振動(dòng)分析在某航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)中的應(yīng)用

朱金剛

摘 要：現(xiàn)階段，隨著社會(huì)的發(fā)展，我國(guó)的現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展也有了很大的進(jìn)步。某航空發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力渦輪單元體由兩級(jí)動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子、功率后輸出軸、動(dòng)力渦輪機(jī)匣等組成，其中動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子采用前后雙支撐方式，功率后輸出軸通過膜盤聯(lián)軸器與車臺(tái)設(shè)備相連。在進(jìn)行動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速調(diào)試試驗(yàn)時(shí)，動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速上推至20900rpm穩(wěn)定工作約30秒后出現(xiàn)振動(dòng)突增超限，發(fā)動(dòng)機(jī)緊急停車，本文通過分析振動(dòng)突增前后的振動(dòng)數(shù)據(jù)，結(jié)合動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子與車臺(tái)設(shè)備相接后的臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算結(jié)果，確定振動(dòng)突增的原因?yàn)閯?dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子在臨界轉(zhuǎn)速點(diǎn)振動(dòng)過大導(dǎo)致，通過改變動(dòng)力渦輪軸結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速后，發(fā)動(dòng)機(jī)順利完成了動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速調(diào)試試驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)分析;某航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn);應(yīng)用

0 引言

某航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速調(diào)試試驗(yàn)時(shí)，動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速上推至20900rpm穩(wěn)定工作約30秒后出現(xiàn)振動(dòng)突增超限，發(fā)動(dòng)機(jī)緊急停車。本文通過分析振動(dòng)突增前后的振動(dòng)數(shù)據(jù)，結(jié)合動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子與車臺(tái)設(shè)備相接后的臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算結(jié)果，確定振動(dòng)突增的原因?yàn)閯?dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子在臨界轉(zhuǎn)速點(diǎn)振動(dòng)過大導(dǎo)致，通過改變動(dòng)力渦輪軸結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速后，發(fā)動(dòng)機(jī)順利完成了動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速調(diào)試試驗(yàn)。

1 振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

為測(cè)量某航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)情況，按照測(cè)試要求共設(shè)有9個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，該型發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)點(diǎn)代號(hào)及位置如下：Tz——渦輪機(jī)匣垂直測(cè)點(diǎn)Ty——渦輪機(jī)匣水平測(cè)點(diǎn)Tx——渦輪機(jī)匣軸向測(cè)點(diǎn)Pz——壓氣機(jī)機(jī)匣垂直測(cè)點(diǎn)Py——壓氣機(jī)機(jī)匣水平測(cè)點(diǎn)Px——壓氣機(jī)機(jī)匣軸向測(cè)點(diǎn)Fz——附件機(jī)匣垂直測(cè)點(diǎn)GDz——轉(zhuǎn)接段垂直測(cè)點(diǎn)GDy——轉(zhuǎn)接段水平測(cè)點(diǎn)渦輪振動(dòng)測(cè)點(diǎn)選用高溫壓電加速度振動(dòng)傳感器，該型加速度傳感器具有頻響寬、體積小、耐高溫、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，能適應(yīng)渦輪機(jī)匣外部的惡劣工作環(huán)境，其它振動(dòng)測(cè)點(diǎn)選用常溫壓電加速度振動(dòng)傳感器。機(jī)匣振動(dòng)通過高溫壓電加速度振動(dòng)傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾尚盘?hào)，經(jīng)過高溫低噪聲電纜傳輸進(jìn)入專用振動(dòng)測(cè)試儀;經(jīng)專用振動(dòng)測(cè)試儀對(duì)電荷信號(hào)進(jìn)行放大、濾波后，振動(dòng)總量信號(hào)進(jìn)入數(shù)采系統(tǒng)、通頻信號(hào)進(jìn)入振動(dòng)記錄分析儀，對(duì)壓氣機(jī)試驗(yàn)件振動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和試驗(yàn)后數(shù)據(jù)回放分析處理。

2 振動(dòng)數(shù)據(jù)分析

2.1 振動(dòng)總量分析

發(fā)動(dòng)機(jī)在Ng=29400rpm狀態(tài)停留約30s時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)瞬間陡增，其中渦輪機(jī)匣Tz、Ty、Tx三個(gè)測(cè)點(diǎn)幅值增大明顯，振動(dòng)異常前，發(fā)動(dòng)機(jī)Np、Ng轉(zhuǎn)速已達(dá)到穩(wěn)態(tài)工作約30s，且各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)總量均在限制值內(nèi)，振動(dòng)情況良好，發(fā)動(dòng)機(jī)兩轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速未發(fā)生明顯突變，下拉發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)刻為B線時(shí)刻，AB之間時(shí)間間隔約2s。

2.2 振動(dòng)譜圖分析

渦輪機(jī)匣Tz、Ty、Tx三個(gè)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)頻譜主要表現(xiàn)為動(dòng)力渦輪基頻振動(dòng)，且伴有倍頻成分。由于渦輪機(jī)匣三個(gè)測(cè)點(diǎn)幅值增大明顯，根據(jù)振動(dòng)異常情況，繪可見渦輪機(jī)匣Tz、Ty、Tx三個(gè)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)頻譜主要表現(xiàn)為動(dòng)力渦輪基頻振動(dòng)，且伴有倍頻成分。由于渦輪機(jī)匣三個(gè)測(cè)點(diǎn)幅值增大明顯，根據(jù)振動(dòng)異常情況，繪制渦輪機(jī)匣垂直振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的三維瀑布圖（其它振動(dòng)測(cè)點(diǎn)在文中未列出）?？梢?，振動(dòng)異常發(fā)生時(shí)刻，動(dòng)力渦輪基頻振動(dòng)幅值突增達(dá)100mm/s以上，且伴有倍頻成分。此過程中，燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子基頻振動(dòng)幅值未見突變。通過振動(dòng)數(shù)據(jù)分析可得：動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子基頻突增是導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)突增的主要原因，由于頻譜中出現(xiàn)多個(gè)倍頻成分，表明轉(zhuǎn)靜子發(fā)生刮磨是振動(dòng)突增的次要原因，其中動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子基頻突增的原因可能有以下兩種：a）動(dòng)力渦輪穩(wěn)定工作轉(zhuǎn)速接近動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速;b）動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子不平衡量過大。由于動(dòng)力渦輪基頻突增前發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)穩(wěn)定工作了約30秒，突增前動(dòng)力渦輪基頻振動(dòng)幅值較小，并且穩(wěn)定，故可以排除動(dòng)力渦輪基頻突增是由于渦輪轉(zhuǎn)子不平衡量過大所致，重點(diǎn)分析動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的影響。

3 改進(jìn)措施與試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 改進(jìn)措施

在原方案的基礎(chǔ)上，通過在一級(jí)渦輪盤上增加止口，增大動(dòng)力渦輪軸外徑或縮短支點(diǎn)跨距形成4個(gè)新方案（依次命名為新方案1、新方案2、新方案3和新方案4），改進(jìn)后的方案一、二階臨界必須滿足評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)（20%）的要求，由于動(dòng)力渦輪工作轉(zhuǎn)速與二階臨界轉(zhuǎn)速相近導(dǎo)致振動(dòng)突增，所以改進(jìn)后的方案盡量選擇臨界轉(zhuǎn)速裕度大的方案，改進(jìn)措施的主要目的是盡量提高二階臨界轉(zhuǎn)速裕度。第一階臨界轉(zhuǎn)速均滿足評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)（20%）的要求，新方案1動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子連接車臺(tái)設(shè)備時(shí)二階臨界轉(zhuǎn)速裕度（72.2%）比其它新方案大，故選用新方案1作為改進(jìn)后的方案。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

改進(jìn)后發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速調(diào)試試驗(yàn)，順利上推至最大轉(zhuǎn)速，發(fā)動(dòng)機(jī)完成了轉(zhuǎn)速達(dá)標(biāo)。整個(gè)試驗(yàn)過程中振動(dòng)情況良好，未超過限制值。動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子在20900rpm穩(wěn)定工作時(shí)，各個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子基頻振動(dòng)幅值不超過15.5mm/s，振動(dòng)情況良好，說明改進(jìn)措施有效。4動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性分析動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子未連接車臺(tái)設(shè)備時(shí)轉(zhuǎn)子過第1階臨界轉(zhuǎn)速工作，且第1、2階臨界轉(zhuǎn)速裕度均較大（53.5%、54.8%），滿足評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)（20%）的要求，動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子連接車臺(tái)設(shè)備后，轉(zhuǎn)子第2階臨界轉(zhuǎn)速下降了57.7%，位于正常工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，不滿足評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的要求。此次發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)超限表現(xiàn)出來的振動(dòng)特征為：動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子在20900rpm工作時(shí)轉(zhuǎn)子基頻振動(dòng)幅值超限，其動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速與連接車臺(tái)設(shè)備后的第二階臨界轉(zhuǎn)速相近。綜上所述：動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子連接車臺(tái)后其20900rpm工作轉(zhuǎn)速處于第二階臨界轉(zhuǎn)速附近是導(dǎo)致振動(dòng)超限的原因。發(fā)動(dòng)機(jī)工作一段時(shí)間后，由于發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子存在熱變形，動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子2階臨界轉(zhuǎn)速發(fā)生了微小漂移，實(shí)際工作中的2階臨界轉(zhuǎn)速與計(jì)算所得的2階臨界轉(zhuǎn)速存在微小差異，而正好與動(dòng)力渦輪工作轉(zhuǎn)速（20900rpm）相近最終導(dǎo)致了振動(dòng)突增。

4 結(jié)語

航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)超限是航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中常見的問題，也是航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制中必須克服的重點(diǎn)和難點(diǎn)，本文通過對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行振動(dòng)總量、頻譜成分分析，揭示振動(dòng)信號(hào)特征為動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子基頻振動(dòng)幅值突增，并伴有倍頻成分，表現(xiàn)為二階臨界轉(zhuǎn)速與動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速相近的振動(dòng)特征。通過動(dòng)力渦輪臨界轉(zhuǎn)速核驗(yàn)計(jì)算，確定振動(dòng)突增的原因?yàn)閯?dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子與車臺(tái)設(shè)備連接后二階臨界裕度不足。隨后，有針對(duì)性的改變渦輪軸結(jié)構(gòu)，提高動(dòng)力渦輪二階臨界轉(zhuǎn)速，順利完成了轉(zhuǎn)速調(diào)試試驗(yàn)，轉(zhuǎn)速達(dá)標(biāo)。本文是振動(dòng)分析在航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)中應(yīng)用的實(shí)例，也是振動(dòng)分析在型號(hào)研制中的典型范例，特別是動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子與車臺(tái)設(shè)備連接后導(dǎo)致臨界轉(zhuǎn)速裕度不足具有一定的科研實(shí)用價(jià)值，同時(shí)可為日后型號(hào)研制中出現(xiàn)類似問題提供很好的指導(dǎo)借鑒作用。

參考文獻(xiàn)

[1]王聰梅.航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型零件機(jī)械加工[M].北京：航空工業(yè)出版社，2014.