航空發(fā)動機(jī)腔內(nèi)積油引發(fā)振動故障分析

姜廣義，武 鵬，張 潔

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機(jī)設(shè)計研究所，沈陽 110015）

0 引言

航空發(fā)動機(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)動機(jī)調(diào)試和試制過程中漏油現(xiàn)象時有發(fā)生，導(dǎo)致鼓筒腔內(nèi)積油。在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中，積油在一定條件下將發(fā)生自激振動，使轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動異常。但由于流體的旋轉(zhuǎn)作用，使得這類問題的機(jī)理分析較一般的流固耦合問題更為復(fù)雜，而且還具有許多特殊性，成為目前轉(zhuǎn)子動力學(xué)研究領(lǐng)域的1個新課題[1-3]。

本文結(jié)合實際發(fā)動機(jī)試車過程中發(fā)生的異常振動，通過相關(guān)結(jié)構(gòu)件模態(tài)分析、振動測試以及噪聲測試分析，最終找出振動異常原因。其經(jīng)驗性結(jié)論可以在機(jī)理分析不完善情況下為振動故障診斷提供參考。

1 故障現(xiàn)象

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

2 原因分析

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

2.1 結(jié)構(gòu)分析

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

為較真實模擬空氣導(dǎo)管的實際安裝情況，在模態(tài)分析試驗中，將空氣導(dǎo)管和高壓渦輪盤等組合件支承于裝配架上，對應(yīng)渦輪轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過程中的狀態(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個不穩(wěn)定值，隨盤所承受的載荷或渦輪轉(zhuǎn)子的氣動負(fù)荷變化而不同。如將該組合件用繩吊起做模態(tài)試驗，則其1階彎曲頻率為145Hz。但由于該類型空氣導(dǎo)管在多臺發(fā)動機(jī)中都有使用，以及在此臺發(fā)動機(jī)第1次上臺試車喘振前也未發(fā)生故障，所以可排除因其結(jié)構(gòu)共振導(dǎo)致振動異常及出現(xiàn)嗡鳴聲。

中介機(jī)匣試驗件主要由支板、附件機(jī)匣、中央傳動齒輪和3支點軸承等組成，在附件機(jī)匣上同向等距離放置7個傳感器，測得的振型有1、2階彎曲振動，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)行測試，其振型為1、2階彎曲振動，1階振型為158 Hz，而在機(jī)匣的直徑方向無振型存在。在發(fā)動機(jī)臺架試車時，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)與軸承座松動時才有明顯表現(xiàn)。但從整機(jī)振動信號（如圖1所示）可見，發(fā)生振動異常和嗡鳴聲時，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)匣振動響應(yīng)

2.2 轉(zhuǎn)子腔內(nèi)積油自激振動分析

在發(fā)動機(jī)的幾次分解裝配過程中都發(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引起轉(zhuǎn)子運動和轉(zhuǎn)子空腔內(nèi)積液運動的相互作用。當(dāng)轉(zhuǎn)子作無擾動的穩(wěn)定自旋時，積油會均勻地貼于內(nèi)壁，且與轉(zhuǎn)子一起以同一角速度自旋，無相對運動；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，積油的相對運動和壓力場對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生1個附加力，與轉(zhuǎn)子的相互作用會使轉(zhuǎn)子以極大的振動作異步渦動，嚴(yán)重地影響轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的正常運行，在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)產(chǎn)生不穩(wěn)定區(qū)。

整機(jī)振動測試的其它測點振動響應(yīng)瀑布如圖2～4所示。

圖4 渦輪后機(jī)匣振動響應(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，幅值很大，所以fx頻率的出現(xiàn)應(yīng)是因為腔內(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稱柔性懸臂轉(zhuǎn)子和剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，發(fā)現(xiàn)由于支承剛度的非對稱使原來支承剛度對稱的部分充液轉(zhuǎn)子的1個不穩(wěn)定區(qū)分裂為多個獨立的不穩(wěn)定區(qū)，但并未說明出現(xiàn)多個獨立不穩(wěn)定區(qū)的條件。祝長生[7]在2維無黏旋轉(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)定性問題和轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的各參數(shù)對穩(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)可能是多個有限區(qū)間，分別與該系統(tǒng)的多個臨界區(qū)相對應(yīng)。

從發(fā)動機(jī)起動到慢車停留過程中各振動測點頻譜圖中可見，共有2個不穩(wěn)定區(qū)，對1支點軸承座所測振動響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，可得這2個不穩(wěn)定區(qū)所對應(yīng)的高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速范圍，如圖5所示。

圖5 對應(yīng)高壓轉(zhuǎn)速的不穩(wěn)定區(qū)

從圖5中可見，高壓轉(zhuǎn)速從45%～55%最高轉(zhuǎn)速附近為第1個不穩(wěn)定區(qū)，從71%最高轉(zhuǎn)速附近開始為第2個不穩(wěn)定區(qū)。

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

通過與計算結(jié)果對比可知，在第1個不穩(wěn)定區(qū)，異步渦動最大幅值的頻率為102.5Hz，對應(yīng)于高壓轉(zhuǎn)子第3階臨界轉(zhuǎn)速，第2個不穩(wěn)定區(qū)所對應(yīng)的異步渦動最大幅值的頻率為147.5Hz，對應(yīng)于高壓轉(zhuǎn)子的第4階臨界轉(zhuǎn)速。在發(fā)動機(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相對應(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，得到的結(jié)果為失穩(wěn)區(qū)有2個，相應(yīng)在ω/ωn≈0.95～1.20及1.80～2.05。

針對該發(fā)動機(jī)，從整機(jī)振動1階高壓跟蹤幅值可知，該發(fā)動機(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)動機(jī)在整個工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)無彎曲臨界，以上所述臨界振型都為剛體振型，所以發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子可視為準(zhǔn)剛性轉(zhuǎn)子，其第1個不穩(wěn)定區(qū)的范圍為1.13＆lt;ω/ωn＆lt;1.36。

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

2.3 振動異常時聲音分析

發(fā)動機(jī)在振動異常時會出現(xiàn)嗡鳴聲。在發(fā)動機(jī)第1次上臺1 6次開車中，為分析嗡鳴聲的頻率成分，增加了1個噪聲測試傳感器。在嗡鳴聲出現(xiàn)時，該傳感器所測噪聲信號的頻率成分如圖6所示。

從圖6中可見，出現(xiàn)嗡鳴聲時，噪聲的主要頻率成分fx與整機(jī)振動測點所測高壓轉(zhuǎn)子異步渦動頻率相吻合，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 聲振時噪聲測點所測頻率

2.4 磨損故障分析

在發(fā)動機(jī)分解過程中發(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)生自激振動時，頻率成分明顯比振動正常情況時的豐富，并且包含轉(zhuǎn)子的倍頻成分，所以判斷在積油發(fā)生自激振動的同時，由于振動較大，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)靜件發(fā)生多處碰摩[10]。

3 排故措施及驗證

在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子的鼓筒段和軸的內(nèi)腔，如果存在設(shè)計不當(dāng)，可能出現(xiàn)積油現(xiàn)象，將會改變整個轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動特性。所以應(yīng)在空腔的轉(zhuǎn)子上開甩油孔，使轉(zhuǎn)子在運轉(zhuǎn)過程中將油甩出，從而保證腔內(nèi)無積油。

在該發(fā)動機(jī)第4次裝配中，將甩油孔件的甩油孔按原位改回，在其后試車過程中一切正常，未出現(xiàn)振動異?，F(xiàn)象及嗡鳴聲。

通過以上分析，該發(fā)動機(jī)出現(xiàn)振動異常及嗡鳴聲的原因可以排除氣動因素以及結(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，該自激振動屬異步渦動，幅值較大，從而導(dǎo)致振動總量突增，使發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)靜件發(fā)生多處碰摩。由于發(fā)動機(jī)多個臨界轉(zhuǎn)速的存在，會出現(xiàn)多個相對應(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

針對腔內(nèi)積油現(xiàn)象，目前主要以理論探索為主，所建試驗器也多為立式轉(zhuǎn)子試驗器。由于忽略了重力等因素影響，其試驗結(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)子試驗器，以理論結(jié)合試驗進(jìn)行研究，明晰故障特征和邊界條件，可在發(fā)動機(jī)設(shè)計和研制中更好地處理此類故障。

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