孔叔鈁 ，時(shí)鐘 ，謝麗梅 ，熊伊

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 511370；2.安全可靠軟硬件性能與可靠性測評工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 511370）

0 引言

美國聯(lián)邦航空條例（FAR）33.63 規(guī)定了發(fā)動機(jī)系統(tǒng)及部附件工作在其聲明的飛行包線和轉(zhuǎn)速、功率/推力范圍內(nèi)的振動要求。發(fā)動機(jī)部附件暴露在一定量級的振動條件下，其振動響應(yīng)與部件結(jié)構(gòu)、材料等特性和激振源、空氣動力等環(huán)境條件相關(guān)。根據(jù)安裝位置可以將發(fā)動機(jī)部附件大致分為內(nèi)部部件和外部部件。對于轉(zhuǎn)子和葉片等直接位于氣流中的內(nèi)部部件，影響因素有定子、轉(zhuǎn)子、支柱的擾動、進(jìn)氣畸變、氣動和阻尼等，葉片還可能處于失速和顫振等不穩(wěn)定狀態(tài)導(dǎo)致的振動環(huán)境中。外部部件則在轉(zhuǎn)子不平衡及相關(guān)諧波頻率下振動。

1 轉(zhuǎn)子不平衡

由于轉(zhuǎn)子制造和裝配的質(zhì)量不均勻，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子相對于旋轉(zhuǎn)軸偏心引起轉(zhuǎn)子不平衡。轉(zhuǎn)子不平衡在某個(gè)轉(zhuǎn)速上引發(fā)諧振，因此，必須確定轉(zhuǎn)子不平衡范圍。產(chǎn)品說明和發(fā)動機(jī)手冊應(yīng)明確可接受的轉(zhuǎn)子不平衡范圍。

測量轉(zhuǎn)子允許最大振動量級時(shí)，發(fā)動機(jī)的低速、高速或中間轉(zhuǎn)速的主要轉(zhuǎn)子一定是不平衡的。例如：具有雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)達(dá)到最大不平衡時(shí)，高速轉(zhuǎn)子應(yīng)工作在允許的最大不平衡狀態(tài)下；低速風(fēng)扇和渦輪轉(zhuǎn)子則工作在允許的低速轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下。除設(shè)計(jì)和維修導(dǎo)致的不平衡外，還要考慮飛行時(shí)可能遇到的結(jié)冰和冰積聚等環(huán)境條件。

評估發(fā)動機(jī)振動需要確定振幅等振動條件。確定發(fā)動機(jī)振動條件時(shí)應(yīng)在預(yù)先聲明的工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的典型轉(zhuǎn)子不平衡狀態(tài)下進(jìn)行。同時(shí)，為了確保發(fā)動機(jī)維護(hù)后仍能符合33.63 的要求，應(yīng)在發(fā)動機(jī)手冊中描述的典型轉(zhuǎn)子不平衡狀態(tài)下確定振動條件和驗(yàn)證其與33.63 的符合性。試驗(yàn)時(shí)，發(fā)動機(jī)應(yīng)在最小轉(zhuǎn)速至最大轉(zhuǎn)速或允許轉(zhuǎn)速之間慢加速和慢減速，包括聲明的瞬態(tài)過程。每個(gè)加速或減速過程至少持續(xù)2 min。此外，還要考慮油門爆裂甚至破碎的情況。為了捕捉到具有代表性的振動特性，可能需要多次重復(fù)加速和減速過程，并對多臺發(fā)動機(jī)進(jìn)行調(diào)查。

2 發(fā)動機(jī)部附件振動

2.1 發(fā)動機(jī)部附件自身

評估發(fā)動機(jī)振動時(shí)，應(yīng)考慮發(fā)動機(jī)部附件自身的影響：1）設(shè)計(jì)因素，如公差對部件的固有頻率和幅值響應(yīng)有明顯的影響；2）生產(chǎn)、制造和發(fā)動機(jī)手冊規(guī)定的維護(hù)，如振動試驗(yàn)或分析應(yīng)在最大轉(zhuǎn)子不平衡狀態(tài)下進(jìn)行，生產(chǎn)、制造和維護(hù)則影響轉(zhuǎn)子不平衡；3）可能導(dǎo)致機(jī)翼損失等機(jī)械故障的發(fā)動機(jī)配置。

2.2 飛行包線和工作條件

必須考慮發(fā)動機(jī)在其聲明的飛行包線和工作轉(zhuǎn)速、推力/功率范圍內(nèi)的以下幾種情況。

a）功率和推力為最大值，物理轉(zhuǎn)速和修正轉(zhuǎn)速為額定和最大值的情況

最大允許速度包括任一時(shí)刻的瞬時(shí)速度。外部部件僅對物理轉(zhuǎn)速敏感，內(nèi)部部件則對考慮了功率/推力相關(guān)的氣流通道后的修正轉(zhuǎn)速敏感。

式（1）中：NC——修正轉(zhuǎn)速；

Nr——物理轉(zhuǎn)速；

Tinlet——轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的進(jìn)氣溫度（蘭氏溫度）。

影響振動的發(fā)動機(jī)操作或動作，包括：發(fā)動機(jī)起動、熄火、加速、減速、怠速和油門爆裂等。發(fā)動機(jī)振動條件試驗(yàn)過程中，急加速能突出脈沖導(dǎo)致的瞬態(tài)響應(yīng)，慢加速和減速則提供了足夠時(shí)間直至振動穩(wěn)定達(dá)到峰值。

b）飛行包線參數(shù)

如海拔、大氣溫度或其他因素，大氣溫度會影響修正速度，修正速度又會影響振動幅響。

c）除轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)外，其他影響轉(zhuǎn)子不平衡的工作條件，如結(jié)冰和冰積聚等。

2.3 發(fā)動機(jī)振動應(yīng)力

部附件持續(xù)或重復(fù)暴露在超過耐久極限的過應(yīng)力會累積高周疲勞損傷甚至失效。對于其失效會引發(fā)嚴(yán)重發(fā)動機(jī)后果的部附件，不可因設(shè)計(jì)和工作限制累積高周疲勞損傷。必須證明在預(yù)先聲明的工作包線（包括最大轉(zhuǎn)速）內(nèi)，發(fā)動機(jī)正?；虻湫筒僮?，以及聲明的飛行包線內(nèi)可能出現(xiàn)的不利情況下，不會導(dǎo)致任何部附件經(jīng)受過應(yīng)力。

2.4 對飛機(jī)的振動影響

33.63 規(guī)定不可將過大的振動應(yīng)力傳遞給飛機(jī)結(jié)構(gòu)。由于傳遞給飛機(jī)的振動應(yīng)力水平?jīng)]有明確的等級劃分準(zhǔn)則，因此必須在發(fā)動機(jī)安裝和工作手冊中明確發(fā)動機(jī)傳遞給飛機(jī)的振動應(yīng)力，至少應(yīng)明確轉(zhuǎn)子不平衡的振動，以證明發(fā)動機(jī)符合33 部的要求。此外，發(fā)動機(jī)振動符合性驗(yàn)證應(yīng)盡量與飛機(jī)制造商協(xié)商。

2.5 可接受的符合性驗(yàn)證方法

可接受的符合性驗(yàn)證方法包括部件試驗(yàn)、分析或二者結(jié)合的方式。滿足以下任一條件的部件應(yīng)采用試驗(yàn)的方法：

1）關(guān)鍵部件；

2）在FAR 33.7 規(guī)定的工作極限轉(zhuǎn)速附近有明顯的諧振；

3）暴露在復(fù)雜的振動環(huán)境中，僅采用分析不夠充分時(shí)。

第3 章和第4 章分別討論了外部部件和內(nèi)部部件的振動符合性驗(yàn)證。對于第3 章和第4 章未討論到的部件，例如：機(jī)匣、框架、燃燒器和機(jī)身接口部件（發(fā)動機(jī)安裝、排氣噴嘴和逆推器）等，應(yīng)采用類似方法。適用時(shí)，也可采信其他符合性驗(yàn)證試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，如表1 所示。

表1 FAR 33 部規(guī)定的發(fā)動機(jī)部附件振動評估

對于服役時(shí)間足夠長且振動條件已知的部件，如已暴露在頻率范圍更寬的其他發(fā)動機(jī)振動環(huán)境中，則可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分析驗(yàn)證。分析應(yīng)預(yù)測部件所處的振動環(huán)境并評估部件響應(yīng)，目的是證明不會經(jīng)受過應(yīng)力。分析方法應(yīng)被其他試驗(yàn)證實(shí)有效。

3 外部部件振動符合性驗(yàn)證

外部部件振動符合性驗(yàn)證時(shí)要考慮轉(zhuǎn)子不平衡的影響，避免因飛機(jī)安裝和運(yùn)行出現(xiàn)的不同瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)應(yīng)力引起振動差異，從而導(dǎo)致評估結(jié)果不同。驗(yàn)證時(shí)應(yīng)盡可能地在系統(tǒng)級進(jìn)行以考慮接口的影響。評估電氣系統(tǒng)或發(fā)動機(jī)線束的振動條件時(shí)，還應(yīng)考慮載荷的影響，如分析燃油管路諧振特性時(shí)應(yīng)考慮燃油壓力的影響。

外部部件振動試驗(yàn)可在發(fā)動機(jī)或?qū)嶒?yàn)室振動臺上進(jìn)行。根據(jù)振動條件是否已知和實(shí)驗(yàn)室能力選擇全發(fā)動機(jī)試驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)或二者結(jié)合的方式。例如：對于振動條件未知的新研部附件，推薦進(jìn)行全發(fā)動機(jī)試驗(yàn)；然而，對于固有頻率和振動條件已知的部件僅需開展駐留耐久試驗(yàn)；對于新研發(fā)動機(jī)，應(yīng)開展高速轉(zhuǎn)子頻率步進(jìn)試驗(yàn)和低速轉(zhuǎn)子頻率駐留試驗(yàn)。

a）步進(jìn)耐久試驗(yàn)

發(fā)動機(jī)步進(jìn)耐久試驗(yàn)的目的是激發(fā)發(fā)動機(jī)系統(tǒng)和部件諧振，并在諧振點(diǎn)上駐留足夠多的周期以確定部件的耐久性能。應(yīng)在典型轉(zhuǎn)子不平衡狀態(tài)下開展覆蓋全頻率范圍的步進(jìn)耐久試驗(yàn)。試驗(yàn)包括加速和減速過程，應(yīng)選擇足夠小的步長和足夠充分的臺階駐留時(shí)間，以確保在每個(gè)頻率上累積足夠的周期。推薦高轉(zhuǎn)速步長120 rpm，駐留時(shí)間是高速轉(zhuǎn)子周期的105 倍。試驗(yàn)前后均需要檢查部件的振動特性，若有不一致的情況應(yīng)作出解釋。

b）駐留耐久試驗(yàn)

駐留耐久試驗(yàn)適用于發(fā)動機(jī)部附件或步進(jìn)耐久試驗(yàn)中未充分考核的頻率。試驗(yàn)條件應(yīng)根據(jù)發(fā)動機(jī)振動數(shù)據(jù)實(shí)測，步進(jìn)耐久試驗(yàn)等其他試驗(yàn)或分析方法確定。振動激勵應(yīng)包括峰值頻率和33.7 規(guī)定的工作極限轉(zhuǎn)速附近的非峰值頻率。駐留時(shí)間應(yīng)至少為106 個(gè)周期。對于試驗(yàn)時(shí)間太長的低頻振動，可以根據(jù)材料疲勞特性適當(dāng)?shù)卦龃笤囼?yàn)應(yīng)力或采用其他方式縮短駐留時(shí)間。

4 內(nèi)部部件振動符合性驗(yàn)證

轉(zhuǎn)子葉片、靜子葉片、轉(zhuǎn)子盤、隔圈和轉(zhuǎn)子圈等內(nèi)部部件既要驗(yàn)證其與33.83 的符合性，也要滿足33.63 的規(guī)定，即不能因振動經(jīng)受過應(yīng)力。若這些部件沒有按照33.83 開展試驗(yàn)，應(yīng)在驗(yàn)證其與33.63 的符合性時(shí)予以說明。對于33.83 未考慮的公差、尖端間隙等影響模態(tài)和響應(yīng)的發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)因素和工作環(huán)境，應(yīng)按照33.63 進(jìn)行驗(yàn)證。

飛行中結(jié)冰、降雨和冰雹，以及其他導(dǎo)致發(fā)動機(jī)重復(fù)或持續(xù)動作對可能影響葉片振幅或引發(fā)邊緣顫振，如果此時(shí)的振動應(yīng)力超過了33.83 振動試驗(yàn)的應(yīng)力水平，應(yīng)在驗(yàn)證其與33.63 的符合性時(shí)證明未經(jīng)受過應(yīng)力。

發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片和機(jī)匣之間的相互作用可能產(chǎn)生無法避免的破壞性振動，并帶來嚴(yán)重的后果。該過程可能很迅速以至于振動傳感器無法響應(yīng)時(shí)間和加速度的變化。必須通過分析、試驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)表明風(fēng)扇葉片和機(jī)匣對二者之間的相互作用不敏感，并且不存在導(dǎo)致二者相互作用的可能。

5 試驗(yàn)實(shí)施

5.1 試驗(yàn)配置

發(fā)動機(jī)系統(tǒng)及部件的振動試驗(yàn)環(huán)境應(yīng)能充分地代表發(fā)動機(jī)。試驗(yàn)時(shí)應(yīng)考慮對發(fā)動機(jī)振動有影響的安裝特性和接口等配置，例如：整流罩、發(fā)動機(jī)架、進(jìn)氣或出氣結(jié)構(gòu)等機(jī)身元件的重量、重心和剛度等均對其有影響。充液管路和軟管等部件的試驗(yàn)配置應(yīng)考慮壓力、溫度或其他參數(shù)對振動的影響。如果發(fā)動機(jī)的安裝特性未知，必須按照33.5 提供的安裝說明來評估其對振動的影響。

5.2 試驗(yàn)設(shè)備

整個(gè)試驗(yàn)過程中應(yīng)有充足的振動監(jiān)測儀器來監(jiān)測試件振動。比較標(biāo)稱轉(zhuǎn)子和不平衡轉(zhuǎn)子的振動條件可以指示振動監(jiān)測單元的靈敏度響應(yīng)。傳感器、加速度計(jì)或狀態(tài)監(jiān)測單元應(yīng)布置在對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不平衡敏感的部位，應(yīng)布置在風(fēng)扇機(jī)匣、壓縮機(jī)機(jī)匣、燃燒室外殼、排氣結(jié)構(gòu)和附件變速箱上或附近，必要的話，可以直接布置在部件上或部件附近，以便能正確地監(jiān)測到試件的振動響應(yīng)量值。

5.3 試驗(yàn)順序與合格判據(jù)

試驗(yàn)開始前應(yīng)明確試驗(yàn)合格判據(jù)，合格判據(jù)可以是功能性能檢查和振動量級；可接受的試驗(yàn)后部件內(nèi)部檢查項(xiàng)目，必須監(jiān)測振動量值，監(jiān)測方法的精度必須滿足相關(guān)要求。

確定試驗(yàn)順序時(shí)應(yīng)確保找到重要的振動特性并供后續(xù)試驗(yàn)參考。例如：振動條件測試在步進(jìn)和駐留試驗(yàn)之前進(jìn)行，以確保步進(jìn)和駐留試驗(yàn)時(shí)能考慮到振動條件測試中出現(xiàn)的所有的尖峰和明顯的振動。

5.4 試驗(yàn)后檢查

試驗(yàn)后應(yīng)對試件的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行必要的評估和檢查。試驗(yàn)大綱應(yīng)規(guī)定目視、非破壞性檢查和功能測試等檢查方法。對于高周疲勞引起的無法通過目視檢查識別的損傷，必要時(shí)應(yīng)拆下振動敏感部件進(jìn)行徹底的檢查。試驗(yàn)報(bào)告應(yīng)對試驗(yàn)后檢查發(fā)現(xiàn)的任何損傷、過應(yīng)力或超出事先規(guī)定范圍的磨損進(jìn)行解釋，并分析產(chǎn)生的影響。

6 結(jié)束語

本文分析了發(fā)動機(jī)部附件振動應(yīng)力來源，介紹了驗(yàn)證發(fā)動機(jī)外部部件和內(nèi)部部件振動符合性、試驗(yàn)實(shí)施應(yīng)考慮的因素，對于發(fā)動機(jī)部附件振動適航取證具有指導(dǎo)意義。