民用航空發(fā)動機振動配平功能設計

尚 洋

（中國商用飛機有限責任公司上海飛機設計研究院，上海201210）

民用航空發(fā)動機振動配平功能設計

尚 洋

（中國商用飛機有限責任公司上海飛機設計研究院，上海201210）

振動故障是航空發(fā)動機常見并且危害較大的故障，可能導致發(fā)動機運營事故或提前更換，增加航空公司運營成本，進行轉(zhuǎn)子平衡是降低發(fā)動機振動的重要措施。根據(jù)民用渦扇發(fā)動機的設計特點和振動配平相關原理，設計了利用EVMU進行發(fā)動機振動配平計算的功能，并通過試驗進行了驗證。試驗結(jié)果表明：采用根據(jù)EVMU計算出的方案配平發(fā)動機，能夠有效地降低發(fā)動機N1振動值，滿足航線使用需求。

N1振動值；發(fā)動機配平；影響系數(shù)法；渦扇發(fā)動機

0 引言

航空發(fā)動機使用中會因轉(zhuǎn)子不平衡而導致振動，輕則造成發(fā)動機性能衰退過快，在役時間大大縮短；重則造成軸承、葉片損壞，導致發(fā)動機運營事故或提前更換，增加航空公司運營成本[1]。因此，如何將在役發(fā)動機的振動維持在較低水平，保證發(fā)動機具有較高的可靠性、良好的經(jīng)濟性、較低的維修成本和較低的客艙噪聲，是發(fā)動機維護人員所要面對的重要課題。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，目前國外先進飛機上都裝載有專門的機載設備用于監(jiān)控發(fā)動機振動以及計算發(fā)動機振動配平方案。國內(nèi)也已研發(fā)出機載設備用于實時監(jiān)控發(fā)動機振動[2]，但尚不具備計算發(fā)動機振動配平方案功能。針對發(fā)動機振動配平技術(shù)（也稱轉(zhuǎn)子動平衡技術(shù)），國內(nèi)部分高校及研究所進行機載設備等大量的研究及試驗[3-4]。

如果民用飛機不具備利用機載設備進行發(fā)動機振動配平計算的功能，航線上發(fā)生發(fā)動機振動偏高的情況，通常只能采用傳統(tǒng)的三元法[5-6]對發(fā)動機進行配平，該方法需要進行至少5～7次高功率開車，耗時長、不經(jīng)濟且需要人工計算配平方案。為提高民用飛機的競爭力，本文利用機載軟件進行發(fā)動機振動配平計算的功能設計。

1 發(fā)動機振動配平相關原理

1.1 轉(zhuǎn)子不平衡

“不平衡力”是航空發(fā)動機振動主要原因。由于轉(zhuǎn)子材質(zhì)的不均勻、設計缺陷、熱變形、制造裝配的誤差和轉(zhuǎn)子在運行過程中介質(zhì)黏附到轉(zhuǎn)子上或有質(zhì)量脫落等，使實際轉(zhuǎn)子的質(zhì)心與形心不一致，從而使轉(zhuǎn)子出現(xiàn)質(zhì)量不平衡[7]，這是導致航空發(fā)動機整機振動過大和產(chǎn)生噪聲的重要因素[8-9]，不但會直接威脅到航空發(fā)動機安全可靠地運行，而且還容易誘發(fā)其他類型的故障。轉(zhuǎn)子不平衡引起的振動故障是航空發(fā)動機常見并且危害較大的故障，識別并減弱發(fā)動機轉(zhuǎn)子不平衡是減小發(fā)動機振動的重要措施。轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡所引起的振動有以下特點[10]：

（1）由不平衡引起的轉(zhuǎn)子振動是與轉(zhuǎn)速同頻的簡諧振動，相位比較穩(wěn)定，可以根據(jù)對振動響應中同頻振動分量的測量來確定轉(zhuǎn)子的不平衡狀況；

（2）不平衡響應的幅值與不平衡量呈線性關系，且工作轉(zhuǎn)速不同時，線性系數(shù)也不同。

1.2 發(fā)動機振動測量系統(tǒng)

民用飛機發(fā)動機振動測量技術(shù)在國內(nèi)已經(jīng)比較成熟[11-13]，測量系統(tǒng)原理如圖1所示。發(fā)動機上裝有1個N1轉(zhuǎn)速傳感器、1個N2轉(zhuǎn)速傳感器和2個振動加速度傳感器，2個振動加速度傳感器根據(jù)安裝位置分別稱為前、后振動加速度傳感器。在飛機電子/電氣設備艙內(nèi)安裝有發(fā)動機振動監(jiān)控裝置EVMU。發(fā)動機的N1、N2轉(zhuǎn)速信號和前、后振動傳感器信號傳遞至EVMU，EVMU根據(jù)接收到的信號計算發(fā)動機的N1、N2振動值，并將計算結(jié)果發(fā)送到駕駛艙顯示。

1.3 發(fā)動機振動配平原理

民用飛機渦扇發(fā)動機動平衡的方法主要有振型平衡法和影響系數(shù)法[14-15]。振型平衡法基于疊加理論，主要應用于能準確計算或測出其振型的場合，由于其不易自動化，比較復雜，且對操作者要求較高，所以在目前眾多測試系統(tǒng)中應用不多。影響系數(shù)法是1種完全建立在實驗基礎上的平衡方法，對轉(zhuǎn)子的動態(tài)特性了解較少，特別適合現(xiàn)場動平衡，而且易于自動化，操作方便，因此被廣泛應用[16-17]。影響系數(shù)法將轉(zhuǎn)子及支承系統(tǒng)近似地當作黑箱，平衡面上的試加質(zhì)量（包括大小和相位）作為這一封閉系統(tǒng)的輸入；在相同的平衡轉(zhuǎn)速、測振位置和測振方向上，試加質(zhì)量所引起的振動變化作為系統(tǒng)的輸出，把輸入與輸出的傳遞關系定義為影響系數(shù)。影響系數(shù)的計算公式為

式中：A、B分別為試加質(zhì)量前、后的振動幅值和相位；U為試加質(zhì)量；C為發(fā)動機影響系數(shù)。

得到發(fā)動機影響系數(shù)后，配平方案計算為

式中：Vo、Vn分別為配平前、后的振動幅值和相位（理想狀態(tài)下為0）；W為配重質(zhì)量和相位，即配平方案。

2 發(fā)動機振動配平功能設計

2.1 平衡面的選取及配重部件介紹

民用渦扇發(fā)動機結(jié)構(gòu)如圖2所示。從圖中可見，發(fā)動機風扇及低壓渦輪的最后1級葉片易于接近，因此發(fā)動機振動配平功能僅對低壓轉(zhuǎn)子（即N1轉(zhuǎn)子）進行配平。在航線上通過在風扇前整流錐或低壓渦輪最后1級葉片增加配重對發(fā)動機低壓轉(zhuǎn)子進行配平。

發(fā)動機振動配平可采用單平面法和雙平面法。單平面法僅在風扇前整流錐增加配重，雙平面法在風扇前整流錐和低壓渦輪最后1級葉片上增加配重。

發(fā)動機的風扇前整流錐上包含36個孔，如圖3所示。每個孔上安裝有1個配平螺釘，有P1～P13共13種構(gòu)型，不同構(gòu)型螺釘?shù)馁|(zhì)量不同，其中P1構(gòu)型的螺釘對應的配重質(zhì)量為0，P1和P13構(gòu)型配平螺釘?shù)膶嵨锶鐖D4所示。

針對低壓渦輪最后1級葉片，可以通過在葉片的葉冠處增加配平夾的方式來改變低壓轉(zhuǎn)子的質(zhì)量分布，民用渦扇發(fā)動機采用的配平夾實物如圖5所示。配平夾有1種構(gòu)型，質(zhì)量一定，每個葉片能安裝1個配平夾，可通過在連續(xù)幾個葉片安裝配平夾來調(diào)整配平質(zhì)量，配平夾的安裝效果如圖6所示。

2.2 發(fā)動機影響系數(shù)獲取

根據(jù)第1.3節(jié)發(fā)動機振動配平原理，民用發(fā)動機影響系數(shù)需通過大量試驗獲取數(shù)據(jù)并計算得出，獲取流程為：（1）發(fā)動機低壓轉(zhuǎn)子為平衡狀態(tài)，記錄發(fā)動機在不同轉(zhuǎn)速下前、后振動傳感器測得的低壓轉(zhuǎn)子振動幅值及相位；（2）通過在風扇前整流錐的已知位置增加已知質(zhì)量的配平螺釘，將發(fā)動機的低壓轉(zhuǎn)子調(diào)整為不平衡狀態(tài)，記錄發(fā)動機在上述轉(zhuǎn)速下前、后振動傳感器測得的低壓轉(zhuǎn)子振動幅值及相位；（3）計算步驟（1）、（2）中記錄的振動差值與風扇前整流錐上加裝的配重之間的關系，即風扇配平面所對應的影響系數(shù)；（4）通過在低壓渦輪最后1級葉片增加已知質(zhì)量的配平夾，將發(fā)動機的低壓轉(zhuǎn)子調(diào)整為不平衡狀態(tài)，記錄發(fā)動機在上述轉(zhuǎn)速下前、后振動傳感器測得的低壓轉(zhuǎn)子振動幅值及相位；（5）計算步驟（1）、（2）中記錄的振動差值與低壓渦輪最后1級葉片上加裝的配重之間的關系，即低壓渦輪最后1級配平面所對應的影響系數(shù)。

2.3 振動配平計算

得到發(fā)動機的影響系數(shù)后，可根據(jù)第1.3節(jié)發(fā)動機振動配平原理中的公式計算振動配平方案。由EVMU廠商將發(fā)動機影響系數(shù)及振動配平計算程序集成至EVMU中。

在發(fā)動機運轉(zhuǎn)時，EVMU能夠記錄特定轉(zhuǎn)速下低壓轉(zhuǎn)子的振動幅值及相位。當?shù)蛪恨D(zhuǎn)子振動值偏高時，可以操作EVMU利用記錄的振動數(shù)據(jù)及內(nèi)部的振動配平算法計算配平方案。

3 試驗驗證

為驗證發(fā)動機振動配平功能，首先將發(fā)動機低壓轉(zhuǎn)子調(diào)整為不平衡狀態(tài)，調(diào)整后發(fā)動機在整個N1轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)前、后振動傳感器測得的N1振動值分別如圖7、8所示。

操作EVMU執(zhí)行單平面法計算，EVMU計算出的配平方案如圖9所示。

從圖中可見，需要在風扇前整流錐的H14孔增加7.86grams（對應P11構(gòu)型）的螺釘，在H16孔增加2.67grams（對應P4構(gòu)型）的螺釘，在H19孔增加2.67grams（對應P4構(gòu)型）的螺釘，在H21孔增加7.86grams（對應P11構(gòu)型）的螺釘。按照配平方案實施配平后，開車檢查發(fā)動機的N1振動值。配平前、后2個振動傳感器測得的發(fā)動機N1振動對比分別如圖10、11所示。

對于雙平面法，驗證過程類似，不再贅述，僅列出配平前、后2個振動傳感器測得的的N1振動值對比，如圖 12、13 所示。

從上述試驗結(jié)果可以看出，根據(jù)EVMU計算的單平面方案和雙平面方案配平發(fā)動機后，發(fā)動機的N1振動值相比配平前顯著降低，表明設計的發(fā)動機振動配平功能有效。

4 總結(jié)

為了提高民用飛機的競爭力，利用機載設備EVMU進行發(fā)動機振動配平計算的功能設計。通過試驗，對所設計的功能進行了驗證，試驗結(jié)果表明，采用機載設備EVMU計算的單平面方案和雙平面方案配平發(fā)動機后，能夠有效降低發(fā)動機N1振動值。該功能相比傳統(tǒng)的三元配平法，可以減少開車次數(shù)，為航空公司節(jié)約大量資金和時間，降低飛機的維護成本。對國產(chǎn)民用飛機和發(fā)動機的設計具備借鑒意義。

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Engine Balancing Function Design of Civil Aircraft

SHANG Yang
（COMAC Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210）

Vibration failure is a common and serious failure for the aeroengine.Vibration failure may result in engine operation accidents or early replacement of the engine.This would increase the operating cost of the airlines.Engine balancing is an important measure to reduce the engine vibration.According to the design characteristics of the civil aircraft turbofan engine and the principle of vibration balancing,the engine balancing function that used the EVMU was designed.The design was verified by test.The results show that the vibration can be reduced after balancing according to the solution given by EVMU,and the design can meet the needs of airlines.

N1 vibration;engine balancing;influence coefficient method;turbofan engine

V231.96

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2017.04.010

2016-12-05

尚洋（1987），男，碩士，工程師，從事民用飛機動力裝置系統(tǒng)集成工作；E-mail:shangyang@comac.cc。

尚洋.民用航空發(fā)動機振動配平計算功能設計[J].航空發(fā)動機，2017，43（4）：56-60.SHANG Yang.Engine balancing function design of civil aircraft[J].Aeroengine，2017，43（4）：56-60.

（編輯：李華文）