湖南南方通用航空发动机有限公司 湖南株洲
摘要：航空发动机振动故障是发动机工作中常见而又危险的故障。转子组件的刚度是保证柔性转子的基本要求，刚度的均匀性较差。本文通过实例分析了发动机振动的故障排除过程，得出了刚度非均匀性对发动机振动故障影响较大的结论，对航空发动机振动故障排除有一定的参考价值。
关键词：航空发动机；整机振动故障；刚度不均匀性
引言：人们对航空发动机的现有成就并不满意。现在，一些人正在研究光子火箭发动机的发动机和利用燃料的高空电离层发动机。这些全新的发动机很可能在不久的将来出现。安装在飞机或机架上的航空发动机是一个无限多自由度的振动系统。整个发动机振动是系统在各种激振力作用下的响应。整机振动是衡量发动机质量的一个重要指标。振动过大会加速疲劳损伤，降低发动机的使用寿命，严重危及飞机的安全。因此，我们需要控制整个发动机的振动水平。为了充分掌握发动机的振动水平，通常由振动传感器来测量振动量，在试验台上安装多个振动传感器，其中最重要的一个就是安装在壳体（水）传感器用来测量发动机的振动水平。
本文分析了发动机的振动故障处理过程，从故障特征出发，推导出故障原因，并对故障进行分析和排除。
1、转子不平衡
1.1转子不平衡的原因
材料：缺陷密度、孔隙率大等；结构上的缺陷：如非对称结构的存在，通过不正当的选择偏差造成的开口销孔质量差；制造缺陷：如空心零件的壁厚差，在热变形的大小差异等；装配缺陷：热温度变形、螺栓紧力不均匀；转子具有良好的平衡的组合分解，实际转子往往有相当大的不平衡量。
1.2不平衡引起的振动特性
剩余不平衡是同步进动的主要原因，即1×N频率分量。当转子箱系统刚度与半径方向不一致时，轨迹为椭圆或其他闭合曲线，因此可以在垂直或水平方向上测量1×N频率的振动。
当转子在不同的直径方向上有刚性时，转子的不平衡也会引起二阶谐波和高次谐波（2×N，3×n等）的变化。阶数越高，频率分量的振动越弱。
2、振动的消除过程
航空发动机是一种高度耦合的弹性复合系统，转子支承在多个枢轴上，呈现出准刚性转子的特性，振动对转子平衡、定子枢轴同心度和转子-定子间隙非常敏感。而无论是转子还是定子，都存在刚性连接薄弱、对装配和状态变化敏感等问题。由于这些发动机的结构振动特性，其振动具有完整性和局部性、线性性和非线性性，确定性和非确定性因素之间的相互作用使发动机振动难以避免。
2.1发动机振动形式不是32MM以上/秒，在发动机实际台架试验中，测试过程中水峰振动值达到40m/s以上，当转速N2 = 100%，振动传感器来检测振动速度为36-38mm / s，超出标准的32mm／S值的振动。根据振动频谱分析，对分频高电压组件34.5mm/s，和低压元件3.6mm/s。经过多次试验，振动值无明显变化。
2.2检查了转子的平衡后，检查了高压压气机转子和高压组合转子的初始不平衡和残余不平衡。从高压压气机转子和高压组合转子的平衡数据可以看出，数据变化不大，处于不平衡的正常区间。因此，从平衡数据分析转子平衡对振动的影响是不可能的。
2.3排除故障过程，加强振动故障排除方案，最终，对高压压气机转子进行了分析，并对装配过程中高压压气机转子发高压轴进行了优化，在装配每一级盘和轴承环时，检查所有螺栓连接活动，发现在一定程度上螺栓孔出现卡滞现象，螺栓夹紧现象存在和匹配的修整，确保长螺栓组件活动。在装配后，按照正常的平衡过程进行平衡。
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2.4对15mm／S的发动机水振动值最终测试结果，表明该方案的有效性。
3、振动分析
目前已知的发动机转子振动不平衡、转子热弯曲、转子不对中、转子、轴承松动连接或转子支承结构超差间隙、滚动轴承故障、齿轮故障、油膜振荡、局部共振、轴裂纹、旋转失速和喘振、空气紊流不均匀等常见故障。
转子不平衡是转子部件质量偏心引起的一种故障，是转子振动最常见的原因。故障特征是：波形为正弦波振动；频谱、频率谐波能量；当ω<ωn，幅度增加，当ω>ωn，随着振幅的增加趋于不稳定的值，当接近ωn，振动剧烈，与最高峰值速度是一定的，在向量域的相稳定性；轴心轨迹是一个椭圆转子；同步进动转子进动特征强烈；振动的工作速度非常敏感。
从频谱可以看出，发动机的谐波能量集中在基频，对高压转子的转速敏感，转速稳定后振动值稳定。因此，振动是由转子的不平衡引起的。
3.1发动机结构是一种涡扇发动机挤压油膜阻尼器的减振双转子，由6个支点组成。挤压油膜阻尼器是降低航空发动机振动的一种重要手段，是延长发动机使用寿命的重要手段。这种阻尼器结构简单。振动能量被吸收到热量中，被油带走，减振效果非常明显。通过降低转子临界转速和通过轴承的载荷，其影响尤为显著，可降低百分之六十以上的振动。可以看出，某型转子阻尼支承系统有一定的允许不平衡量，当不平衡量过大时，阻尼器不能降低阻尼。发动机的振动故障表明，转子在工作状态下的不平衡超过了阻尼器的最大允许不平衡量。
3.2装配式刚度分析，高压转子由高压压气机、高压涡轮转子和高压涡轮轴组成。高压压气机转子由1～6级转鼓、7, 8, 9级盘、篦齿盘和高压轴组成，并与双头长螺栓连接。当装配高压压气机转子时，转子轴上施加压紧力。具有长螺栓连接结构的转子定义为体弹性转子。
一般来说，初始弹性不平衡状态随着转速的增加而增大。然而，一些例子表明，质量的迁移只能达到一个极限，并不是无限的。一旦达到极限，初始失衡的稳定状态就会出现。
根据平衡理论的知识，刚性转子处于低速平衡状态，柔性转子处于高速平衡状态。但根据转子的特点、平衡标准和现有的生产条件下，只能通过低速平衡。
认为低速平衡不能反映转子在工作状态下的真实平衡水平。这种不确定性主要是由高压转子的柔性转子引起的，从装配工艺上来说，只要满足装配工艺要求，就能够满足转子工作的要求。
从振动的可能的解决方案进行分析，每一次的高压气机转子装配状态检查测试后，螺栓松动扭矩和伸长率均按照文件要求装配，不改变转子的整体刚度，不存在问题。在高压气机转子装配结束时，在个别螺栓上发现和存在的干涉现象，虽然转子的整体刚度比较小，但干扰现象也导致了该组件的刚度不均匀，在高速工作状态下有发动机的不均匀变形，不平衡转子有很大变化，也使发动机工作时产生的振动故障。
4、总结
航空事业的发展是飞速的，航空发动机类型多种多样、极其丰富多采。随着共产主义的进步，航空的时代即将到来。人类活动的范围将不再局限于地面和低层。月亮，火星，金星…甚至太阳系以外的宇宙也将成为人类活动的场所。本文通过对实际航空发动机振动消除过程的分析，证明了转子装配刚度对转子在工作中的不均匀变形的影响，转子的不平衡发生了很大的变化，并且通过不平衡检测不平衡量的变化是不可行的。为了防止转子上的不均匀性对转子刚度的影响，保证各级盘和螺栓不存在干涉现象，同时保证均匀拧紧力矩，将转子的刚度差控制在一定范围内，以避免发动机转子不平衡的变化。
参考文献：
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[3]顾宝龙.航空发动机先进传感器研究[J].科技创新导报，2012（04）.
论文作者:安国东,刘彩虹
论文发表刊物:《防护工程》2018年第5期
论文发表时间:2018/7/11
标签：转子论文; 发动机论文; 不平衡论文; 刚度论文; 螺栓论文; 故障论文; 航空发动机论文; 《防护工程》2018年第5期论文;