某渦軸發(fā)動機核心機振動故障分析

（中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002）

0.引言

某發(fā)動機核心機轉(zhuǎn)子采用1-0-1的結(jié)構(gòu)布局，包括兩個軸承腔、兩個主軸承，雙支點均采取了彈性鼠籠＋擠壓油膜的減振措施，各級葉片盤之間采用圓弧端齒進行連接，結(jié)構(gòu)示意見圖1。燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)子設(shè)計點轉(zhuǎn)速為N1。

圖1 某渦軸發(fā)動機核心機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖

該型發(fā)動機核心機在轉(zhuǎn)速調(diào)試試驗過程中曾出現(xiàn)兩次振動總量幅值超過限制值的現(xiàn)象，故障發(fā)生后，對其進行了詳細的分析，在臺架上進行了部分排查工作，通過對發(fā)動機進行分解檢查，對試驗數(shù)據(jù)進行分析，找到了振動超限的原因，采取了相應(yīng)的排查措施后，核心機成功上推至設(shè)計轉(zhuǎn)速。

1.故障現(xiàn)象

該發(fā)動機核心機在進行轉(zhuǎn)速磨合試驗時，當(dāng)燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)速到93%N1時，過渡段機匣后安裝邊振動測點ZDT45、ZDT315處振動總量幅值超過限制值，過渡段機匣后安裝邊新增加的振動測點ZDTy、ZDTz也達到50mm/s（限制值穩(wěn)態(tài)38mm/s，瞬態(tài)70mm/s）。發(fā)動機下拉轉(zhuǎn)速至90%N1，振動幅值恢復(fù)正常，兩次嘗試從90%N1上推轉(zhuǎn)速的試驗，在燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)速到93%N1附近時，振動超限現(xiàn)象重復(fù)。過渡段機匣后安裝邊振動測點布局見圖2。

圖2 渦輪過渡段機匣振動測點布局

2.故障分析

2.1 故障樹分析

以核心機試驗振動超限為頂事件，建立故障樹（圖3），從機匣振動、轉(zhuǎn)子振動和振動測試反饋不準(zhǔn)確3個方面查找故障原因，并進行驗證。

圖3 核心機振動超限故障樹

2.2 復(fù)查與驗證

依據(jù)故障樹分析結(jié)果，結(jié)合發(fā)動機的試驗驗證及分解檢查情況對故障樹底事件進行排查，具體情況見表1。

表1 故障樹底事件排查情況

2.3 原因分析

振動故障多數(shù)屬于非線性動力學(xué)問題，它沒有一種完全相同的振動模式，即便振動模式相似，但引起振動大的原因也不完全一致[1]。整機振動主要是由內(nèi)部故障引起，故障不同，其振動特征也不同，因此可以根據(jù)不同的振動故障推測出故障原因[2]。

根據(jù)此次核心機試驗振動超限進行的故障樹分析，逐一對各種因素進行了排查，最終確定此次核心機轉(zhuǎn)速調(diào)試試驗過程中的振動超限的主要因素：轉(zhuǎn)子不平衡偏大、機匣局部剛性不足引起共振、臨界轉(zhuǎn)速裕度不足。通過對發(fā)動機進行分解檢查、數(shù)據(jù)處理與分析及試驗驗證，確定了振動超限的原因，即燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)子動平衡完成后，進入裝配時，燃氣渦輪轉(zhuǎn)子與壓氣機轉(zhuǎn)子未按動平衡標(biāo)示零位進行裝配。在排查過程中，發(fā)動機在Ty、Tz處（靠近機匣的支板）安裝的振動測點振動幅值比T45、T315處的小很多，初步認為是由于此次機匣剛性不足，造成的局部共振。對振動頻譜進行了分析，發(fā)現(xiàn)在燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)速90%N1～93%N1左右試驗過程中，燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)子的基頻振動幅值上升明顯，認為有兩種可能原因，一是發(fā)動機在高轉(zhuǎn)速、大狀態(tài)工作時，燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)子的動平衡被破壞；二是燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)子的一階彎曲臨界轉(zhuǎn)速在93%N1附近。

3.排除措施及試驗驗證

針對上述對核心機振動超限原因的分析，采取了如下6條措施：

（1）完善工藝資料，明確了分段轉(zhuǎn)子平衡后在裝配必須嚴(yán)格按標(biāo)識零位裝配；

（2）取消壓氣機第三級葉片盤與離心葉輪之間的引氣盤，確保圓弧端齒連接可靠；

（3）提高燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)子低速動平衡的轉(zhuǎn)速（由1100r/min 提高至 1800/min）；

（4）調(diào)整了大彎管與燃氣渦輪導(dǎo)葉內(nèi)支承的軸向尺寸調(diào)整墊，確保在高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的熱變形協(xié)調(diào)；

（5）修磨燃氣渦輪工作葉片的榫頭寬度，增加燃氣渦輪工作葉片在裝配狀態(tài)下的軸向活動量，保證燃氣渦輪工作葉片能自由擺動；

（6）增加過渡段機匣、承力機匣及過渡段支板壁厚，以提高機匣剛性，避免機匣局部共振。

通過采取以上措施，核心機在試驗過程中，各振動測點的振動幅值均小于限制值，順利完成了核心機轉(zhuǎn)速達標(biāo)和初步性能調(diào)試試驗。

4.結(jié)論

本文采用故障樹分析的方法，對某渦軸發(fā)動機核心機起動及轉(zhuǎn)速調(diào)試試驗中的振動超限問題進行逐一排查，對可能引起發(fā)動機試驗振動的原因采取了相應(yīng)的措施，解決了發(fā)動機的振動問題，核心機完成了低轉(zhuǎn)速磨合試驗并成功上推至設(shè)計轉(zhuǎn)速，為該型號后續(xù)研制及類似結(jié)構(gòu)其他型號發(fā)動機的研制提供參考。