摘要:發(fā)動機(jī)的振動故障是發(fā)動機(jī)較為常見的一種故障,在飛行過程中會對飛機(jī)造成安全影響,甚至導(dǎo)致空難。在發(fā)動機(jī)維修與試車過程中,振動故障的排除一直是難題。本文根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗,總結(jié)了PW4000發(fā)動機(jī)試車中常見的振動故障及相應(yīng)的排故方法。
關(guān)鍵詞:航空發(fā)動機(jī);振動;頻譜分析
Keywords:aero-engine;vibration;spectrum analysis
0 引言
航空發(fā)動機(jī)為飛機(jī)的飛行提供動力,被稱作飛機(jī)的心臟。在發(fā)動機(jī)在翼使用及發(fā)動機(jī)在廠維修試車過程中,振動故障是較為常見的一種故障。發(fā)動機(jī)試車過程中對振動故障的分析較為復(fù)雜,需要考慮諸多因素,需要進(jìn)行大量的排故工作,輕者需要平衡風(fēng)扇轉(zhuǎn)子,嚴(yán)重的甚至需要發(fā)動機(jī)返廠重新分解組裝。本文根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗,對PW4000發(fā)動機(jī)試車中常見的振動故障及相應(yīng)的排故方法進(jìn)行總結(jié)。
1 PW4000發(fā)動機(jī)振動情況
振動是自然界最普遍的現(xiàn)象之一。物體相對于平衡位置所做的往復(fù)運動稱為機(jī)械振動,簡稱振動。振動三要素為振幅、頻率、相位。
PW4000發(fā)動機(jī)為雙轉(zhuǎn)子軸流式發(fā)動機(jī),100%N1轉(zhuǎn)速為3600rpm(60Hz),100%N2轉(zhuǎn)速為9900rpm(165Hz),因此PW4000發(fā)動機(jī)的振動屬于中低頻振動,一般用振動位移(mil)或振動速度(IPS)來描述振動強(qiáng)度。按照轉(zhuǎn)速(頻率)又分為 N1、N2、BB(總量,矢量和)振動。
PW4000發(fā)動機(jī)本身的振動傳感器位于風(fēng)扇機(jī)匣A安裝邊;在試車臺進(jìn)行試車時,還需在排氣機(jī)匣P安裝邊加裝另外一個試車傳感器。發(fā)動機(jī)的N1轉(zhuǎn)速是由位于中介機(jī)匣內(nèi)的N1速度傳感器發(fā)送給EEC的,N2轉(zhuǎn)速是由安裝在齒輪箱上的N2速度傳感器發(fā)送給EEC的;相位角信號來自發(fā)動機(jī)內(nèi)部的齒輪脈沖,渦輪軸連接器前端具有轉(zhuǎn)速表齒輪,該齒輪上有一個短齒,每轉(zhuǎn)一圈可提供一個脈沖。
振動信號由振動傳感器采集,通過推力架上的線纜傳輸?shù)皆囓嚺_MPI32計算機(jī),經(jīng)過進(jìn)一步的信號處理,得出最終的振動值。主要的處理裝置包括放大器、濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換、控制程序、數(shù)字信號處理器等。振動傳感器產(chǎn)生的振動信號是時域的。這種信號顯示的是很多不同振動源的復(fù)合振動。頻譜分析是將時域波形通過傅里葉變換(FFT)轉(zhuǎn)換為頻域波形,忽略各個不同波形的初始相位,只考慮其頻率和幅值,相當(dāng)于將一個復(fù)雜的振動波形按其激振源分列開來,這些波形的頻率為基準(zhǔn)波形的整數(shù)倍,如圖1所示。最終的BB、N1、N2振動值將通過相應(yīng)試車界面顯示在屏幕上,并可以通過平衡計算程序計算出修正N1不平衡量所需安裝配重的件號和位置。
PW4000的AMM手冊及EM手冊中給出的振動極限是振動測試的驗收標(biāo)準(zhǔn),AMM振動極限:BB為1.80IPS,N1為1.51IPS,N2為1.25IPS;EM振動極限:BB為0.9IPS,N1為0.65IPS,N2為0.8IPS。當(dāng)客戶有更加嚴(yán)格的要求時,甚至?xí)蟀凑誆M振動極限的70%出廠。
2 PW4000發(fā)動機(jī)典型振動故障及排故措施
當(dāng)發(fā)生振動故障時,首先應(yīng)判斷振動傳感器及其傳輸線纜以及試車設(shè)備是否存在故障,若存在故障需先予以排除,以獲得發(fā)動機(jī)真實的振動值。此外,引起發(fā)動機(jī)振動的原因可能包括轉(zhuǎn)子本身不平衡、壓氣機(jī)或渦輪葉片損壞、軸承損壞、附件失效、傳動系統(tǒng)故障、單元體不匹配、N1倍頻共振等。
2.1 轉(zhuǎn)子本身不平衡引起的振動
轉(zhuǎn)子本身不平衡引起的振動是最常見的振動故障,其振動表現(xiàn)為N1或N2轉(zhuǎn)子振動較高,從而引起B(yǎng)B總量也較高。此類振動故障通常采取的排故措施是在風(fēng)扇轉(zhuǎn)子轂前端增加配重,配重的重量和位置由平衡程序根據(jù)轉(zhuǎn)子不平衡量和相位角得出。此種平衡方式是最常見最普遍的修正振動方式,但只對N1轉(zhuǎn)子A安裝邊的振動效果較為明顯,對N1轉(zhuǎn)子P安裝邊的振動也有一定的平衡作用,卻并不一定能完全平衡N1轉(zhuǎn)子P安裝邊的振動。對風(fēng)扇的平衡,配重總和不能超過EM手冊極限的50oz-in,若在50oz-in范圍內(nèi)無法平衡N1振動,需考慮調(diào)整風(fēng)扇葉片順序或更換風(fēng)扇葉片。同時,平衡風(fēng)扇對N2轉(zhuǎn)子振動的影響較小,通常無法修正N2轉(zhuǎn)子的振動故障。因此,針對N1轉(zhuǎn)子P安裝邊振動高或N2轉(zhuǎn)子振動高,用風(fēng)扇平衡方式無法修正的情況下,通常發(fā)動機(jī)需要返廠,對相應(yīng)的LPT、HPC、HPT等單元體進(jìn)行孔探,甚至重新分解、平衡和組裝。
圖2~圖4所示的振動故障案例為典型的風(fēng)扇不平衡引起的振動故障。該發(fā)動機(jī)按照平衡程序的計算結(jié)果安裝配重后,振動故障得以排除。
另外,若相位角出現(xiàn)故障或平衡程序無法計算出配重重量及位置時,可以采用三圓法平衡方式(Sommervaille Three Weight Method)來進(jìn)行平衡。三圓法需要發(fā)動機(jī)進(jìn)行四次試運轉(zhuǎn),一次“觀察”運轉(zhuǎn)和三次帶配重塊的“測量”運轉(zhuǎn);所有運轉(zhuǎn)中測量的振動值均為在選定N1轉(zhuǎn)速點的低壓振動幅值;通過矢量運算的方法,確定不平衡量的重量和位置。具體操作步驟可以參考PW4000EM手冊相應(yīng)章節(jié)。
2.2 N1倍頻共振引起的振動
N1倍頻共振引起的振動是另一種較為常見且非常具有迷惑性的振動故障。此種故障的通常表現(xiàn)為N1、N2振動值均較低,但BB總量較高。此種故障的發(fā)生是由于某一轉(zhuǎn)速下,N1的倍頻(可能是2倍頻、3倍頻或6倍頻等)與發(fā)動機(jī)其他部件產(chǎn)生共振,從而導(dǎo)致振動總量較高。倍頻引起的振動故障需通過改變N1轉(zhuǎn)子固有頻率來消除共振的影響,但僅僅平衡風(fēng)扇通常無法消除倍頻共振,更有效的方法是更換風(fēng)扇葉片或調(diào)整風(fēng)扇葉片順序。判斷振動故障是否是由N1倍頻引起的,首先需確保振動傳感器系統(tǒng)工作正常,并檢查確認(rèn)發(fā)動機(jī)外部件均緊固,沒有引起B(yǎng)B異常高振動的可能,再通過頻譜分析來進(jìn)行判斷。
圖5~圖8所示的案例是典型的N1轉(zhuǎn)子2倍頻振動故障。從振動圖可以看出,N1、N2的振動均一直處于較低狀態(tài),但BB風(fēng)扇振動在起飛功率下異常,已接近極限0.9IPS。為進(jìn)一步分析振動故障,在起飛功率下進(jìn)行頻譜分析,可以發(fā)現(xiàn)N1(3415rpm)、N2(9348rpm)所對應(yīng)的振動都很低,高振動是由6825rpm引起的,而此轉(zhuǎn)速(頻率)正好十分接近于2倍的N1轉(zhuǎn)速,因此判斷此發(fā)動機(jī)為N1轉(zhuǎn)子2倍頻振動故障。最終,通過調(diào)整風(fēng)扇葉片排序,使振動故障得以排除。
更具有迷惑性的是N1轉(zhuǎn)子3倍頻振動故障。由于N2的轉(zhuǎn)速與N1轉(zhuǎn)速的3倍較為接近,因此當(dāng)出現(xiàn)N1轉(zhuǎn)子3倍頻振動故障時,該振動峰值可能會被N2振動圖捕捉到,從而造成N2轉(zhuǎn)子振動高的假象。如果不進(jìn)行頻譜分析并仔細(xì)甄別,誤以為N2轉(zhuǎn)子本身振動高,導(dǎo)致發(fā)動機(jī)返廠排除N2故障,就會誤入歧途。圖9~圖12的案例是較為典型的N1轉(zhuǎn)子3倍頻振動故障,從圖中可以看出,N1轉(zhuǎn)子振動較低,但BB振動總量和N2轉(zhuǎn)子振動在N2轉(zhuǎn)速9000rpm附近出現(xiàn)峰值。如果不深入進(jìn)行頻譜分析,單從振動曲線著手,很容易誤以為N2轉(zhuǎn)子振動異常。但通過振動高點頻譜分析發(fā)現(xiàn),振動主要來自于9187.5rpm轉(zhuǎn)速,但此時N2轉(zhuǎn)速為8895.4rpm,進(jìn)一步計算發(fā)現(xiàn)9187.5rpm十分近似于N1轉(zhuǎn)速3063.9rpm的三倍,因此判斷此發(fā)動機(jī)的振動故障并不是N2轉(zhuǎn)子本身的振動故障,而是由于N1轉(zhuǎn)子3倍頻所導(dǎo)致的。最終,通過調(diào)整風(fēng)扇葉片的順序而排除了故障。
2.3 單元體性能不匹配
單元體氣動性能不匹配也可能引起振動異常,這種情況較為少見,通常需要對單元體進(jìn)行分解、檢查、裝配,甚至更換單元體。某發(fā)動機(jī)進(jìn)行試車時,N1轉(zhuǎn)子振動較低,但BB振動總量和N2轉(zhuǎn)子振動直線上升超過振動極限。通過頻譜分析發(fā)現(xiàn),振動確實是由N2轉(zhuǎn)子本身引起的,因此發(fā)動機(jī)返廠排故。但三次返廠、分解檢查中,發(fā)動機(jī)各單元體及零件均無異常。第一次返廠,改變HPC與HPT單元體的對接角度,振動故障依舊;第二次返廠,對HPT單元體進(jìn)行分解、平衡、組裝,振動故障依舊;第三次返廠,更換HPT單元體后,振動故障排除。
3 總結(jié)
PW4000發(fā)動機(jī)引起振動故障的原因多種多樣,但只要掌握分析方法,各種問題將迎刃而解。首先,確定振動傳感器及相關(guān)設(shè)備均無異常,且外部件對振動沒有影響,將振動問題集中到發(fā)動機(jī)本身。若N1轉(zhuǎn)子振動高,需對風(fēng)扇進(jìn)行平衡,甚至調(diào)整風(fēng)扇葉片或LPT單元體,以實現(xiàn)N1轉(zhuǎn)子振動達(dá)到較低狀態(tài)。N1轉(zhuǎn)子振動達(dá)到較低狀態(tài)后,若N2轉(zhuǎn)子振動較高,此時需進(jìn)行頻譜分析,以確定是N2轉(zhuǎn)子本身振動高還是N1轉(zhuǎn)子3倍頻引起的振動高;若N2轉(zhuǎn)子本身振動高,需返廠孔探、分解、檢查、裝配,甚至更換單元體;若N1轉(zhuǎn)子3倍頻引起的振動高,需調(diào)整風(fēng)扇葉片。若N1、N2轉(zhuǎn)子振動均較低,但BB振動總量較高,需進(jìn)行頻譜分析,通常是由N1轉(zhuǎn)子倍頻引起的高振動,需調(diào)整風(fēng)扇葉片。
作者簡介
吳小光,工程師,主要從事發(fā)動機(jī)維修及試車工作。