某渦軸發(fā)動機振動幅值波動故障分析

高梁

摘 要 某渦軸發(fā)動機試驗時，部分振動測點出現(xiàn)振動總量幅值波動現(xiàn)象，對振動數(shù)據(jù)進行頻譜分析，判斷動力渦輪軸系前端出現(xiàn)故障。發(fā)動機下臺分解的結(jié)果驗證了判斷，發(fā)動機重新裝配上臺試驗，未出現(xiàn)振動幅值波動的現(xiàn)象。本文為相關(guān)故障的排除提供了診斷經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞 渦軸發(fā)動機;幅值波動;頻譜分析

某渦軸發(fā)動機進行持久試車，試驗開始階段發(fā)動機振動情況良好，隨著持久試車的進行，在穩(wěn)態(tài)下，發(fā)動機動力渦輪轉(zhuǎn)子基頻振動幅值出現(xiàn)波動的現(xiàn)象，雖然振動幅值還小于限制值，但基頻幅值波動的現(xiàn)象預(yù)示著發(fā)動機存在異常，有必要對數(shù)據(jù)進行分析以排除隱患，避免發(fā)動機狀態(tài)進一步惡化，確保發(fā)動機的安全。

1振動測試系統(tǒng)及測點布置

為測量某航空發(fā)動機整機振動情況，設(shè)置10個振動測點，測點代號及位置如下：

1#——渦輪機匣垂直測點;2#——渦輪機匣水平測點;3#——渦輪機匣軸向測點;4#——附件傳動機匣垂直測點;5#——附件傳動機匣水平測點;6#——附件傳動機匣軸向測點;7#——進氣機匣垂直測點;8#——進氣機匣水平測點;9#——進氣機匣軸向測點;10#——鼓風機垂直測點。

振動測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為：機匣振動通過壓電加速度振動傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾尚盘?，?jīng)過高溫低噪聲電纜傳輸進入專用振動測試儀;經(jīng)專用振動測試儀對電荷信號進行放大、濾波后，振動總量信號進入數(shù)采系統(tǒng)、通頻信號進入振動記錄分析儀，對發(fā)動機振動進行實時監(jiān)測和試驗后數(shù)據(jù)回放分析處理[1]。

2試驗情況

某渦軸發(fā)動機進行持久試車，在最初階段，發(fā)動機運行狀態(tài)良好，當持久試車進行一段時間后，穩(wěn)定狀態(tài)下某些測點振動總量出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，某些測點振動總量值出現(xiàn)類似正弦波規(guī)律的波動，雖然振動總量未超過限制值，但該現(xiàn)象的出現(xiàn)預(yù)示著發(fā)動機存在故障，故建議停止試驗，并對數(shù)據(jù)進一步分析。

3振動數(shù)據(jù)分析

對總量曲線波谷和波峰時刻振動頻譜圖進行分析，各測點振動頻譜成分以燃發(fā)轉(zhuǎn)子和動力渦輪轉(zhuǎn)子基頻為主，無異常頻率成分，但轉(zhuǎn)子基頻幅值大小有差異。

表1和表2為在總量曲線波谷與波峰時刻各個測點轉(zhuǎn)子動力渦輪轉(zhuǎn)子與燃發(fā)轉(zhuǎn)子基頻幅值與波動幅度[2]。

由表1可知，4#、5#、7#、8#、10#測點動力渦輪基頻波動幅值較大，其中4#測點已達到10.3mm/s，其余測點動力渦輪基頻幅值波動小于±3mm/s。由表2可知發(fā)動機上10個測點的燃發(fā)轉(zhuǎn)子基頻幅值波動幅度均小于±1mm/s。

由以上分析可知，在各測點振動總量幅值最小與最大時刻相比，燃發(fā)轉(zhuǎn)子基頻幅值幾乎無變化。動力渦輪轉(zhuǎn)子基頻幅值有5個測點波動幅度較大，4#、5#為附件機匣的垂直和水平位置，7#、8#為進氣機匣的垂直和水平位置，10#鼓風機垂直位置，從位置上看，這些測點均靠近發(fā)動機的前端，而1#、2#、3#測點為渦輪機匣測點，在發(fā)動機后端，6#、9#測點為軸向位置，幅值變化也較小。通過以上分析可定位故障位置在該渦軸發(fā)動機動力渦輪轉(zhuǎn)子軸系的前端，且動力渦輪轉(zhuǎn)子的徑向振動情況對該故障較為敏感。

4故障情況及其機理分析

基于以上分析，發(fā)動機停止試驗，下臺進行分解，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機動力渦輪軸的前端1號軸承的壓緊螺母與軸承內(nèi)環(huán)處于未壓緊狀態(tài)，在發(fā)動機運行過程中，前封嚴環(huán)組件和1號軸承內(nèi)環(huán)均處于未壓緊狀態(tài)，產(chǎn)生相對滑動，從而導(dǎo)致前封嚴環(huán)組件和1號軸承內(nèi)環(huán)接觸面有不同程度的磨損，前封嚴環(huán)組件與輸出軸的接觸面也有不同程度的磨損。

通過該發(fā)動機在試驗時出現(xiàn)的振動幅值的波動情況及分解檢查的結(jié)果，對出現(xiàn)該現(xiàn)象進行簡要分析。

任何轉(zhuǎn)動部件都存在殘余不平衡量，只是其大小和方向角的不同而已。在本文中，發(fā)動機動力渦輪軸和1號軸承前封嚴環(huán)組件均存在殘余不平衡量。動力渦輪軸系的總量不平衡為各部分不平衡量得矢量和，當發(fā)動機狀態(tài)良好時，封嚴環(huán)組件和動力渦輪軸無相對滑動，此時動力渦輪軸系的不平衡量為一定值，各測點動力渦輪轉(zhuǎn)子基頻幅值穩(wěn)定。

當動力渦輪軸與封嚴環(huán)組件出現(xiàn)相對滑動時，由于矢量之間的角度發(fā)生變化，矢量和也發(fā)生變化，故軸系的不平衡量隨著動力渦輪軸與封嚴環(huán)組件的相對滑動而產(chǎn)生變化，因此故障發(fā)生在前端，且發(fā)動機機匣的徑向振動對轉(zhuǎn)子不平衡較為敏感，所以發(fā)動機前端的徑向測點動力渦輪轉(zhuǎn)子基頻幅值出現(xiàn)不穩(wěn)、周期變化的情況，幅值變化的周期則為軸與封嚴環(huán)組件相對滑動的周期。

5結(jié)束語

振動數(shù)據(jù)是航空發(fā)動機試驗中非常重要的數(shù)據(jù)，振動的異常預(yù)示著發(fā)動機存在潛在故障，當振動出現(xiàn)異常時需要及時進行排除以確保發(fā)動機的安全。本文通過監(jiān)測某航空發(fā)動機試驗中動力渦輪轉(zhuǎn)子基頻幅值的變化，判斷了動力渦輪軸系前端存在故障。發(fā)動機下臺分解的結(jié)果驗證了判斷的正確性，結(jié)合分解的結(jié)果進一步分析了出現(xiàn)該現(xiàn)象的理論機理，為同類故障的診斷提供了診斷經(jīng)驗與技術(shù)支持。

參考文獻

[1] 熊帆，陳大力，鄧曉亮.基于振動分析的某軸頸斷裂故障診斷實例[J].自動化應(yīng)用，2018（4）：78-79，87.

[2] 鄧曉亮，陳大力.振動分析在某航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)改進中的應(yīng)用[J]. 電子世界，2019（1）：132-133.