（1）：91-103.

[14]崔淼，張韜，孟光，等.航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)碰摩故障的實驗研究[J]．振動與沖擊，2005，23（3）：17-20．CUI Miao,ZHANG Tao,MENG Guang,et al.Experimental study on rub and impact in rotors system of aeroengines[J].Journal of Vibration and Shock,2005,23（3）：17-20.(in Chinese)

[15]盧文秀，禇福磊.轉(zhuǎn)子系統(tǒng)碰磨故障的實驗研究[J].清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2005，45（5）：614-617．LU Wenxiu,CHU Fulei.Experimental investigation of rotor rubbing faults[J].Journal of Tsinghua University(Science and Technology),2005,45（5）：614-617.(in Chinese)

[16]王建峰，尹忠信，韓天.轉(zhuǎn)子碰磨系統(tǒng)實驗研究 [J].應(yīng)用科技，2010，37（7）：40-43．WANG Jianfeng,YIN Zhongxin,HAN Tian.Experimental study of rotor rub system[J].Applied Science and Technology,2010,37（7）：40-43.(in Chinese)

[17]曲秀秀，陳果，喬保棟.轉(zhuǎn)子動靜碰磨故障試驗研究[J].飛機設(shè)計，2011，31（4）：50-54．QU Xiuxiu,CHEN Guo,QIAO Baodong.Experimental study of rotor rub-impact fault[J].Aircraft Design,2011,31（4）：50-54.(in Chinese)

[18]吳峰崎，孟光，荊建平.基于加速度信號全譜分析的轉(zhuǎn)子碰磨故障特征提取實驗研究[J].振動與沖擊，2006，25（2）：44-47．WU Fengqi,MENG Guang,JING Jianping.Feature extraction based on acceleration signal’s full spectrum analysis for compound rub malfunctions of rotor[J].Journal of Vibration and Shock,2006,25（2）：44-47.(in Chinese)

[19]WU Fengqi,MENG Guang.Compound rub malfunctions feature extraction based on full spectrum cascade analysis and SVM[J].Mechanical System and Signal Processing,2006,20（8）：2007-2021.