航空發(fā)動機整機振動故障分析

馬 樂

（安陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南安陽 455008）

0 引言

航空發(fā)動機是一種高度復(fù)雜和精密的熱力機械，是航空飛行的動力核心，其工作狀態(tài)穩(wěn)定與否直接影響著飛行安全系數(shù)。經(jīng)過百余年的發(fā)展，航空發(fā)動機已逐漸發(fā)展成為較為穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品，且依照航空飛行的不同動力需求，擁有渦輪噴氣發(fā)動機、沖壓式發(fā)動機等多種類型。航空發(fā)動機雖然能夠滿足航空飛行需求，但仍舊存在小概率的安全隱患?；诋?dāng)前的航空飛行實踐經(jīng)驗可知，在航空飛行中發(fā)動機整機振動故障時有發(fā)生，整機振動故障影響發(fā)動機工作，同時影響到整個航空飛行的各種附件、儀表等參數(shù)的準確性。一旦發(fā)生發(fā)動機整機故障就需要進行維修、替換，大批量的發(fā)動機提前返場，不僅僅提升了飛機的造價標準，增加維修費用，更導(dǎo)致社會資源的浪費，因此做好對航空發(fā)動機振動故障的排查和控制至關(guān)重要。

1 航空發(fā)動機整機振動故障原因分析

航空發(fā)動機整機振動故障的原因較為復(fù)雜，通常是多種綜合因素下共同導(dǎo)致的結(jié)果。對此，理清航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)類型，梳理其整機振動的規(guī)律，對于尋求解決振動故障提供了直接有效的參考，也是當(dāng)下航空飛機安全運行中發(fā)動機設(shè)備研發(fā)創(chuàng)新的重要任務(wù)。基于國內(nèi)外航空發(fā)動機研究的相關(guān)文獻，結(jié)合航空發(fā)動機運行的實際情況，闡述當(dāng)前民航和軍用航空飛機中較為常見幾種航空發(fā)動機整機振動故障類型和故障原因。

1.1 轉(zhuǎn)子故障

（1）轉(zhuǎn)子不平衡故障。在航空發(fā)動機中，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是指發(fā)動機內(nèi)部軸承支撐著的旋轉(zhuǎn)體，依照發(fā)動機運行原理主要是依托轉(zhuǎn)子和軸承的相互關(guān)系。轉(zhuǎn)子在較高頻率的轉(zhuǎn)速下會出現(xiàn)轉(zhuǎn)子不平衡，如靜不平衡、偶不平衡和動不平衡等。轉(zhuǎn)子不平衡故障的檢測技術(shù)主要是檢測發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、頻率、轉(zhuǎn)速平方和航空飛機的載荷關(guān)系，當(dāng)前者參數(shù)相同、后者參數(shù)呈正比，則表現(xiàn)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)不平衡故障。根據(jù)發(fā)動機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和運行作用可知，轉(zhuǎn)子所采用的原材料性能不高或是制作工藝偏差等情況，其在具體的運行中都會出現(xiàn)質(zhì)量偏差故障，引起發(fā)動機整機振動。

（2）轉(zhuǎn)子不對中故障。航空發(fā)動機性能隨著航空事業(yè)的發(fā)展而不斷優(yōu)化完善，在現(xiàn)階段下航空發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和推重比呈現(xiàn)出高標準發(fā)展。當(dāng)發(fā)生轉(zhuǎn)子不對中故障時，所采用的檢測技術(shù)主要是對發(fā)動機軸承對稱性的分析判斷，如發(fā)動機軸承發(fā)生非正常磨損，則可能是因為轉(zhuǎn)子不對中所導(dǎo)致。在轉(zhuǎn)子不對中的振動原因中，隨著航空飛機飛行速度的提升，整機振動幅度呈現(xiàn)出上升趨勢。

（3）轉(zhuǎn)子積液。在鼓筒式結(jié)構(gòu)的發(fā)動機中，發(fā)動機內(nèi)部的軸承密封裝置容易在發(fā)動機調(diào)試的時候出現(xiàn)漏油等問題。隨著發(fā)動機軸承開始測試運作，這些積液會進入到鼓筒結(jié)構(gòu)中，在航空發(fā)動機整機正式飛行過程中，帶有鼓筒的轉(zhuǎn)子隨著轉(zhuǎn)速越來越快，鼓筒內(nèi)部的油液會形成油團。作為雜質(zhì)存在的油團同轉(zhuǎn)子的振動幅度、方向、頻率等都不同，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子出現(xiàn)自激振動，這種振動幅度角度導(dǎo)致發(fā)動機內(nèi)部密封結(jié)構(gòu)的摩擦變大，發(fā)動機葉片出現(xiàn)非常規(guī)磨損，嚴重損壞發(fā)動機的重要元件性能，容易引發(fā)整機振動故障。

（4）轉(zhuǎn)子支承松動。航空發(fā)動機內(nèi)部轉(zhuǎn)子是通過各種支承結(jié)構(gòu)連接在軸承上面，轉(zhuǎn)子支承出現(xiàn)松動會導(dǎo)致整個發(fā)動機軸承表面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)縫隙，發(fā)動機所應(yīng)有的機械阻力降低；達到既定的轉(zhuǎn)速和頻率則會影響到發(fā)動機的整體結(jié)構(gòu)，帶來振動故障。轉(zhuǎn)子支承松動的原因主要是發(fā)動機受到外力壓力影響和所處的結(jié)構(gòu)溫度升高。

1.2 氣流激振下的整機振動故障

氣流激振會導(dǎo)致發(fā)動機運行結(jié)構(gòu)出現(xiàn)自激振動反應(yīng)。通常情況下，發(fā)動機在運行中轉(zhuǎn)子和靜子之間存在漏氣，壓氣機的效率會受到影響。因此一般情況下，所有的航空發(fā)動機都會設(shè)置機械密封裝置，但是也由此帶來新的氣流問題。如封閉腔中原有的氣體會受到內(nèi)部溫度場等的影響，實現(xiàn)不規(guī)則的旋轉(zhuǎn)運動導(dǎo)致整個封閉腔內(nèi)部的壓力分布不均勻，引發(fā)發(fā)動機整機振動故障。

1.3 航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)元件故障

航空發(fā)動機內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)較為繁雜，且發(fā)動機運行的原理也涉及到多個理論知識。這些結(jié)構(gòu)和原理在支持航空發(fā)動機穩(wěn)定安全運行的同時，也會為其帶來整機振動的故障情況。

（1）傳動系統(tǒng)故障引起的振動。傳動系統(tǒng)是帶有齒輪耦合轉(zhuǎn)子的復(fù)雜系統(tǒng)，運行依托于動力學(xué)特性，涉及齒輪動力知識和軸承動力知識。在實際的發(fā)動機運行系統(tǒng)中，傳動系統(tǒng)的任一模塊發(fā)生運行不順暢的故障問題，都會引起整機振動故障。

（2）葉盤失諧引起的振動故障。葉盤是航空發(fā)動機內(nèi)部重要的功能區(qū)域扇區(qū)，發(fā)揮著對發(fā)動機進行散熱的作用。每型發(fā)動機內(nèi)部都擁有多個葉盤，一旦出現(xiàn)葉盤失諧，則導(dǎo)致發(fā)動機的能耗和所產(chǎn)生的機械能量都集中在個別的葉片上，增大葉片振幅，引起葉片的疲勞磨損；甚至在高速的運作下，葉片積聚的能量過大，導(dǎo)致葉片出現(xiàn)破損或斷裂。一旦磨損嚴重，發(fā)動的整體穩(wěn)定性會受到影響，產(chǎn)生整機振動故障。

（3）航空機匣的自激反應(yīng)。機匣是安裝航空發(fā)動機的架子，承擔(dān)著發(fā)動機外部框架的作用。機匣振動會帶動發(fā)動機整機發(fā)生機械性振動，當(dāng)前導(dǎo)致航空機匣振動的原因有飛機結(jié)構(gòu)失去平衡、噪聲、氣流等的影響。

2 航空發(fā)動機整機振動控制方法

2.1 基于發(fā)動機整機動力學(xué)理論展開改造控制

導(dǎo)致航空發(fā)動機整機振動故障的最主要原因在于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問題，轉(zhuǎn)子出現(xiàn)各種問題的原因在于發(fā)動機結(jié)構(gòu)的設(shè)計理論存在不足和偏差。通過發(fā)動機整機動力學(xué)理論展開對轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改造，提高對轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性、安全性的優(yōu)化控制，避免由此引發(fā)整機振動故障。

（1）導(dǎo)入非線性振動設(shè)計，進行振動彌補。在傳統(tǒng)設(shè)計理論下，轉(zhuǎn)子等元件設(shè)備正常的結(jié)構(gòu)設(shè)計都是基于線性研究構(gòu)建的，對轉(zhuǎn)子在各種運行狀態(tài)下可能出現(xiàn)的動態(tài)變化考慮不周，如轉(zhuǎn)子不對中等問題。對此導(dǎo)入非線性設(shè)計理論，對發(fā)動機的運行結(jié)構(gòu)狀態(tài)進行全面具體的分析，提前制定轉(zhuǎn)子等零部件的加工和制造工藝，避免后期動態(tài)運行帶來的整機振動故障問題。

（2）構(gòu)建動力學(xué)設(shè)計模型，導(dǎo)入整機參數(shù)模型。分析航空發(fā)動機整機振動故障原因發(fā)現(xiàn)，不僅是發(fā)動機的相關(guān)結(jié)構(gòu)問題帶來振動故障，整個航空飛機的參數(shù)都會對發(fā)動機整機帶來穩(wěn)定性影響?；趧恿W(xué)理論設(shè)計模型，將整機參數(shù)和各種結(jié)構(gòu)變化都導(dǎo)入模型中，構(gòu)建航空發(fā)動機的有限元模型，模擬研究發(fā)動機結(jié)構(gòu)的振動規(guī)律，優(yōu)化結(jié)構(gòu)特征設(shè)計方案（圖1）。

2.2 基于支承結(jié)構(gòu)動柔度的動力學(xué)展開改造設(shè)計

在航空發(fā)動機設(shè)計中，支承機構(gòu)柔性數(shù)據(jù)等對整體設(shè)計的參數(shù)選擇具有重要意義，如支承結(jié)構(gòu)動柔度參數(shù)決定了單位振動下各設(shè)備元件所能承受的承載程度。在正常的柔度范圍內(nèi)，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、頻率等參數(shù)都對發(fā)動機的整機結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化控制具有重要意義。當(dāng)前正是通過導(dǎo)入支承結(jié)構(gòu)動柔度的動力學(xué)計算方式，對各種參數(shù)展開深度研究，為航空發(fā)動機整機振動的控制提供有力支持，如對航空發(fā)動機螺栓連接結(jié)構(gòu)連接處做剛度和強度仿真模擬。

2.3 實現(xiàn)對航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)裝配工藝控制管理

在機械制造加工中，裝配工藝發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。做好裝配加工，保證發(fā)動機結(jié)構(gòu)裝配參數(shù)標準，可以減少發(fā)動機內(nèi)部元件因機械故障帶來的整機振動故障。不同航空發(fā)動機的使用場所不同，其各種參數(shù)設(shè)計也不相同。結(jié)合發(fā)動機生產(chǎn)制造的行業(yè)規(guī)范標準，設(shè)置發(fā)動機的各種結(jié)構(gòu)參數(shù)，合理控制環(huán)境影響下的力學(xué)參數(shù)。例如，為了降低氣流的相對速度，提高發(fā)動機扇葉的效率，可以采用掠形葉片，能夠提高3%～5%的效率，增加3%～10%的空氣流量。為了達到這一故障控制防范的目標，要求構(gòu)建有限元模型，研究工藝參數(shù)在一定變化范圍內(nèi)的變化規(guī)律，探究工藝參數(shù)同動力學(xué)參數(shù)之間的聯(lián)系，確保展開高質(zhì)量裝配工藝。

3 結(jié)論

航空發(fā)動機的性能和結(jié)構(gòu)直接影響飛機的飛行安全和效率情況。隨著航空事業(yè)的發(fā)展，加強航空發(fā)動機研發(fā)創(chuàng)造，有效規(guī)避發(fā)動機整機振動所導(dǎo)致的航空事故已然成為重中之重。分析航空發(fā)動機振動故障的原因機制可以發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子故障和氣流問題是帶來發(fā)動機整機故障的重要因素，發(fā)動機內(nèi)部的各種元件損耗情況也在一定程度上導(dǎo)致整機振動故障發(fā)生。采取相應(yīng)的整機振動控制措施，優(yōu)化發(fā)動機結(jié)構(gòu)，采用更加優(yōu)質(zhì)的發(fā)動機元件材料和零部件制造工藝，打造更高安全性、穩(wěn)定性的航空發(fā)動機。