某型航空發(fā)動機轉子不平衡故障的仿真分析

李書明 張永霖

摘要：航空發(fā)動機故障種類繁多，轉子不平衡故障是典型的振動故障之一，對航空發(fā)動機轉子進行不平衡故障的仿真分析可以為航空發(fā)動機的維修工作提供參考依據(jù)。本文針對某型航空發(fā)動機轉子建立簡化模型，運用有限元法進行不平衡故障的仿真分析。研究表明，低壓轉子或者高壓轉子上存在不平衡故障時，高壓渦輪盤振幅最大，其次為低壓渦輪四級輪盤；高壓轉子和低壓轉子同時存在不平衡故障時，轉子系統(tǒng)各部件振幅顯著增大。

關鍵詞：航空發(fā)動機；振動故障；不平衡故障；有限元

Keywords：aero-engine；vibration fault；unbalanced fault；finite element

0 引言

航空發(fā)動機是多系統(tǒng)的部件，具有十分復雜的結構，很多不可控因素的影響使航空發(fā)動機故障多發(fā)，航空發(fā)動機故障研究是一個十分重要的課題[1，2]。其中，轉子不平衡故障是航空發(fā)動機典型振動故障之一，由于轉子質量不平衡引起的振動會引起整個發(fā)動機的振動，造成嚴重危害[3]。轉子質量不平衡主要由兩個原因引起，一是在加工過程中因材質差異或裝配誤差等而產生，二是在后續(xù)運行或者維修工作中轉子出現(xiàn)缺陷、劃痕或者磨損等所致[4]。

本文針對某型航空發(fā)動機的轉子系統(tǒng)建立有限元模型，對其進行不平衡故障的仿真分析，包括低壓轉子不平衡故障、高壓轉子不平衡故障和高低壓轉子同時不平衡故障，以探究轉子系統(tǒng)部件的振幅情況。目的是通過不平衡故障分析，了解故障造成的影響，為航空發(fā)動機維修工作提供參考依據(jù)，對振幅較大位置嚴格規(guī)范工作，盡量減少故障的發(fā)生率。

1 有限元模型的建立

某型民用航空發(fā)動機結構如圖1 所示，低壓轉子由風扇、三級低壓壓氣機和四級低壓渦輪組成，高壓轉子由九級高壓壓氣機和一級高壓渦輪組成。

轉子支承方式如圖2所示，從左至右共5個軸承，編號依次為軸承1、軸承2、軸承3、軸承4和軸承5。低壓轉子通過軸承1、軸承2、軸承5與機匣連接，高壓轉子通過軸承3與機匣連接，同時通過軸承4與低壓轉子相連。軸承4也被稱為中介軸承，內圈連接低壓轉子，外圈連接高壓轉子，它的存在加強了高低壓轉子之間的耦合作用。

2 不平衡故障分析

綜合分析可知，低壓轉子或高壓轉子存在不平衡故障時，高壓渦輪盤振幅最大，其次為低壓渦輪四級輪盤，因此在航空發(fā)動機維修或生產加工過程中應嚴格控制這兩個部件的質量，盡量減少工藝誤差。高低壓轉子同時存在不平衡故障時，4個位置在相應不平衡量頻率下的振幅都有顯著增大，其中在不平衡量頻率為78Hz或者79Hz時增幅最大，在航空發(fā)動機維修或設計生產過程中應更加嚴格規(guī)范操作，避免同時存在不平衡故障。

3 結論

采用有限元法對航空發(fā)動機轉子系統(tǒng)進行了不平衡故障的仿真分析，得到結論如下：

1）低壓轉子或者高壓轉子上存在不平衡故障時，高壓渦輪盤振幅最大，其次為低壓渦輪四級輪盤。

2）高低壓轉子同時存在不平衡故障時，轉子系統(tǒng)各部件振幅顯著增大。

參考文獻

[1] S Liu，Y Ma，D Zhang，et al. Studies on Dynamic Characteristics of the Joint in the Aero-engine Rotor System [J]. Mechanical Systems & Signal Pro- cessing，2012，29（5）：120-136.

[2] B Daniel，M Christopher，R K Daniel，et al. Gas Turbine Engine with Tie Shaft for Axial High Pressure Compressor Rotor：US，20110219781[P]. 2011-9-15.

[3]陳予恕，張華彪.航空發(fā)動機整機動力學研究進展與展望[J].航空學報，2011，32（8）：1371-1391.

[4]段聰聰.航空發(fā)動機轉子建模與不平衡振動響應特性仿真研究[D]. 北京：北京化工大學，2018.

作者簡介

李書明，博士，教授，主要研究方向：航空發(fā)動機故障診斷、飛機發(fā)動機健康管理。

張永霖，碩士，主要研究方向：航空發(fā)動機振動。