吳桂嬌，何劉海，劉杰薇，高　粱

（1.中國航空動力機械研究所，湖南 株洲 412002；2.航空發(fā)動機振動技術(shù)航空科技重點實驗室，湖南 株洲 412002）

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某航空發(fā)動機軸流葉輪葉片變形故障分析

吳桂嬌1，2，何劉海1，劉杰薇1，高粱1

（1.中國航空動力機械研究所，湖南 株洲 412002；2.航空發(fā)動機振動技術(shù)航空科技重點實驗室，湖南 株洲 412002）

某航空發(fā)動機在地面試驗中出現(xiàn)效率下降且伴有嘯叫聲的異?，F(xiàn)象。根據(jù)對所測振動、噪聲信號的詳細分析，成功判斷出該發(fā)動機第一級軸流葉輪葉片發(fā)生變形。國內(nèi)外對于發(fā)動機轉(zhuǎn)子葉片發(fā)生變形故障時的噪聲數(shù)據(jù)研究較少，通過對該發(fā)動機故障的詳細分析，得到轉(zhuǎn)子葉片發(fā)生變形故障時噪聲頻譜的特征，為轉(zhuǎn)子葉片變形故障的準(zhǔn)確判斷提供依據(jù)。

振動與波；航空發(fā)動機；振動測試；噪聲測試；葉片變形；頻譜特征

航空發(fā)動機葉片是發(fā)動機最關(guān)鍵的零件之一，對發(fā)動機諸多性能參數(shù)具有直接影響。文獻［1］對國內(nèi)外近二十年來的多起航空發(fā)動機故障案例進行了統(tǒng)計，其中葉片故障率占到了44.3%。為保障飛機的安全飛行，對發(fā)動機葉片故障現(xiàn)象的研究及排除具有重要意義。

某航空發(fā)動機進行高空低溫性能試驗時性能數(shù)據(jù)下降，將該發(fā)動機轉(zhuǎn)至地面試驗，其性能未見好轉(zhuǎn)，并且試驗過程中發(fā)出嘯叫聲。文中對所測振動及噪聲信號進行詳細分析，結(jié)合故障現(xiàn)象成功判斷出第1級軸流葉輪盤（以下稱為1級盤）葉片發(fā)生了變形，并通過內(nèi)窺鏡檢測證實了判斷。

1　故障現(xiàn)象及振動、噪聲分析

1.1故障現(xiàn)象

該航空發(fā)動機是雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機，即燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)子和自由渦輪轉(zhuǎn)子，在地面調(diào)試試驗時其各性能數(shù)據(jù)均正常，振動及噪聲監(jiān)測也未發(fā)現(xiàn)異常。調(diào)試結(jié)束后，該發(fā)動機進行了高空低溫性能試驗，由于高空低溫性能試驗環(huán)境惡劣，未進行噪聲測量。試驗過程中發(fā)現(xiàn)該發(fā)動機性能下降了5%，而所有振動測點的總量均在要求范圍內(nèi)且振動響應(yīng)也沒有發(fā)生突變。為查清性能下降的原因，將發(fā)動機轉(zhuǎn)至常規(guī)車臺進行地面驗證試驗。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速運行至N= 60%時突然發(fā)出嘯叫聲，且嘯叫聲一直持續(xù)。

1.2振動分析

發(fā)動機機匣振動監(jiān)控位置為前、后承力機匣和附件機匣。其中主機匣即壓氣機機匣上布置有垂直、水平以及軸向共三個測點；中機匣布置垂直、水平共二個測點；渦輪機匣徑向225o、315o共二個測點；附件機匣垂直方向布置了一個測點。振動測試儀器為CA-YD-107壓電式加速度傳感器、VIB2012A專用振動測試儀、DEWE-211記錄分析儀。振動測試系統(tǒng)如圖1所示。各測點代號見表1。

圖1　振動測試系統(tǒng)組成框圖

地面驗證試驗轉(zhuǎn)速只到了最大轉(zhuǎn)速的88.2%，因此對該狀態(tài)下的兩次試驗的振動信號進行對比分析，分析結(jié)果見表2，頻譜圖見圖2—圖3。從分析結(jié)果和頻譜圖可知：

1）兩次試驗主機匣測點的振動響應(yīng)相對較大；

2）在驗證試驗中所有測點的轉(zhuǎn)子基頻振動響應(yīng)都比調(diào)試試驗時略有增大。

圖2　地面調(diào)試試驗N=88.2%時各測點振動響應(yīng)

圖3　地面驗證試驗N=88.2%時各測點振動響應(yīng)

表1　發(fā)動機振動測點代號

表2　轉(zhuǎn)速N=88.2 ％工況下兩次試驗的振動響應(yīng)單位：mm/s

1.3噪 聲分析

噪聲測試儀器為B&K3560B采集儀、4980型電容傳聲器、分析軟件為B&K的PULSE噪聲分析軟件。將傳聲器安裝在發(fā)動機進氣道一側(cè)，與發(fā)動機軸線同高且成45o。測試系統(tǒng)見圖4。

航空發(fā)動機的噪聲頻譜是在寬帶噪聲的基礎(chǔ)上疊加了一系列的離散聲。寬頻噪聲是由有隨機特性的葉片脈動力所引起。離散噪聲主要指的是轉(zhuǎn)子葉片的旋轉(zhuǎn)噪聲，旋轉(zhuǎn)噪聲由工作葉輪上均勻分布的葉片打擊周圍的氣體介質(zhì)，引起周圍氣體的壓力脈動而產(chǎn)生，在噪聲譜上表現(xiàn)為轉(zhuǎn)子葉片的通過頻率（BPF）［1，2］和它的各次諧波。該型發(fā)動機是雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機，所以葉片通過頻率為燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)子各級葉輪葉片的通過頻率和自由渦輪轉(zhuǎn)子葉片的通過頻率。

在進行地面驗證試驗時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速在N=60%時出現(xiàn)了嘯叫聲，隨轉(zhuǎn)速上升一直持續(xù)，在前期的調(diào)試試驗中并未出現(xiàn)這一現(xiàn)象。地面驗證試驗最大轉(zhuǎn)速只達到N=88.2%，因此對該狀態(tài)下的兩次試驗的噪聲信號進行分析，結(jié)果見表3。

表3　轉(zhuǎn)速N=88.2%工況下兩次試驗的總聲壓級及相關(guān)頻譜分量的噪聲幅值/dB

圖4噪聲測試系統(tǒng)

圖5為發(fā)動機地面調(diào)試試驗時的噪聲譜，圖6為發(fā)動機地面驗證性試驗時的噪聲譜。

從表3及噪聲頻譜圖中可以看到：

1）驗證試驗的總聲壓級比調(diào)試試驗時增大了4 dB；

2）驗證試驗中的燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)子基頻噪聲幅值比調(diào)試試驗時大了32.4 dB；

圖5　N=88.2%時地面調(diào)試試驗噪聲頻譜圖

圖6　N=88.2%時地面驗證試驗噪聲頻譜圖

3）驗證試驗中1級盤BPF的噪聲幅值比調(diào)試試驗時減小了9 dB；

4）驗證試驗中第2、3級盤BPF的噪聲幅值都有所增大（最大增大了12.7 dB）；

5）驗證試驗的噪聲譜出現(xiàn)了以燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)子基頻和它的各次諧波分量為主的離散噪聲；

6）自由渦輪BPF噪聲幅值在兩次試驗中差別不大。

2　故障分析及內(nèi)窺鏡檢測結(jié)果

2.1故障分析

通過前面的振動及噪聲數(shù)據(jù)分析可以看出前后兩次試驗振動數(shù)據(jù)沒有明顯異樣，但噪聲數(shù)據(jù)卻有著很大差異。驗證試驗中的噪聲譜出現(xiàn)了以燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)頻和它的各次諧波分量為主的離散噪聲，且幅值都很大，所以懷疑這次故障與燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)子有關(guān)。

葉片通過頻率噪聲幅值的大小與葉片負荷有著直接的關(guān)系［3］，在發(fā)動機相同狀態(tài)中，葉片通過頻率噪聲幅值應(yīng)該沒有明顯差異。驗證試驗中的噪聲譜出現(xiàn)了以燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)頻和它的各次諧波分量為主的離散噪聲。燃氣發(fā)生器各級盤的BPF都是其轉(zhuǎn)頻的倍頻，它們的噪聲幅值在轉(zhuǎn)頻諧波的影響下應(yīng)增大或不變。從表3可以看到1級盤BPF的噪聲幅值明顯降低（下降9 dB），第2、3級盤以及燃氣渦輪BPF的噪聲幅值都有所增大（最大增大了12.7 dB）。因此1級盤BPF的噪聲幅值出現(xiàn)明顯異常，故懷疑1級盤葉片出現(xiàn)故障。

葉片的故障模式主要有三種：變形、裂紋和斷裂。發(fā)動機轉(zhuǎn)、靜子葉片出現(xiàn)變形，會導(dǎo)致嚴重的氣流分離，使壓氣機效率降低，而振動及噪聲方面的數(shù)據(jù)研究較少。航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子葉片發(fā)生裂紋，裂紋葉片會與相對應(yīng)的機匣發(fā)生碰磨，從而造成機匣振動變大，但鮮少聽聞發(fā)動機會發(fā)出嘯叫聲。發(fā)動機轉(zhuǎn)子葉片斷裂是一種非常嚴重的故障，輕則發(fā)動機嚴重失速機匣振動突增，重則發(fā)動機熄火停車。根據(jù)上面對該發(fā)動機的振動、噪聲分析，懷疑發(fā)動機1級盤葉片發(fā)生變形可能性較大。

2.2內(nèi)窺鏡檢測

為驗證上面的推測進行了內(nèi)窺鏡檢測，發(fā)現(xiàn)1級盤有多個葉片變形，其葉片盤葉片均完好。變形部位呈離散分布，變形葉片受沖擊處及反沖擊對應(yīng)部位均未發(fā)現(xiàn)受固態(tài)非變形異物接觸痕跡，葉輪相對應(yīng)的機匣內(nèi)壁亦未發(fā)現(xiàn)明顯碰摩痕跡。發(fā)動機其它轉(zhuǎn)、靜子件及其對應(yīng)流道部分均未發(fā)現(xiàn)異常。變形部位如圖7—圖8。

圖7　軸流葉片變形部位1

圖8　軸流葉片變形部位2

3　葉片變形故障原因分析

3.1可能產(chǎn)生異?，F(xiàn)象的因素

1）裝配、運輸過程中發(fā)生意外

發(fā)動機裝配過程中，操作人員不慎將轉(zhuǎn)子葉片碰傷或運輸過程中出現(xiàn)意外將轉(zhuǎn)子葉片損傷造成了一級軸流葉片變形。如果是上述原因，在該發(fā)動機進行最初的地面試驗時，性能數(shù)據(jù)就會有所下降且在試驗過程中發(fā)出嘯叫聲，因此可以排除裝配、運輸過程中的意外造成軸流轉(zhuǎn)子葉片變形的可能性。

2）轉(zhuǎn)動件與靜子件碰磨

在發(fā)動機運轉(zhuǎn)過程中，由于轉(zhuǎn)動件與靜子件的徑向間隙過小等原因造成轉(zhuǎn)動件與靜子件碰磨，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子件變形、裂紋等。當(dāng)轉(zhuǎn)動件與靜子件發(fā)生碰磨時，發(fā)動機的機匣振動響應(yīng)會增大，雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中會出現(xiàn)多種倍頻和分頻振動以及兩轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速頻率的多種復(fù)合頻率［4］，此外葉尖與其對應(yīng)的機匣會出現(xiàn)刮痕。但從機匣振動響應(yīng)的頻譜和內(nèi)窺鏡檢測結(jié)果均未發(fā)現(xiàn)上述特征，所以可以排除轉(zhuǎn)動件與靜子件碰磨是故障產(chǎn)生的原因。

3）外物損傷

發(fā)動機在啟動和工作時，在進氣口產(chǎn)生負壓形成巨大的吸力，有可能會吸入外來物對發(fā)動機造成損傷。外來物主要有三種：軟物體、沙石類、金屬物。由文獻［5］可知，軟物體損傷常常造成一級壓氣機轉(zhuǎn)子葉片端部進氣邊緣彎曲變形，這與內(nèi)窺鏡檢測結(jié)果很相似，所以懷疑故障原因是外物損傷，外來物為軟物體。

3.2故障分析

外物損傷中軟物體主要指鳥、冰雪等，但就該發(fā)動機的試驗現(xiàn)場來看是不存在鳥類外來物的。對試驗現(xiàn)場進行仔細檢查發(fā)現(xiàn)高空低溫試驗的艙門有漏氣現(xiàn)象，將發(fā)動機置于低溫性能試驗環(huán)境中，并將艙門關(guān)閉半小時，打開艙門檢查發(fā)現(xiàn)進氣罩上覆有冰霜且進氣道內(nèi)出現(xiàn)了小的冰柱。所以該發(fā)動機故障原因應(yīng)該是進氣道結(jié)冰，發(fā)動機一啟動將進氣道中的冰吸入流道內(nèi)打傷了1級盤葉片。

4　結(jié)語

針對該發(fā)動機故障的分析排查過程，得出發(fā)動機轉(zhuǎn)子葉片被軟物體擊傷而發(fā)生變形時的以下故障特征，其中噪聲頻譜特征最明顯：

（1）發(fā)動機效率降低；

（2）發(fā)動機在運行過程中會發(fā)出嘯叫聲；

（3）故障葉輪葉片通過頻率噪聲幅值明顯降低；

（4）在噪聲譜中會出現(xiàn)故障葉輪轉(zhuǎn)頻和它的各次諧波分量為主的離散噪聲；

（5）機匣振動沒有明顯變化。

［1］趙婷，常迎春，馮陽.航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)可靠性體系研究［J］.國內(nèi)外機電一體化技術(shù)，2012，6：42-44.

［2］楊華運，顏文學(xué)，王歡等.對旋軸流通風(fēng)機噪聲的產(chǎn)生機理及特性分析［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2011，38（2）：76-79.

［3］喬渭陽.航空發(fā)動機氣動聲學(xué)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)，2010.

［4］何田，劉獻棟，李其漢.一種改進的航空發(fā)動機轉(zhuǎn)靜件碰磨故障診斷方法［J］.航空動力學(xué)報，2008，23（6）：1093-1097.

［5］關(guān)玉璞，陳偉，高德平.航空發(fā)動機葉片外物損傷研究現(xiàn)狀［J］.航空學(xué)報，2007，28（4）：851-857.

MalfunctionAnalysis of Blades Deflection for anAero-engine Axial Impeller

WU Gui-jiao1，2，HE Liu-hai1，LIU Jie-wei1，GAOLiang1

（1.ChinaAviation Powerplant Research Institute，Zhuzhou 412002，Hunan China；2.Key Laboratory ofAero-engine Vibration Technology inAeronautical Science，Zhuzhou 412002，Hunan China）

Efficiency drop and whistling phenomenon appear in a ground test of an aero-engine.Through the detailed analysis of the measured vibration and noise signals，the blade deformation of the first-stage axial-flow impeller of the engine is identified.Based on the detailed analysis of the fault，the characteristics of the noise spectrum due to the blade deformation are obtained.The results can provide a basis for blade deformation induced fault identification.

vibration and wave；aero-engine；vibration measurement；noise measurement；blade deflection；spectral characteristics

中圖書分類號：V23；V216.2+1；TB535ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.04.029

1006-1355（2016）04-0140-04

2015-11-27

吳桂嬌（1980-），女，湖南省株洲市人，碩士研究生，主要研究方向為航空發(fā)動機強度振動試驗、噪聲測試。E-mail:271382091@qq.com