雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機(jī)碰摩振動特征研究

丁小飛，彭丹陽，曹 航，陳 果

（1.中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所遼寧省航空發(fā)動機(jī)沖擊動力學(xué)重點(diǎn)試驗(yàn)室，沈陽110015；2.中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司，沈陽110161；3.南京航空航天大學(xué)，南京211106）

0 引言

航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工況多變，其工作過程中常會發(fā)生碰摩。碰摩是航空發(fā)動機(jī)中最常見的故障之一，也是引起航空發(fā)動機(jī)整機(jī)振動偏大問題的重要因素之一。最常見的是轉(zhuǎn)子與機(jī)匣之間的碰摩，高壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子之間的碰摩雖也有發(fā)生，但不多見，所以一般研究航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子和靜子之間的碰摩。在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，由于轉(zhuǎn)子不平衡、轉(zhuǎn)子與靜子徑向間隙過小，軸承座同心度不良等，均可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子與靜子碰摩，并導(dǎo)致振動加劇[1]。

有關(guān)碰摩的研究主要集中在單轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)機(jī)械方面，近年來國內(nèi)外諸多學(xué)者開始研究雙轉(zhuǎn)子碰摩振動特征。陳果等[2]建立了一種含新型葉片-機(jī)匣碰摩模型的轉(zhuǎn)子-支承-機(jī)匣耦合動力學(xué)模型，開展了碰摩故障仿真并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證；曹登慶等[3]開展了基于滯回碰摩力模型的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)碰摩響應(yīng)研究，分別針對帶有碰摩力滯回特性的碰摩模型和線性碰摩模型對轉(zhuǎn)/靜子碰摩的動力學(xué)響應(yīng)特征進(jìn)行對比分析；廖明夫等[4]針對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子／機(jī)匣間隙小，轉(zhuǎn)速控制存在延遲，碰摩故障發(fā)生可能導(dǎo)致的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子彎扭耦合振動的特征，建立了計(jì)及陀螺力矩的彈性支承-柔性轉(zhuǎn)子-彈性靜子系統(tǒng)的碰摩故障模型，對碰摩導(dǎo)致的彎扭耦合振動進(jìn)行了理論推導(dǎo)和分析。在碰摩研究領(lǐng)域，主要集中在碰摩模型研究[5-7]、動力學(xué)建模[8-9]與碰摩響應(yīng)分析[10-11]、碰摩引起的彎扭耦合振動[12-14]、碰摩非線性振動[15-17]等方面或基于試驗(yàn)器轉(zhuǎn)子開展的碰摩相關(guān)的試驗(yàn)研究[18-19]，而對于基于真實(shí)發(fā)動機(jī)碰摩故障特征的研究并不多見。

本文結(jié)合雙轉(zhuǎn)子碰摩仿真、試車振動表現(xiàn)和發(fā)動機(jī)分解檢查情況，對雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機(jī)的碰摩振動特征進(jìn)行了研究。

1 葉片-機(jī)匣碰摩模型

航空發(fā)動機(jī)碰摩問題相對復(fù)雜，為此建立了葉片-機(jī)匣碰摩故障模型，相比傳統(tǒng)的彈性系統(tǒng)碰摩模型，葉片-機(jī)匣碰摩故障模型能夠分析葉片數(shù)目、轉(zhuǎn)靜子間隙變化對碰摩力的影響。利用該模型可開展轉(zhuǎn)子葉片和機(jī)匣單點(diǎn)、局部及整圈的碰摩規(guī)律分析。新型葉片-機(jī)匣碰摩模型如圖1所示。在轉(zhuǎn)靜子間隙分布曲線C（a）中，kr為碰摩剛度，f為摩擦系數(shù)，N為轉(zhuǎn)子葉片數(shù)目，wr為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

圖1 葉片-機(jī)匣碰摩模型

參照發(fā)動機(jī)實(shí)際葉片布局，將N片葉片設(shè)為均勻分布。在t時(shí)刻，第i片葉片與x軸的夾角為θbi=2πi/N+ωrt。

不妨設(shè)t時(shí)刻轉(zhuǎn)子振動位移為xr，yr；機(jī)匣振動位移為xc，yc。不難計(jì)算得t時(shí)刻轉(zhuǎn)子葉片和機(jī)匣在徑向位移rbi和rci分別為

又設(shè)在θbi角處，轉(zhuǎn)靜子之間的間隙為c(θbi)。則在t時(shí)刻，轉(zhuǎn)子第i片葉片與機(jī)匣的碰摩的判斷條件為：rbi-rci>c(θbi)。當(dāng)不滿足碰摩條件時(shí)，碰摩力為零；當(dāng)滿足碰摩條件，轉(zhuǎn)靜子碰摩后，作用于轉(zhuǎn)子第i（i=1，2，…，N）片葉片上的碰摩力法向力為

分解在X和Y方向上的力分別為

碰摩力切向力為

分解在X和Y方向上的力分別為

在t時(shí)刻作用于轉(zhuǎn)子第i片葉片上的碰摩力為

顯然，在t時(shí)刻作用于轉(zhuǎn)子的碰摩力為N片葉片碰摩力之和，即

2 雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機(jī)碰摩仿真分析

本文以典型小涵道比雙轉(zhuǎn)子航空發(fā)動機(jī)為研究對象。發(fā)動機(jī)為帶有中介軸承的雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，是典型的盤、鼓筒和軸組成的混合式轉(zhuǎn)子。發(fā)動機(jī)共有5個支點(diǎn)支撐，低壓轉(zhuǎn)子為1-1-1支承方式，高壓轉(zhuǎn)子為1-0-1支承方式，高低壓轉(zhuǎn)子反向旋轉(zhuǎn)，如圖2所示。

圖2 典型雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)

根據(jù)發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)模型建立了雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機(jī)整機(jī)仿真分析模型，如圖3所示。整機(jī)模型中包含轉(zhuǎn)子、靜子承力系統(tǒng)等，可計(jì)算模擬高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片與高壓渦輪機(jī)匣碰摩振動響應(yīng)。

圖3 發(fā)動機(jī)整機(jī)計(jì)算模型

碰摩剛度設(shè)為2.5×107N/m，摩擦系數(shù)設(shè)為0.1。

葉片-機(jī)匣碰摩仿真的計(jì)算時(shí)間歷程見表1。從表中可見：

表1 葉片-機(jī)匣碰摩時(shí)間歷程設(shè)置

（1）在第0～28 s，設(shè)置轉(zhuǎn)靜間隙很大，其目的是為了避免轉(zhuǎn)靜碰摩；

（2）在第28～30 s，轉(zhuǎn)靜間隙降至0.5 mm，轉(zhuǎn)靜間發(fā)生碰摩；

（3）在第30～100 s，轉(zhuǎn)靜間隙一直為0.5 mm，保證碰摩一直存在。

按照上述條件進(jìn)行雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機(jī)高壓渦輪葉片和高壓渦輪機(jī)匣碰摩振動響應(yīng)仿真，在高壓渦輪葉片-機(jī)匣碰摩下的中介機(jī)匣處加速度如圖4所示，在不同轉(zhuǎn)速下碰摩時(shí)的時(shí)域波形和頻譜如圖5所示。

圖4 在高壓渦輪葉片-機(jī)匣碰摩下的中介機(jī)匣處的加速度

圖5 不同轉(zhuǎn)速下碰摩時(shí)波形頻譜特征

其中，時(shí)間波形圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間周期，幅頻圖中橫坐標(biāo)為高壓N2轉(zhuǎn)速階次（倍頻），縱坐標(biāo)均為振動加速度幅值。由圖中可見，在低轉(zhuǎn)速下，高壓渦輪碰摩主要表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速的倍頻及組合頻率；在高轉(zhuǎn)速下頻譜主要表現(xiàn)為分頻及其組合頻率，在更高的轉(zhuǎn)速下主要表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速2倍頻和組合頻。

高壓渦輪葉尖與高壓渦輪機(jī)匣碰摩與不碰摩時(shí)，中介機(jī)匣測點(diǎn)振動響應(yīng)對比如圖6所示。從圖中可見，碰摩會導(dǎo)致中介機(jī)匣振動值在某些轉(zhuǎn)速段內(nèi)出現(xiàn)較大幅度的增大，如在7500 r/min附近和11000 r/min以上的轉(zhuǎn)速，而目前發(fā)動機(jī)高壓轉(zhuǎn)子多數(shù)工作在10000 r/min以上，碰摩可能導(dǎo)致發(fā)動機(jī)工作范圍內(nèi)振動增大比較明顯。

圖6 碰摩與不碰摩振動響應(yīng)對比

仿真分析結(jié)果表明，雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機(jī)高壓渦輪葉片和高壓渦輪機(jī)匣發(fā)生碰摩后，會激發(fā)非線性振動，主要表現(xiàn)為出現(xiàn)高壓轉(zhuǎn)子倍頻和高低壓組合頻振動成分，同時(shí)造成發(fā)動機(jī)機(jī)匣測點(diǎn)振動幅值較大幅度地增大。

3 雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機(jī)碰摩振動數(shù)據(jù)分析

3.1 振動測點(diǎn)

某型發(fā)動機(jī)在臺架試車時(shí)，分別在中介機(jī)匣和渦輪后機(jī)匣安裝了3個振動傳感器測點(diǎn)，如圖7所示。其中測點(diǎn)1位于中介機(jī)匣下方垂直位置，監(jiān)測中介機(jī)匣水平方向振動總量；測點(diǎn)2位于中介機(jī)匣下方垂直位置，采用窄帶跟蹤，監(jiān)測高壓轉(zhuǎn)子垂直方向（徑向）基頻振動；測點(diǎn)3位于渦輪后機(jī)匣左側(cè)水平位置，監(jiān)測高壓轉(zhuǎn)子水平方向（徑向）基頻振動。

圖7 振動測點(diǎn)位置

3.2 試車振動數(shù)據(jù)分析

發(fā)動機(jī)在某次臺架試車過程中，出現(xiàn)振動偏大現(xiàn)象。該次試車各測點(diǎn)振動時(shí)域曲線如圖8所示。從圖中可見：

圖8 發(fā)動機(jī)某次試車振動時(shí)域曲線

（1）在高壓轉(zhuǎn)速為90%時(shí)，測點(diǎn)1～3的振動值分別為23、33、13 mm/s；

（2）在由高壓轉(zhuǎn)速為72%上推到高狀態(tài)過程中，測點(diǎn)1～3的振動幅值隨轉(zhuǎn)速升高急劇增大，到某一轉(zhuǎn)速后振動突降到較低水平；

（3）在高壓轉(zhuǎn)速為72%上推到高狀態(tài)后下拉到低狀態(tài)不停留，再次上推其振動未隨轉(zhuǎn)速升高而增大。

高壓轉(zhuǎn)速為90%穩(wěn)態(tài)時(shí)測點(diǎn)2、3的3維振動頻譜如圖9所示。從圖中可見，高壓測點(diǎn)均有明顯的高壓2倍頻（2f2）振動成分，尤其是測點(diǎn)2，高壓2倍頻（2f2）振動幅值達(dá)到了11 mm/s，同時(shí)測點(diǎn)2有高低壓組合頻（f1+f2）振動成分，但幅值較小。

圖9 高壓轉(zhuǎn)速為90%時(shí)測點(diǎn)2、3的3維振動頻譜

發(fā)動機(jī)由高壓轉(zhuǎn)速為72%上推至高狀態(tài)過程中，測點(diǎn)2、3的3維振動頻譜如圖10所示。從圖中可見：

圖10 慢車上推高狀態(tài)測點(diǎn)3維瀑布

（1）測點(diǎn)2高壓基頻振動幅值隨著轉(zhuǎn)速的升高而增大，有高壓2倍頻（2f2）振動成分，但振動幅值不大，隨著高壓基頻的增大而增大；

（2）測點(diǎn)3的高壓基頻振動幅值相對較小，有高壓2倍頻（2f2）振動成分，但振動幅值不大。

通過對試車數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，某發(fā)動機(jī)振動突升突降主要有2種模式，如圖11所示。

圖11 2種振動突降模式

（1）在轉(zhuǎn)速上推的過程中振動持續(xù)增大，到某一轉(zhuǎn)速后振動突降到較低水平；

（2）上推過程中振動值一直增大后下拉到慢車轉(zhuǎn)速再上推振動值恢復(fù)正常，維持在較低水平。

3.3 振動特征及原因分析

通過對整機(jī)振動信號進(jìn)行分析，得出振動特征如下：

（1）在某發(fā)動機(jī)試車過程中，振動偏大或振動峰值均出現(xiàn)在上推狀態(tài)；

（2）在發(fā)動機(jī)低轉(zhuǎn)速狀態(tài)停留時(shí)間對振動有直接影響，即振動峰值與溫度直接相關(guān)；

（3）在同一次試車過程中，過渡態(tài)振動峰值出現(xiàn)在低狀態(tài)上推高狀態(tài)過程中，但并不是每次低狀態(tài)上推高狀態(tài)過程中均出現(xiàn)振動峰值，即這種過渡態(tài)振動峰值在同一次試車過程中未呈現(xiàn)出重復(fù)性；

（4）振動偏大時(shí)主要表現(xiàn)為高壓基頻振動，同時(shí)伴隨著高壓倍頻和高低壓組合頻振動成分。

為分析發(fā)動機(jī)振動原因，結(jié)合發(fā)動機(jī)振動特征和常見的機(jī)械振動故障特征進(jìn)行對比，建立發(fā)動機(jī)振動故障樹，并對故障進(jìn)行了排除和分析，見表2。

表2 振動特征分析與排除

綜合以上分析認(rèn)為，該發(fā)動機(jī)發(fā)生的振動與碰摩特征最為一致，高壓轉(zhuǎn)子碰摩是導(dǎo)致發(fā)動機(jī)振動增大的主要原因。

為排除振動故障，對發(fā)動機(jī)進(jìn)行了分解檢查，未發(fā)現(xiàn)其他結(jié)構(gòu)故障，主要是高壓渦輪葉尖與高壓渦輪外環(huán)發(fā)生了局部碰摩，如圖12所示。分解檢查結(jié)果與故障特征的分析結(jié)果一致。

圖12 高壓渦輪外環(huán)碰摩

分析認(rèn)為發(fā)生碰摩的主要原因是發(fā)動機(jī)在上推過程中，轉(zhuǎn)子受離心力和熱載荷作用，變形較大；而靜子機(jī)匣僅受熱載荷作用變形較?。磺肄D(zhuǎn)子熱變形較快，靜子熱變形相對較慢，轉(zhuǎn)子和靜子熱變形不協(xié)調(diào)。在以上綜合作用下，導(dǎo)致轉(zhuǎn)靜子間隙消失，發(fā)生碰摩，振動值增大，隨著溫度進(jìn)一步升高，轉(zhuǎn)靜子熱變形協(xié)調(diào)，碰摩脫開，振動值減小。

4 結(jié)論

（1）仿真分析表明雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機(jī)碰摩時(shí)，發(fā)動機(jī)振動值會有較大幅度的增大，同時(shí)各測點(diǎn)會出現(xiàn)較強(qiáng)的非線性振動，主要表現(xiàn)為轉(zhuǎn)子倍頻振動和高低壓組合頻振動。

（2）某發(fā)動機(jī)振動偏大的主要原因是高壓渦輪轉(zhuǎn)子和機(jī)匣發(fā)生了碰摩，其表現(xiàn)主要為高壓基頻振動增大，同時(shí)高壓2倍頻和高低壓組合頻振動成分明顯，實(shí)測振動數(shù)據(jù)與仿真分析結(jié)果基本一致。

（3）某發(fā)動機(jī)發(fā)生碰摩的主要原因是發(fā)動機(jī)由低狀態(tài)上推高狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)靜子熱變形不協(xié)調(diào)導(dǎo)致間隙消失而導(dǎo)致的；當(dāng)熱變形協(xié)調(diào)后，碰摩脫開，振動值減小恢復(fù)正常水平。

可對發(fā)動機(jī)振動信號進(jìn)行分析，提取振動特征，結(jié)合發(fā)動機(jī)分解檢查情況，明確振動原因，為其試車過程中振動故障診斷和定位提供有效依據(jù)。