航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)故障診斷技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)

鄭帥

摘要：在我國(guó)進(jìn)入21世紀(jì)迅猛發(fā)展的新時(shí)期，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)性能要求的提高，先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪工作葉片為滿足氣動(dòng)性能要求，一般設(shè)計(jì)成薄而長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)形式，這樣的葉片構(gòu)型由于剛性較低，容易引起葉片共振和顫振的危險(xiǎn)。因此，工程上為提高展弦比較高的渦輪葉片的剛性，在葉片頂部均設(shè)計(jì)了帶冠結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)利用葉片的解扭和熱膨脹變形，亦或是裝配時(shí)產(chǎn)生的葉片預(yù)扭來(lái)保證葉冠之間工作面的相互抵緊，從而使葉冠形成一個(gè)環(huán)形的整體，將葉片由懸臂態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楹?jiǎn)支狀態(tài)，提高了渦輪葉片的整體剛度，同時(shí)，相鄰葉冠抵緊面之間的振動(dòng)摩擦還可以形成阻尼，消耗葉片的振動(dòng)能量，起到葉片減振效果。但是，葉冠與葉冠工作面之間的接觸摩擦具有明顯的非線性，因此，采用常規(guī)的帶冠渦輪葉片模型獲得的模態(tài)結(jié)果精度很難保證，這就給帶冠葉片的振動(dòng)設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的困難。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī);振動(dòng)故障;診斷技術(shù);發(fā)展趨勢(shì)

1概述

振動(dòng)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要監(jiān)控參數(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，需要解決各種振動(dòng)問(wèn)題。發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)之所以特別重要，是因?yàn)檎駝?dòng)直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作和壽命，如果發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)振動(dòng)異常而不及時(shí)加以檢查排除，就有可能造成嚴(yán)重的后果。因此，航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)故障診斷一直都是航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)測(cè)試中的一個(gè)重要研究課題。

2航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)故障診斷技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)

2.1管路防振設(shè)計(jì)分析

對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路的防振設(shè)計(jì)，一是檢查管路的自振頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速頻率是否有共振，如有共振，需要進(jìn)行調(diào)頻設(shè)計(jì);二是檢查管路的振動(dòng)應(yīng)力，如果振動(dòng)應(yīng)力大于許用應(yīng)力，就要改進(jìn)管路的支承固定、改進(jìn)有關(guān)的附件支承固定，或者采用各種減振措施，使管路的振動(dòng)應(yīng)力降到許用應(yīng)力水平。

2.2共振故障診斷技術(shù)

對(duì)于亞音速收斂型尾噴管，一般為薄壁殼體構(gòu)件，由于處在高溫高壓燃?xì)猸h(huán)境中，工作環(huán)境極其惡劣，且尾噴管具有自身尺寸大、壁厚薄、剛性弱的特點(diǎn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)或外場(chǎng)飛行中易于出現(xiàn)振動(dòng)大甚至局部開(kāi)裂的故障，影響發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的安全性、可靠性和結(jié)構(gòu)的完整性。同時(shí)，過(guò)大的振動(dòng)會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)氣流通道的形狀、氣體流動(dòng)規(guī)律和部件性能效率，甚至?xí)⒋蟮恼駝?dòng)傳遞給飛機(jī)，進(jìn)而影響飛機(jī)的飛行品質(zhì)和安全性，因此防止高頻振動(dòng)是薄壁尾噴管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的一項(xiàng)重要任務(wù)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管開(kāi)展了相關(guān)研究工作，對(duì)尾噴管的流動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證;用準(zhǔn)線性公式獲得了火箭噴管流動(dòng)中的化學(xué)和振動(dòng)區(qū);對(duì)噴管整體結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了自由振動(dòng)模態(tài)分析，獲得了多階自振頻率和模態(tài)，為結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供參考價(jià)值;對(duì)某固體發(fā)動(dòng)機(jī)噴管結(jié)構(gòu)進(jìn)行了自由振動(dòng)和模態(tài)分析，獲得了噴管的多階自振頻率和模態(tài);對(duì)尾噴管進(jìn)行了熱流固耦合分析，揭示了溫度場(chǎng)、流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)之間的作用關(guān)系;對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口整流結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，采用三維外形參數(shù)化、CATIA軟件二次開(kāi)發(fā)等技術(shù)對(duì)三維后體尾噴管進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，較大幅度提升了綜合性能。國(guó)內(nèi)外學(xué)者雖對(duì)薄壁尾噴管開(kāi)展了相關(guān)研究，但研究?jī)?nèi)容相對(duì)較少，且未對(duì)薄壁構(gòu)件振動(dòng)展開(kāi)深層次分析研究。

2.3兩級(jí)燃油泵耦合振動(dòng)特性分析方法和流程

振動(dòng)特性是指連續(xù)質(zhì)量彈性體結(jié)構(gòu)在無(wú)阻尼（或不考慮阻尼）自由振動(dòng)時(shí)的振型和頻率，振動(dòng)特性分析的實(shí)質(zhì)就是求解結(jié)構(gòu)無(wú)阻尼自由振動(dòng)時(shí)的振型和頻率，并通過(guò)分析結(jié)構(gòu)的工作情況，比如離心力等外載荷作用的時(shí)頻特性等，使結(jié)構(gòu)在實(shí)際工作中避開(kāi)激振源，避免發(fā)生共振故障。結(jié)構(gòu)振型和頻率的獲得通常有兩種方法：（1）實(shí)驗(yàn)法，比如通過(guò)測(cè)量結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)、再進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別可得;（2）計(jì)算法，可利用基本公式對(duì)形狀復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行近似的數(shù)值求解，但通常只能用于求解基頻;隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，有限元法發(fā)展成工程上常用、可用于更復(fù)雜形狀彈性體結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性計(jì)算的方法。

2.4功率譜分析

在管路高階頻率在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的情況下，應(yīng)保證管路能承受壽命周期內(nèi)的振動(dòng)，管路的振動(dòng)應(yīng)力應(yīng)小于許用應(yīng)力。為檢查管路的振動(dòng)應(yīng)力，對(duì)管路進(jìn)行功率譜分析。譜分析是將模態(tài)分析與譜聯(lián)系起來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的分析技術(shù)。功率譜密度是將對(duì)時(shí)域的振動(dòng)描述轉(zhuǎn)化為對(duì)頻域的振動(dòng)描述，反映了隨機(jī)過(guò)程中統(tǒng)計(jì)參量均方值在頻域上的分布，也就是振動(dòng)能量的概率分布。

2.5載荷計(jì)算

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，燃油泵工況（自身轉(zhuǎn)速、泵出燃油的壓力和流量）也會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)飛機(jī)地面滑行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在慢車轉(zhuǎn)速下，需油量最小，燃油泵功率最小，即此時(shí)燃油泵轉(zhuǎn)速最小、承受的油液扭矩也最小;相反，當(dāng)飛機(jī)最大功率起飛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在最大轉(zhuǎn)速下工作，需油量最大，燃油泵功率最大，即此時(shí)燃油泵轉(zhuǎn)速最大、承受的油液扭矩也最大。本文作者選取發(fā)動(dòng)機(jī)慢車至最大起飛工作狀態(tài)之間的若干工況下，兩級(jí)燃油泵轉(zhuǎn)動(dòng)部件的離心力、油液扭矩載荷作為結(jié)構(gòu)含預(yù)應(yīng)力振動(dòng)特性計(jì)算的初始條件。

2.6管路頻率計(jì)算與調(diào)頻分析

與原金屬管路固有頻率對(duì)比可知，增加金屬軟管管路的各階頻率均低于原管路，說(shuō)明金屬軟管降低管路的剛度，使管路的固有頻率明顯下降;且隨著階次的升高，頻率差值不斷增大。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，帶金屬軟管的管路1、2階及6～9階頻率均在危險(xiǎn)范圍內(nèi)。為使改制后的帶金屬軟管的管路避開(kāi)危險(xiǎn)范圍的頻率，對(duì)管路進(jìn)行調(diào)頻設(shè)計(jì)。對(duì)管路調(diào)頻時(shí)常用方法有調(diào)整管路的幾何參數(shù)、增加卡箍及調(diào)整卡箍位置。由于關(guān)系工程實(shí)際問(wèn)題，該管路走向是復(fù)雜的三維空間，是根據(jù)在發(fā)動(dòng)機(jī)上的位置、受限空間等進(jìn)行鋪敷，金屬鋼管的壁厚、直徑、彎曲半徑、轉(zhuǎn)角角度等尺寸參數(shù)無(wú)法再做比較大的調(diào)整，只能通過(guò)增加卡箍及調(diào)整卡箍位置進(jìn)行調(diào)頻。該管路彎管集中在管路右端，各彎管段較短且遠(yuǎn)離發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣，無(wú)法增加卡箍，因此只能在左端的直線段增加卡箍。該發(fā)動(dòng)機(jī)管路使用的卡箍為彈性支承卡箍，用彈性卡箍并墊聚四氟乙烯襯套，固定在彈性支架上，其特點(diǎn)是既能對(duì)導(dǎo)管起到支承作用，又具有減振阻尼效果，支承剛度為2×105 N·m。由于卡箍的體積、質(zhì)量相對(duì)于管路都十分小，對(duì)于彈性卡箍，可以采用彈簧單元模擬其力學(xué)特征。在已有的有限元模型基礎(chǔ)上，將彈簧單元添加在卡箍安裝位置處的節(jié)點(diǎn)。為保證周向剛度均勻，一個(gè)卡箍采用2個(gè)彈簧單元進(jìn)行模擬。

結(jié)語(yǔ)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)故障診斷技術(shù)是多學(xué)科知識(shí)的綜合運(yùn)用，在實(shí)際運(yùn)用中，為了準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)和分析發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)特性，有效地診斷并預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)故障，必須結(jié)合具體對(duì)象、目的和要求，選取合理適用的測(cè)試系統(tǒng)和處理方法。發(fā)展綜合振動(dòng)故障診斷技術(shù)，開(kāi)展振動(dòng)故障機(jī)理研究，是獲得滿意的監(jiān)測(cè)和診斷效果的有效途徑。

參考文獻(xiàn)

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