何俊杰，高曉果，姜廣義，劉 洋

某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)靜子碰摩故障研究

何俊杰，高曉果，姜廣義，劉 洋

（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）

基于某型雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)、靜子在工作中發(fā)生的碰摩現(xiàn)象，通過(guò)碰摩消除前后的整機(jī)振動(dòng)響應(yīng)對(duì)比，總結(jié)了高壓轉(zhuǎn)、靜子碰摩的典型振動(dòng)特征，結(jié)合碰摩特點(diǎn)及相關(guān)振動(dòng)理論研究，建立了高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)、靜子碰摩模型，應(yīng)用龍格庫(kù)塔(Rung-Kutta)法求解模型特定轉(zhuǎn)速下碰摩位置振動(dòng)響應(yīng)的頻譜圖。計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果表明：雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)、靜子碰摩時(shí)靠近碰摩位置的機(jī)匣振動(dòng)響應(yīng)會(huì)出現(xiàn)次諧波、高次諧波和組合諧波成分，且隨碰摩接觸面積的增加而增加。

碰摩；雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)；振動(dòng)特征；高壓壓氣機(jī)；渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)；轉(zhuǎn)子；靜子

0 引言

轉(zhuǎn)、靜子碰摩是航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)常見(jiàn)的振動(dòng)故障之一，如果轉(zhuǎn)子葉片經(jīng)常受到碰摩，長(zhǎng)期受到?jīng)_擊作用，就可能導(dǎo)致斷裂，引發(fā)嚴(yán)重故障。因此，研究渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)、靜子碰摩振動(dòng)特征，特別是早期碰摩特征，采取相應(yīng)的措施，避免嚴(yán)重碰摩故障和繼發(fā)性故障，對(duì)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的健康運(yùn)行具有重要意義。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)轉(zhuǎn)、靜件之間碰摩問(wèn)題的研究多局限于單轉(zhuǎn)子系統(tǒng)碰摩[1-6]，而對(duì)雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)碰摩故障研究較少。然而，對(duì)于航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)碰摩的振動(dòng)特性及故障診斷具有不同于常規(guī)單轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)。在以往的雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)碰摩研究中，大都只是從理論層面描述碰摩現(xiàn)象和特征[7-15]，很少涉及到雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際碰摩現(xiàn)象和特征。

本文基于某型雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)、靜子碰摩現(xiàn)象，從理論和試驗(yàn)2方面研究了其發(fā)生碰摩時(shí)的典型振動(dòng)特征。

1 臺(tái)架振動(dòng)測(cè)點(diǎn)分布

某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)主機(jī)振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)包含4個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別位于進(jìn)氣機(jī)匣和中介機(jī)匣的垂直位置、渦輪后機(jī)匣水平和垂直位置，如圖1所示。各測(cè)點(diǎn)均采用加速度傳感器，其中測(cè)點(diǎn)1、3跟蹤低壓轉(zhuǎn)子1倍頻振動(dòng)，測(cè)點(diǎn)2、4跟蹤高壓轉(zhuǎn)子1倍頻振動(dòng)，同時(shí)各測(cè)點(diǎn)的譜圖顯示在測(cè)試系統(tǒng)界面內(nèi)。

圖1 振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)位置

2 碰摩消除前后發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)響應(yīng)曲線

2.1 時(shí)域振動(dòng)對(duì)比

某臺(tái)份渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子葉片與靜子蜂窩之間由于間隙過(guò)小，在臺(tái)架試車中出現(xiàn)測(cè)點(diǎn)2振動(dòng)值超限，3維譜圖頻率成分復(fù)雜的現(xiàn)象。發(fā)生碰摩時(shí)的振動(dòng)曲線如圖2所示。

圖2 碰摩時(shí)的試車振動(dòng)曲線

調(diào)整高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片和靜子蜂窩之間的間隙后，再次進(jìn)行整機(jī)試車，測(cè)點(diǎn)2振動(dòng)值沒(méi)再發(fā)生超限現(xiàn)象，各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)值均在限制值以內(nèi)，碰摩故障消除，其后的試車振動(dòng)曲線如圖3所示。

圖3 碰摩故障消除后的試車振動(dòng)曲線

2.2 頻域譜圖對(duì)比

發(fā)生碰摩時(shí)各測(cè)點(diǎn)的3維譜如圖4所示。

從圖中可見(jiàn)，測(cè)點(diǎn)2振動(dòng)值超限時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的3維譜都表現(xiàn)為高壓轉(zhuǎn)子1倍頻分量值最大，低壓轉(zhuǎn)子1倍頻分量值相對(duì)較??；但在測(cè)點(diǎn)2的3維譜上還有高壓轉(zhuǎn)子的0.5倍頻、2倍頻和高低壓轉(zhuǎn)子的組合頻（N1+N2和 2N1+N2）。

碰摩消除后發(fā)動(dòng)機(jī)慢車到中間的3維譜如圖5所示。其中，測(cè)點(diǎn)2中只有幅值很小的高壓轉(zhuǎn)子1倍頻，高壓轉(zhuǎn)子的0.5倍頻、2倍頻和高低壓轉(zhuǎn)子的組合頻率沒(méi)再出現(xiàn)。其他測(cè)點(diǎn)主要為高低壓轉(zhuǎn)子的1倍頻，且振動(dòng)值較小。

圖4 磨合試車碰摩振動(dòng)大時(shí)的3維譜

圖5 排故試車時(shí)的3維譜

據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和碰摩故障的經(jīng)驗(yàn)，某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)、靜子碰摩具有以下4個(gè)典型特征：

（1）各測(cè)點(diǎn)都表現(xiàn)為高壓轉(zhuǎn)子1倍頻振動(dòng)顯著，靠近碰摩位置的測(cè)點(diǎn)2處還有高壓轉(zhuǎn)子0.5倍頻、高壓轉(zhuǎn)子2倍頻和高低壓轉(zhuǎn)子的組合頻率（N1+N2和2N1+N2）。

（2）測(cè)點(diǎn)2振動(dòng)信號(hào)中的高壓1倍頻隨轉(zhuǎn)速增大而增大，并且在達(dá)到最大轉(zhuǎn)速前超限。

（3）在碰摩消除后，測(cè)點(diǎn)2正常的振動(dòng)譜中只有高壓轉(zhuǎn)子的1倍頻，且振動(dòng)值很小。

（4）發(fā)生碰摩時(shí)，隨轉(zhuǎn)速增大，碰摩面積增加和部位增多，振動(dòng)值隨之增大。

3 碰摩力方程

當(dāng)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片與靜子機(jī)匣蜂窩碰摩時(shí)，假設(shè)轉(zhuǎn)子與機(jī)匣的碰撞為彈性碰撞，Kc為靜子機(jī)匣與轉(zhuǎn)子葉片接觸時(shí)的徑向剛度，轉(zhuǎn)子葉片與機(jī)匣的摩擦符合庫(kù)倫定律，f為轉(zhuǎn)子與機(jī)匣接觸時(shí)的摩擦系數(shù)，α為碰摩點(diǎn)與x軸的夾角，ω為轉(zhuǎn)子角速度，碰摩力模型如圖6所示。

圖6 碰摩力模型

轉(zhuǎn)子軸心與機(jī)匣中心的相對(duì)位移為

式中：x1、y1分別為轉(zhuǎn)子中心位置坐標(biāo)；x2、y2分別為靜子機(jī)匣中心位置坐標(biāo)。

轉(zhuǎn)子與靜子機(jī)匣的非線性碰摩力可表示為

式中：PN為徑向摩擦力；PT為切向摩擦力；δ為轉(zhuǎn)、靜子初始間隙。

在x、y坐標(biāo)系中，摩擦力表示為

其中

碰摩力矩陣可以表示為

4 動(dòng)力學(xué)方程

某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析模型如圖7所示。

圖7 某型發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析模型

基于結(jié)構(gòu)和模態(tài)相似理論對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)支承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)、靜子碰摩模型如圖8所示。圖中k1、c1、k2、c2、k3、c3、k4、c4、k5、c5、k6、c6、kr、cr分別為主安裝節(jié)、輔助安裝節(jié)、機(jī)匣、前支承、后支承、轉(zhuǎn)子的等效剛度和阻尼，F(xiàn)1、F2分別為低、高壓轉(zhuǎn)子不平衡量激振力。

圖8 雙轉(zhuǎn)子高壓壓氣機(jī)碰摩模型

雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程組為

選取不同的Ωt模擬不同的碰摩接觸面積，調(diào)整彈性恢復(fù)系數(shù)Kc來(lái)改變碰摩力的大小，對(duì)高壓壓氣機(jī)碰摩模型進(jìn)行各種碰摩面積和碰摩力的計(jì)算，從而獲得高壓壓氣機(jī)碰摩時(shí)的振動(dòng)響應(yīng)特征。在計(jì)算中選取低壓轉(zhuǎn)速頻率f1=187 Hz、高壓轉(zhuǎn)速f2=210 Hz，Ω=2πf2，應(yīng)用龍格庫(kù)塔(Rung-Kutta)法對(duì)式（6）進(jìn)行計(jì)算，得到輕微碰摩和較重碰摩時(shí)碰摩位置響應(yīng)，分別如圖9、10所示。

圖9 雙轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)、靜件輕微碰摩振動(dòng)響應(yīng)頻譜

圖10 雙轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)、靜件較重碰摩振動(dòng)響應(yīng)頻譜

計(jì)算結(jié)果表明：

（1）雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)高壓轉(zhuǎn)、靜子碰摩時(shí)的機(jī)匣振動(dòng)響應(yīng)會(huì)出現(xiàn)次諧波、高次諧波和組合諧波成分，其中高壓轉(zhuǎn)子1倍頻振動(dòng)最為明顯。

（2）隨碰摩接觸面積的增加，機(jī)匣振動(dòng)響應(yīng)幅值增大。

（3）諧波出現(xiàn)與接觸力和接觸面積有關(guān)。

5 結(jié)論

（1）雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)發(fā)生碰摩時(shí)，靠近碰摩位置的機(jī)匣振動(dòng)響應(yīng)會(huì)出現(xiàn)較復(fù)雜的頻率成分，而遠(yuǎn)離碰摩位置的機(jī)匣響應(yīng)不明顯。

（2）在靠近碰摩位置測(cè)點(diǎn)的機(jī)匣振動(dòng)響應(yīng)中碰摩轉(zhuǎn)子1倍頻最顯著，同時(shí)還伴隨有碰摩轉(zhuǎn)子的分頻、倍頻和2個(gè)轉(zhuǎn)子的組合頻，其他位置測(cè)點(diǎn)碰摩轉(zhuǎn)子1倍頻振動(dòng)顯著。

（3）隨碰摩時(shí)間增加、轉(zhuǎn)速增大和開(kāi)車次數(shù)增加，機(jī)匣振動(dòng)響應(yīng)也增大。

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Rubbing Failure Study on High Pressure Rotor-Stator of a Turbofan Engine

HEJun-jie， GAO Xiao-guo， JIANG Guang-yi， LIU Yang
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China）

Based on the rubbing phenomenon occurs in the process of high pressure rotor-stator for a twin spool turbofan engine,the contrast response of engine vibration was analyzed before and after rubbing elimination.A typical vibration characteristic of high pressure rotor-stator rubbing was summarized.The rotor-stator rubbing model of high pressure compressor was built based on rubbing characteristics and relative vibration theory.The model under certain rotation spectrum of vibration response for friction touch position was solved by Runge Kutta method.The calculation and experimental results show that the rubbing location of dual-rotor engine near the casing vibration response will be harmonic,high harmonic and harmonic components,which increases with the rubbing contact area.

rubbing;twin spool system;vibration characteristics;high pressure compressor;turbofan engine;rotorp;stator

V263.6

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2015.01.013

2013-12-18

航空動(dòng)力基礎(chǔ)研究項(xiàng)目資助

何俊杰（1981），男，碩士，工程師，從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)測(cè)試研究與試驗(yàn)工作；E-mail：hwn201109@163.com。

何俊杰，高曉果，姜廣義，等.某渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)靜子碰摩故障研究[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2015,41（1）：66-69.HEJunjie，GAOXiaoguo，JIANG Guangyi，et al.Rubbingfailurestudy on high pressurerotor-stator of aturbofan engine[J].Aeroengine，2015,41（1）：66-69.

（編輯：沈廣祥）