機(jī)場環(huán)境對某型民用飛機(jī)輔助動力裝置振動的影響研究

呂金華，張發(fā)富，張強(qiáng)

(中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司 上海飛機(jī)設(shè)計研究院，上海 200120)

0 引言

目前我國航空事業(yè)的飛速發(fā)展，除了可直接為飛機(jī)提供動力的主發(fā)動機(jī)外，還涌現(xiàn)出以輔助動力裝置(auxiliary power unit,APU)為代表的各種新型航空動力裝置。從原理上來說，輔助動力裝置相當(dāng)于一臺小型的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，主要功能有：地面起動主發(fā)動機(jī)、飛機(jī)地面運(yùn)轉(zhuǎn)或維護(hù)時提供電源、為飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)提供壓縮空氣源、驅(qū)動飛機(jī)的液壓系統(tǒng)、空中停車時提供應(yīng)急電源或起動主發(fā)動機(jī)等，其技術(shù)復(fù)雜程度與飛機(jī)主發(fā)動機(jī)相當(dāng)。航空輔助動力裝置主要作用是給主發(fā)動機(jī)提供起動時所需要的功率，尤其當(dāng)飛機(jī)的主發(fā)動機(jī)在高空運(yùn)行時發(fā)生故障，航空輔助動力裝置能夠提供主發(fā)動機(jī)快速起動所必需的液壓、電源等輔助能源，有力地保障了飛機(jī)的飛行安全[1-2]。

對于航空輔助動力裝置而言，振動是一個非常重要的監(jiān)控參數(shù)，振動信號的大小可以反映出航空輔助動力裝置運(yùn)行情況的好壞。在工程應(yīng)用中，航空輔助動力裝置絕大部分故障的產(chǎn)生首先都是因為發(fā)生了振動故障。振動異常除了會使零件損壞之外，還透露了航空輔助動力裝置中潛在故障的信息，如不及時加以檢查、排除，就有造成嚴(yán)重惡果的可能[3]。輔助動力裝置振動不僅與其本身轉(zhuǎn)子設(shè)計有關(guān)，還受到其使用環(huán)境如溫度、側(cè)風(fēng)等因素的影響。

國外主機(jī)供應(yīng)商如霍尼韋爾通過環(huán)境模擬試驗研究溫度、海拔高度等環(huán)境因素對輔助動力裝置振動的影響，但是由于各國對航空輔助動力裝置的振動研究還處于保密階段，相應(yīng)的技術(shù)文獻(xiàn)資料較少。目前國內(nèi)主要通過仿真分析環(huán)境因素對航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子振動的影響，如艾書民通過熱-結(jié)構(gòu)耦合模型研究溫度場對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動特性的影響[4-5]，但是缺少試驗研究。本文通過實(shí)機(jī)地面試驗研究機(jī)場風(fēng)向、溫度對輔助動力裝置振動能量的影響。

1 傳感器布置

本文采用在輔助動力裝置機(jī)匣布置壓電加速度計的方式測量輔助動力裝置的振動。根據(jù)某型輔助動力裝置結(jié)構(gòu)，在其齒輪箱頂部加裝3個加速度計以測量前軸承處轉(zhuǎn)子軸向、垂向和側(cè)向的振動。由于空間位置的限制，在渦輪機(jī)匣上部只能布置1個加速度計，以測量后軸承處轉(zhuǎn)子徑向的振動[6]。

加速度計采樣率為8192Hz，滿足Shannon采樣定理，可以有效采集輔助動力裝置的振動數(shù)據(jù)[7]。

2 振動數(shù)據(jù)處理

機(jī)械振動可以用振動位移、速度、加速度3個互相關(guān)聯(lián)的參數(shù)表示，其中速度反映物體的振動能量，加速度反映物體的振動慣性力[8]。本文使用振動速度方均根值(有效值VRMS)反映輔助動力裝置的振動能量，同時使用輔助動力裝置工作轉(zhuǎn)速下的加速度值反映輔助動力裝置的轉(zhuǎn)子激振力。

2.1 振動速度有效值

振動速度有效值VRMS為速度對時間的平均，計算公式如式(1)所示，其數(shù)值大小可以恰當(dāng)?shù)卦u價轉(zhuǎn)子的平衡質(zhì)量和運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的好壞。

(1)

式中：VRMS為振動速度有效值；Vi為每個采樣點(diǎn)的振動速度；n為每0.1s的采樣點(diǎn)數(shù)[9]。

2.2 傅里葉變換

基于傅里葉變換的頻域分析是目前比較成熟且使用最廣泛的航空發(fā)動機(jī)振動信號處理方法，可以將復(fù)雜的非平穩(wěn)時域信號轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定和清晰的頻域信號。對于時域信號x(t)，若x(t)滿足狄氏條件，在(-∞，+∞)上可積，則x(t)的傅里葉變換為

(2)

式中:F(ω)為傅里葉變換后的頻域信號；x(t)為振動時域信號[10]。

2.3 振動數(shù)據(jù)處理流程

本文對加速度傳感器采集得到的振動信號處理流程如圖1所示。

圖1 振動信號處理流程

在計算振動速度有效值之前需要先對加速度傳感器采集的原始信號進(jìn)行低通濾波、數(shù)值積分以及高通濾波處理。低通濾波保留2500Hz以下的振動信號，是為了避免高頻噪聲的影響。離散數(shù)值積分的目的是將加速度信號轉(zhuǎn)換為速度信號。高通濾波是為了消除離散數(shù)值積分引起的低頻噪聲。本文關(guān)心的是轉(zhuǎn)子激振力，轉(zhuǎn)子激振力由轉(zhuǎn)子運(yùn)動引起，主要成分為轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速下的力。所以本文在傅里葉變換后，需根據(jù)輔助動力裝置每秒的平均轉(zhuǎn)速選取此轉(zhuǎn)速對應(yīng)的加速度值。

齒輪箱軸向、垂向、側(cè)向和渦輪機(jī)匣徑向振動大小各不相同，絕對值無法有效、準(zhǔn)確反映機(jī)場風(fēng)向、溫度對輔助動力裝置各處振動的影響。因此本文用每個加速度傳感器在不同風(fēng)向(溫度)下的最大振動值進(jìn)行歸一化處理。

3 機(jī)場風(fēng)向?qū)φ駝拥挠绊?/h2>

3.1 機(jī)場風(fēng)向?qū)φ駝幽芰康挠绊?/h3>

假設(shè)飛機(jī)逆風(fēng)，且機(jī)場風(fēng)向與飛機(jī)軸線完全平行時為0°。在某型號飛機(jī)輔助動力裝置的齒輪箱和渦輪機(jī)匣上分別安裝振動傳感器，在錫林浩特機(jī)場將飛機(jī)分別放置在與機(jī)場風(fēng)向成90°、180°和270°的位置上，如圖2所示?？蛰d運(yùn)行輔助動力裝置2min，測量其振動情況，重復(fù)進(jìn)行2次試驗，取2次試驗的平均值。

圖2 飛機(jī)與機(jī)場風(fēng)向相對位置

對于采集的振動數(shù)據(jù)按圖1方法處理后得到輔助動力裝置在不同機(jī)場風(fēng)向下的振動速度有效值，如圖3所示。從圖中可以看出，齒輪箱軸向振動速度有效值在順風(fēng)180°下最大，在90°側(cè)風(fēng)下最小，兩者振動均值相差27.2%；齒輪箱側(cè)向振動速度有效值也是在順風(fēng)180°下最大，在90°側(cè)風(fēng)和270°側(cè)風(fēng)下的差異很小，振動均值相差最大為9.3%。齒輪箱垂向振動和渦輪機(jī)匣徑向振動在180°順風(fēng)、90°側(cè)風(fēng)和270°側(cè)風(fēng)下差異較小，振動均值相差最大僅為4.2%。因此，輔助動力裝置在順風(fēng)下的振動能量最大，在90°側(cè)風(fēng)、270°側(cè)風(fēng)下除了齒輪箱軸向振動能量差異明顯外，其余3個方向振動能量差異很小。這可能與輔助動力裝置的進(jìn)氣畸變有關(guān)，本文所測試的輔助動力裝置布置在飛機(jī)尾部中軸線附近，因此90°側(cè)風(fēng)和270°側(cè)風(fēng)下進(jìn)氣畸變差異很小，但是在順風(fēng)下，輔助動力裝置進(jìn)氣會受到進(jìn)氣風(fēng)門的阻擋，容易導(dǎo)致進(jìn)氣畸變的變大。

圖3 輔助動力裝置在不同機(jī)場風(fēng)向下的振動速度有效值

3.2 機(jī)場風(fēng)向?qū)D(zhuǎn)子激振力的影響

輔助動力裝置在不同機(jī)場風(fēng)向下的轉(zhuǎn)子頻率對應(yīng)的加速度值如圖4所示。從圖中可以看出，對于齒輪箱軸向振動，順風(fēng)180°下的加速度值最大，側(cè)風(fēng)90°下的加速度值最小，加速度平均值相差58%；對于齒輪箱側(cè)向振動，在，側(cè)風(fēng)90°下的加速度值最大，側(cè)風(fēng)270°下的加速度值最小，平均值相差27%；對于齒輪箱垂向振動和渦輪機(jī)匣徑向振動，兩者都是側(cè)風(fēng)90°下的加速度值最大，順風(fēng)180°下的加速度值最小，加速度平均值最大相差33%。因此本文輔助動力裝置的軸向激振力在順風(fēng)下較大，在徑向激振力在側(cè)風(fēng)下較大。這說明輔助動力裝置轉(zhuǎn)子振動可能受到了同方向尾椎運(yùn)動的影響。

圖4 輔助動力裝置在不同機(jī)場風(fēng)向下的振動加速度

4 機(jī)場溫度對振動的影響

4.1 機(jī)場溫度對振動能量的影響

在某型號飛機(jī)輔助動力裝置的齒輪箱和渦輪機(jī)匣上安裝振動傳感器，在吐魯番機(jī)場高溫(35℃±5℃)環(huán)境、敦煌機(jī)場常溫環(huán)境(10℃±5℃)、西安環(huán)境實(shí)驗室低溫環(huán)境(-10℃±5℃)下，分別空載運(yùn)行輔助動力裝置2 min，測量其振動情況，重復(fù)進(jìn)行2次試驗，取2次試驗的平均值。

輔助動力裝置在不同溫度下的振動速度有效值如圖5所示。從圖中可以看出：齒輪箱軸向、垂向、側(cè)向和渦輪機(jī)匣徑向振動速度有效值都是在高溫下最大，在低溫下最?。积X輪箱側(cè)向振動速度有效值的平均值相差最大為46.8%，渦輪機(jī)匣徑向振動速度有效值的平均值相差最小為29%。因此，在-10℃～35℃范圍內(nèi)，輔助動力裝置的振動能量隨著溫度升高而增大。

圖5 輔助動力裝置在不同機(jī)場溫度下的振動速度有效值

4.2 機(jī)場溫度對轉(zhuǎn)子激振力的影響

輔助動力裝置在不同溫度下轉(zhuǎn)子頻率對應(yīng)的加速度值如圖6所示。從圖中可以看出：對于齒輪箱軸向振動，高溫下的加速度最大，常溫下的加速度平均值僅比低溫下的加速度平均值大0.006%；對于渦輪機(jī)匣徑向振動，常溫下的加速度最大，低溫下的加速度最小，兩者加速度平均值相差48%；對于齒輪箱垂向、側(cè)向振動，都是高溫下的加速度最大，低溫下的加速度最小，兩者加速度平均值相差最大為64%。因此，在-10℃～35℃范圍內(nèi)，輔助動力裝置在前軸承的轉(zhuǎn)子激振力隨著溫度升高逐漸增大，在后軸承處的轉(zhuǎn)子激振力在常溫下最大，在低溫下最小。

圖6 輔助動力裝置在不同機(jī)場溫度下的振動加速度

輔助動力裝置的振動能量和激振力在高溫下較大，在低溫下最小，這可能與輔助動力裝置通風(fēng)冷卻有關(guān)。在高溫下，輔助動力裝置散熱效果差，易導(dǎo)致轉(zhuǎn)子軸承間隙、轉(zhuǎn)子與機(jī)匣間的間隙減小，進(jìn)而導(dǎo)致振動變大。

5 結(jié)語

本文基于實(shí)機(jī)地面試驗研究機(jī)場復(fù)雜環(huán)境對某型輔助動力裝置振動的影響，得出如下結(jié)論：

1) 輔助動力裝置在順風(fēng)下的振動能量最大，在90°側(cè)風(fēng)、270°側(cè)風(fēng)下除了齒輪箱軸向振動能量差異明顯外，其余3個方向的振動能量差異很小，這可能與輔助動力裝置的進(jìn)氣畸變有關(guān)；

2) 輔助動力裝置軸向轉(zhuǎn)子激振力在順風(fēng)下較大，徑向轉(zhuǎn)子激振力在側(cè)風(fēng)下較大，這說明輔助動力裝置轉(zhuǎn)子振動可能受到尾椎運(yùn)動的影響；

3) 在-10℃～35℃范圍內(nèi)，輔助動力裝置的振動能量和激振力在高溫下較大，在低溫下最小，這可能與輔助動力裝置通風(fēng)冷卻有關(guān)。

由于試驗條件的限制，本文僅針對1種型號的輔助動力裝置進(jìn)行研究，風(fēng)向角度只選擇3個極端值，低溫值也遠(yuǎn)未達(dá)到我國某些機(jī)場冬天的極端溫度。因此若想將本文結(jié)論推廣，還需做進(jìn)一步的研究。同時本文僅通過試驗得出機(jī)場風(fēng)向、溫度對輔助動力裝置振動的影響，但對于其內(nèi)部機(jī)理仍需做進(jìn)一步分析研究。