姜廣義，武 鵬，張 潔

（中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng) 110015）

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)大多采用鼓筒方式，其前后支撐的封嚴(yán)裝置在發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)試和試制過(guò)程中漏油現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，導(dǎo)致鼓筒腔內(nèi)積油。在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，積油在一定條件下將發(fā)生自激振動(dòng)，使轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)異常。但由于流體的旋轉(zhuǎn)作用，使得這類問(wèn)題的機(jī)理分析較一般的流固耦合問(wèn)題更為復(fù)雜，而且還具有許多特殊性，成為目前轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)研究領(lǐng)域的1個(gè)新課題[1-3]。

本文結(jié)合實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)試車過(guò)程中發(fā)生的異常振動(dòng)，通過(guò)相關(guān)結(jié)構(gòu)件模態(tài)分析、振動(dòng)測(cè)試以及噪聲測(cè)試分析，最終找出振動(dòng)異常原因。其經(jīng)驗(yàn)性結(jié)論可以在機(jī)理分析不完善情況下為振動(dòng)故障診斷提供參考。

1 故障現(xiàn)象

某發(fā)動(dòng)機(jī)在1次開車中剛進(jìn)入慢車時(shí)發(fā)生喘振。此后，發(fā)動(dòng)機(jī)在從起動(dòng)到慢車過(guò)程中，以及慢車運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后，會(huì)突發(fā)1種嗡鳴聲，同時(shí)振動(dòng)總量突增。為此，將發(fā)動(dòng)機(jī)下臺(tái)分解。分解時(shí)發(fā)現(xiàn)空氣導(dǎo)管軸心通風(fēng)的甩油臺(tái)與低壓軸磨損，未見其它明顯故障，因此懷疑故障是氣動(dòng)問(wèn)題。將發(fā)動(dòng)機(jī)重新裝配后上臺(tái)試車，原故障仍然存在。共開車2 3次后，再次將發(fā)動(dòng)機(jī)下臺(tái)分解。發(fā)現(xiàn)如下故障點(diǎn)：（1）空氣導(dǎo)管軸心通風(fēng)器甩油臺(tái)磨損；（2）低壓軸磨損；（3）高壓壓氣機(jī)工作葉片多級(jí)磨損，且輕重級(jí)分布為從后到前；（4）3支點(diǎn)外鋼套與軸承座磨損；（5）風(fēng)扇第3級(jí)工作葉片磨損；（6）2支點(diǎn)石墨跑道磨損。將發(fā)動(dòng)機(jī)再次裝配后上臺(tái)試車，該故障現(xiàn)象仍然存在。在第4次裝配中，在發(fā)動(dòng)機(jī)軸承外環(huán)和3號(hào)軸承座間裝了銷釘，并將甩油孔件的甩油孔按原位改回，在其后試車過(guò)程中未再發(fā)生嗡鳴聲，一切正常。

2 原因分析

在發(fā)動(dòng)機(jī)的聲音異常故障分析中，開始懷疑激振源是由氣動(dòng)力引起的，因此在其后幾次試車中，對(duì)高壓壓氣機(jī)進(jìn)氣和排氣都進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，同時(shí)注意觀察各供油壓力，均未發(fā)現(xiàn)明顯變化以及與振動(dòng)有關(guān)的現(xiàn)象，所以可以排除氣動(dòng)因素影響。

2.1 結(jié)構(gòu)分析

就該發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)而言，僅是調(diào)整了附件機(jī)匣的位置，并無(wú)其他變動(dòng)，但該變化有可能會(huì)造成與之相關(guān)的結(jié)構(gòu)件振動(dòng)特性發(fā)生變化，從而誘發(fā)上述故障發(fā)生。為此，對(duì)幾次均發(fā)生磨損的空氣導(dǎo)管和中介機(jī)匣進(jìn)行模態(tài)分析。

為較真實(shí)模擬空氣導(dǎo)管的實(shí)際安裝情況，在模態(tài)分析試驗(yàn)中，將空氣導(dǎo)管和高壓渦輪盤等組合件支承于裝配架上，對(duì)應(yīng)渦輪轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)的固有頻率見表1。

表1 空氣導(dǎo)管模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

其中118.7Hz的固有頻率為1階彎曲形式，該頻率是1個(gè)不穩(wěn)定值，隨盤所承受的載荷或渦輪轉(zhuǎn)子的氣動(dòng)負(fù)荷變化而不同。如將該組合件用繩吊起做模態(tài)試驗(yàn)，則其1階彎曲頻率為145Hz。但由于該類型空氣導(dǎo)管在多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)中都有使用，以及在此臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)第1次上臺(tái)試車喘振前也未發(fā)生故障，所以可排除因其結(jié)構(gòu)共振導(dǎo)致振動(dòng)異常及出現(xiàn)嗡鳴聲。

中介機(jī)匣試驗(yàn)件主要由支板、附件機(jī)匣、中央傳動(dòng)齒輪和3支點(diǎn)軸承等組成，在附件機(jī)匣上同向等距離放置7個(gè)傳感器，測(cè)得的振型有1、2階彎曲振動(dòng)，其固有頻率分別為20、110Hz。機(jī)匣振型由支板上放置的傳感器進(jìn)行測(cè)試，其振型為1、2階彎曲振動(dòng)，1階振型為158 Hz，而在機(jī)匣的直徑方向無(wú)振型存在。在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試車時(shí)，附件機(jī)匣的確存在明顯的2階彎曲振型，1階振型頻率較低，約20～30Hz，2階振型頻率約為100～120Hz，1階振動(dòng)固有頻率在慢車之前表現(xiàn)明顯，2階振型只有在軸承外環(huán)與軸承座松動(dòng)時(shí)才有明顯表現(xiàn)。但從整機(jī)振動(dòng)信號(hào)（如圖1所示）可見，發(fā)生振動(dòng)異常和嗡鳴聲時(shí)，此異常頻率與轉(zhuǎn)速頻率并不重合，故判斷應(yīng)不是因轉(zhuǎn)速頻率與此構(gòu)件固有頻率耦合，從而誘發(fā)共振。

圖1 進(jìn)氣機(jī)匣振動(dòng)響應(yīng)

2.2 轉(zhuǎn)子腔內(nèi)積油自激振動(dòng)分析

在發(fā)動(dòng)機(jī)的幾次分解裝配過(guò)程中都發(fā)現(xiàn)高壓轉(zhuǎn)子內(nèi)錐壁有積油現(xiàn)象，而積油的存在可能會(huì)引起轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)子空腔內(nèi)積液運(yùn)動(dòng)的相互作用。當(dāng)轉(zhuǎn)子作無(wú)擾動(dòng)的穩(wěn)定自旋時(shí)，積油會(huì)均勻地貼于內(nèi)壁，且與轉(zhuǎn)子一起以同一角速度自旋，無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)；但在一定條件下，積油產(chǎn)生自激現(xiàn)象，而不再與轉(zhuǎn)子一起同步擾動(dòng)，積油的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和壓力場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生1個(gè)附加力，與轉(zhuǎn)子的相互作用會(huì)使轉(zhuǎn)子以極大的振動(dòng)作異步渦動(dòng)，嚴(yán)重地影響轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的正常運(yùn)行，在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)產(chǎn)生不穩(wěn)定區(qū)。

整機(jī)振動(dòng)測(cè)試的其它測(cè)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)瀑布如圖2～4所示。

圖4 渦輪后機(jī)匣振動(dòng)響應(yīng)

從圖2～4中可見，fx頻率在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)出現(xiàn)，并作異步渦動(dòng)，幅值很大，所以fx頻率的出現(xiàn)應(yīng)是因?yàn)榍粌?nèi)積油，并且在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)出現(xiàn)自激現(xiàn)象的結(jié)果。

自從Kollmann[4]在試驗(yàn)中觀察到部分充液轉(zhuǎn)子的不穩(wěn)定現(xiàn)象后，已有一些學(xué)者開展了相關(guān)研究，但轉(zhuǎn)子系統(tǒng)基本上采用剛度各向同性的模型。Brommundt和Ostermeyer[5]及Holm和Trager[6]分別研究了支承剛度非對(duì)稱柔性懸臂轉(zhuǎn)子和剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)由于支承剛度的非對(duì)稱使原來(lái)支承剛度對(duì)稱的部分充液轉(zhuǎn)子的1個(gè)不穩(wěn)定區(qū)分裂為多個(gè)獨(dú)立的不穩(wěn)定區(qū)，但并未說(shuō)明出現(xiàn)多個(gè)獨(dú)立不穩(wěn)定區(qū)的條件。祝長(zhǎng)生[7]在2維無(wú)黏旋轉(zhuǎn)流體模型的基礎(chǔ)上，詳細(xì)地分析了支承剛度各向異性部分充液轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題和轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的各參數(shù)對(duì)穩(wěn)定性的影響，認(rèn)為影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的參數(shù)有充液量、質(zhì)量比、外阻尼比、轉(zhuǎn)速比和支承剛度比；并認(rèn)為支承剛度各向異性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不穩(wěn)定區(qū)可能是多個(gè)有限區(qū)間，分別與該系統(tǒng)的多個(gè)臨界區(qū)相對(duì)應(yīng)。

從發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)到慢車停留過(guò)程中各振動(dòng)測(cè)點(diǎn)頻譜圖中可見，共有2個(gè)不穩(wěn)定區(qū)，對(duì)1支點(diǎn)軸承座所測(cè)振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，可得這2個(gè)不穩(wěn)定區(qū)所對(duì)應(yīng)的高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速范圍，如圖5所示。

圖5 對(duì)應(yīng)高壓轉(zhuǎn)速的不穩(wěn)定區(qū)

從圖5中可見，高壓轉(zhuǎn)速?gòu)?5%～55%最高轉(zhuǎn)速附近為第1個(gè)不穩(wěn)定區(qū)，從71%最高轉(zhuǎn)速附近開始為第2個(gè)不穩(wěn)定區(qū)。

使用MSC/PATRAN建立發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)分析模型，進(jìn)行振動(dòng)分析和后處理，得到高壓轉(zhuǎn)子激振臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算結(jié)果。

通過(guò)與計(jì)算結(jié)果對(duì)比可知，在第1個(gè)不穩(wěn)定區(qū)，異步渦動(dòng)最大幅值的頻率為102.5Hz，對(duì)應(yīng)于高壓轉(zhuǎn)子第3階臨界轉(zhuǎn)速，第2個(gè)不穩(wěn)定區(qū)所對(duì)應(yīng)的異步渦動(dòng)最大幅值的頻率為147.5Hz，對(duì)應(yīng)于高壓轉(zhuǎn)子的第4階臨界轉(zhuǎn)速。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子腔內(nèi)積油情況下，如果繼續(xù)增大轉(zhuǎn)速，由于多階臨界轉(zhuǎn)速的存在，積油也將存在于多個(gè)相對(duì)應(yīng)的不穩(wěn)定區(qū)。

文獻(xiàn)[8]研究了部分積液較多的兩端簡(jiǎn)支的剛性轉(zhuǎn)子，并考慮了液壓梯度、流速等因素的影響，得到產(chǎn)生部分積液自激進(jìn)動(dòng)的失穩(wěn)區(qū)為

式中：R為空腔半徑；t為積液厚度；μ為黏度。

文獻(xiàn)[9]研究了兩端彈支轉(zhuǎn)子部分積液后的自激進(jìn)動(dòng)，得到的結(jié)果為失穩(wěn)區(qū)有2個(gè)，相應(yīng)在ω/ωn≈0.95～1.20及1.80～2.05。

針對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)，從整機(jī)振動(dòng)1階高壓跟蹤幅值可知，該發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓轉(zhuǎn)子第3階臨界轉(zhuǎn)速為39.8%最高轉(zhuǎn)速，第4階臨界轉(zhuǎn)速為55.4%最高轉(zhuǎn)速。由于發(fā)動(dòng)機(jī)在整個(gè)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)無(wú)彎曲臨界，以上所述臨界振型都為剛體振型，所以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子可視為準(zhǔn)剛性轉(zhuǎn)子，其第1個(gè)不穩(wěn)定區(qū)的范圍為1.13＆lt;ω/ωn＆lt;1.36。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速并未達(dá)到第2個(gè)不穩(wěn)定區(qū)，所以無(wú)法確定其上邊界，其不穩(wěn)定區(qū)范圍為1.29＆lt;ω/ω4＆lt;?。

2.3 振動(dòng)異常時(shí)聲音分析

發(fā)動(dòng)機(jī)在振動(dòng)異常時(shí)會(huì)出現(xiàn)嗡鳴聲。在發(fā)動(dòng)機(jī)第1次上臺(tái)1 6次開車中，為分析嗡鳴聲的頻率成分，增加了1個(gè)噪聲測(cè)試傳感器。在嗡鳴聲出現(xiàn)時(shí)，該傳感器所測(cè)噪聲信號(hào)的頻率成分如圖6所示。

從圖6中可見，出現(xiàn)嗡鳴聲時(shí)，噪聲的主要頻率成分fx與整機(jī)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)所測(cè)高壓轉(zhuǎn)子異步渦動(dòng)頻率相吻合，即嗡鳴聲是因高壓轉(zhuǎn)子腔內(nèi)的積油在自激情況下出現(xiàn)的。

圖6 聲振時(shí)噪聲測(cè)點(diǎn)所測(cè)頻率

2.4 磨損故障分析

在發(fā)動(dòng)機(jī)分解過(guò)程中發(fā)現(xiàn)高壓壓氣機(jī)葉片、低壓軸等有多處磨損。從圖1～4中可見，當(dāng)轉(zhuǎn)子腔內(nèi)積油發(fā)生自激振動(dòng)時(shí)，頻率成分明顯比振動(dòng)正常情況時(shí)的豐富，并且包含轉(zhuǎn)子的倍頻成分，所以判斷在積油發(fā)生自激振動(dòng)的同時(shí)，由于振動(dòng)較大，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)靜件發(fā)生多處碰摩[10]。

3 排故措施及驗(yàn)證

在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的鼓筒段和軸的內(nèi)腔，如果存在設(shè)計(jì)不當(dāng)，可能出現(xiàn)積油現(xiàn)象，將會(huì)改變整個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)特性。所以應(yīng)在空腔的轉(zhuǎn)子上開甩油孔，使轉(zhuǎn)子在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中將油甩出，從而保證腔內(nèi)無(wú)積油。

在該發(fā)動(dòng)機(jī)第4次裝配中，將甩油孔件的甩油孔按原位改回，在其后試車過(guò)程中一切正常，未出現(xiàn)振動(dòng)異常現(xiàn)象及嗡鳴聲。

通過(guò)以上分析，該發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)振動(dòng)異常及嗡鳴聲的原因可以排除氣動(dòng)因素以及結(jié)構(gòu)件共振等因素，而是因高壓轉(zhuǎn)子內(nèi)腔的積油，在特定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)發(fā)生自激振動(dòng)，該自激振動(dòng)屬異步渦動(dòng)，幅值較大，從而導(dǎo)致振動(dòng)總量突增，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)靜件發(fā)生多處碰摩。由于發(fā)動(dòng)機(jī)多個(gè)臨界轉(zhuǎn)速的存在，會(huì)出現(xiàn)多個(gè)相對(duì)應(yīng)的不穩(wěn)定區(qū)，而且不穩(wěn)定區(qū)的下限轉(zhuǎn)速要大于臨界轉(zhuǎn)速。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)腔內(nèi)積油現(xiàn)象，目前主要以理論探索為主，所建試驗(yàn)器也多為立式轉(zhuǎn)子試驗(yàn)器。由于忽略了重力等因素影響，其試驗(yàn)結(jié)論可能與臥式轉(zhuǎn)子有一定差異。如果能夠建立臥式轉(zhuǎn)子試驗(yàn)器，以理論結(jié)合試驗(yàn)進(jìn)行研究，明晰故障特征和邊界條件，可在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和研制中更好地處理此類故障。

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