郭海東，李國鴻，張永峰，陳 釗，許艷芝

(中國飛行試驗研究院發(fā)動機所，陜西西安 710089)

0 引言

飛行試驗中對發(fā)動機進行安全監(jiān)控非常重要，其中發(fā)動機振動參數(shù)是必不可少的監(jiān)控內(nèi)容［1］。目前我國渦扇類發(fā)動機主要以發(fā)動機機匣振動速度總量作為發(fā)動機振動監(jiān)視參數(shù)，且主要以某單一限制值作為發(fā)動機振動是否異常的判據(jù)［2］。這種振動監(jiān)測方式未考慮發(fā)動機工作狀態(tài)與發(fā)動機振動水平的關(guān)系及每臺發(fā)動機振動情況的差異，具有一定局限性。

發(fā)動機振源很多，主要包括發(fā)動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動、發(fā)電機轉(zhuǎn)動、齒輪、軸承轉(zhuǎn)動、流體激振、燃燒震蕩、局部共振等［3－4］，但其中最主要的振源為發(fā)動機轉(zhuǎn)子。對于雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機而言，高、低壓轉(zhuǎn)子振動為主要振源，高、低壓轉(zhuǎn)子的振動信號能夠直接反應(yīng)發(fā)動機的工作狀態(tài)，因此對發(fā)動機高、低壓轉(zhuǎn)子振動信號進行監(jiān)測非常關(guān)鍵。以發(fā)動機高、低壓轉(zhuǎn)子振動基頻作為對象，利用加裝振動傳感器參數(shù)建立發(fā)動機振動基準(zhǔn)曲線，該基準(zhǔn)曲線與發(fā)動機工作狀態(tài)及發(fā)動機本征特性具有緊密關(guān)系，能夠反應(yīng)出發(fā)動機不同工作轉(zhuǎn)速下的振動水平，可以更快更準(zhǔn)的監(jiān)視發(fā)動機工作狀態(tài)，依此作為發(fā)動機振動監(jiān)視限制參考對雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機安全試飛具有重要意義。同時，加裝振動傳感器參數(shù)可以用于發(fā)動機振動特性及故障分析，大大改進了以往振動總量監(jiān)測的局限性。

1 建立振動基準(zhǔn)曲線

1.1 振動基準(zhǔn)曲線的原理

發(fā)動機振動基準(zhǔn)曲線(VBL)是指與發(fā)動機工作狀態(tài)密切相關(guān)的轉(zhuǎn)子物理轉(zhuǎn)速nc與發(fā)動機振動值B之間的固有規(guī)律(見式(1))，與飛行環(huán)境、發(fā)動機故障等無關(guān)，是可以代表發(fā)動機健康狀態(tài)的一組參考值［5］，可通過對多次試驗和飛行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析獲得。在試飛過程中，可通過將發(fā)動機每一架次的振動值與其基準(zhǔn)曲線進行比較來判斷發(fā)動機的健康狀況。

式中:N1為nc最小允許轉(zhuǎn)速，N2為nc最大允許轉(zhuǎn)速，BN為振動基準(zhǔn)曲線上nc=N時的振動值。

一般需要專門安排裝機試驗錄取基準(zhǔn)振動基線VBL0，此外還需要安排專門的振動基線修正試驗對VBL0進行修正，具體實施步驟如下。

(1)通過裝機地面試驗或飛行試驗獲得基準(zhǔn)振動基線VBL0。

(2)安排4到5架次振動基線修正飛行試驗，并對試驗數(shù)據(jù)進行處理，獲得VBLk。

(3)利用VBLk對VBL0進行修正(方法如式(2)、式(3)所示)，得到VBL。

振動基準(zhǔn)曲線錄取試驗一般安排在發(fā)動機裝機且完成全面試車后，振動基準(zhǔn)曲線錄取飛行試驗和振動曲線修正飛行試驗應(yīng)盡可能的安排在最初的幾次飛行試驗時完成。試驗點應(yīng)覆蓋所有可能的發(fā)動機狀態(tài)，且nc試驗步長一般為1%(但操作步長不限制，以試車員和飛行員易于操作為準(zhǔn))。

1.2 振動基準(zhǔn)曲線的建立

以某型雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機為試飛平臺，針對該型發(fā)動機特點，安排試飛架次開展發(fā)動機振動基準(zhǔn)曲線的錄取。為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，將振動基準(zhǔn)曲線錄取試飛架次安排在試飛前期、發(fā)動機狀態(tài)良好的階段進行。在飛機巡航高度和巡航速度下，調(diào)整被試發(fā)動機至慢車狀態(tài)，穩(wěn)定3 min后發(fā)動機高壓轉(zhuǎn)速以2%步長增加直到起飛狀態(tài)，每個轉(zhuǎn)速狀態(tài)保持穩(wěn)定2 min，錄取發(fā)動機不同工作轉(zhuǎn)速下不同測點的振動值。

被試發(fā)動機上共加裝有7個加速度振動傳感器，分別位于進氣機匣(垂直振動)、分隔機匣(垂直、水平振動)、壓氣機機匣(垂直、水平振動)和渦輪機匣(垂直、水平振動)位置處。本文只選取壓氣機機匣垂直測點的試飛數(shù)據(jù)對發(fā)動機振動基準(zhǔn)曲線的建立過程進行說明，其它測點方法相同。

利用試飛過程中壓氣機機匣垂直測點所錄取的發(fā)動機振動值建立的振動基準(zhǔn)曲線見圖1所示。

圖1 壓氣機機匣垂直振動基準(zhǔn)曲線

由圖1可知，發(fā)動機高、低壓基頻分量振動值隨著高壓轉(zhuǎn)速的增大整體上趨于增大，局部轉(zhuǎn)速下會出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，相比傳統(tǒng)單一的振動限制值，建立振動基準(zhǔn)曲線更能反應(yīng)出發(fā)動機不同轉(zhuǎn)速下振動值的變化特性。

2 事后離線振動監(jiān)測

由于該型發(fā)動機試飛過程中未設(shè)置地面實時安全監(jiān)控，為了保證飛行安全，每個架次飛完后，必須及時處理分析振動數(shù)據(jù)，利用所建立的振動基準(zhǔn)曲線分析發(fā)動機的振動情況，判斷發(fā)動機的健康狀態(tài)，進而為后續(xù)安全飛行提供一定的參考。

由于發(fā)動機的振動除發(fā)動機高、低壓轉(zhuǎn)子主要振源外，還受外界不穩(wěn)定氣流等因素的影響，發(fā)動機振動值具有小范圍的波動性，因此在所建立振動基準(zhǔn)曲線上增加一定的裕度作為振動限制曲線來判斷發(fā)動機振動是否正常。根據(jù)試飛前期多個架次振動數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，可以確定出不同轉(zhuǎn)速下振動值的波動范圍，進而確定了振動基準(zhǔn)曲線所需增加的裕度ΔB(低壓轉(zhuǎn)子基頻分量:Nh≤90%時，ΔB=2，Nh＞90%時，ΔB=4;高壓轉(zhuǎn)子基頻分量:ΔB=4)，即得到了振動限制曲線L=VBL+ΔB(低壓轉(zhuǎn)子基頻分量:Nh≤90%時，L=VBL+2，Nh＞90% 時，L=VBL+4;高壓轉(zhuǎn)子基頻分量:L=VBL+4)，此處不再闡述統(tǒng)計過程。對該型發(fā)動機試飛中某五個試飛架次的典型狀態(tài)振動數(shù)據(jù)進行基于振動基準(zhǔn)曲線的事后離線監(jiān)測分析，分析結(jié)果見圖2所示。

圖2 基于振動基準(zhǔn)曲線的事后離線振動監(jiān)測(壓氣機垂直測點)

由圖2可知，所分析試飛架次的振動數(shù)據(jù)均在所建立發(fā)動機振動基準(zhǔn)曲線左右波動，且均在所建立的振動限制曲線以內(nèi)，因此，認(rèn)為試飛過程中發(fā)動機振動正常。

3 結(jié)論

通過對雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機振動基準(zhǔn)曲線的建立及應(yīng)用，得到以下結(jié)論。

(1)介紹了雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機高、低壓轉(zhuǎn)子基頻分量振動基準(zhǔn)曲線的建立過程及應(yīng)用，利用基于振動基準(zhǔn)曲線的事后離線監(jiān)測方法為某型雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機的安全飛行提供了保障，驗證了基于振動基準(zhǔn)曲線進行事后振動離線監(jiān)測的有效性。

(2)雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機在不同工作轉(zhuǎn)速下具有不同的振動特性，基于振動基準(zhǔn)曲線的事后離線監(jiān)測方法彌補了傳統(tǒng)單一振動限制值方法的缺點，對發(fā)動機振動具有更強的敏感性，能更好的反應(yīng)發(fā)動機在不同工作轉(zhuǎn)速下的振動特性。

(3)在飛行架次允許的條件下，應(yīng)盡可能利用更多架次的試飛數(shù)據(jù)對振動基準(zhǔn)曲線進行修正，從而提高振動基準(zhǔn)曲線和限制曲線的準(zhǔn)確性。

［1］ 張群巖，趙述元，李飛行.航空發(fā)動機試飛振動實時監(jiān)測技術(shù)研究［J］.噪聲與振動控制，2011，2(38):159－161.

［2］ 可成河，鞏孟祥，宋文興.某型發(fā)動機整機振動故障診斷分析［J］.航空發(fā)動機，2007，33(1):24－26.

［3］ 付才高.轉(zhuǎn)子動力學(xué)及整機振動［M］.北京:航空工業(yè)出版社，2000.

［4］ 王海霞.航空發(fā)動機整機振動分析與故障排除［D］.大連:大連理工大學(xué)，2008.

［5］ 鐘詩勝，崔智全，付旭云.Rolls－Royce發(fā)動機基線挖掘方法［J］.計算機集成制造技術(shù)，2010(10):1001－1011.