□ 王洪明

中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責任公司 沈陽 110043

1 分析背景

高壓壓氣機轉子和高壓渦輪轉子組合件簡稱高壓轉子組合件,高壓轉子組合不平衡量會引起發(fā)動機振動,發(fā)動機振動則會嚴重影響發(fā)動機的性能。特別是在飛行過程中,發(fā)動機振動會增大磨損,導致系統(tǒng)故障,造成不可預知的后果[1]。付玄等[2]分析振動組件的動態(tài)響應特性,將高頻軸向振動應用于相應螺母的分解操作。陳果[3]建立了含復雜滾動軸承的航空發(fā)動機振動模型,并進行了研究。栗江等[4]研究連接結構對航空發(fā)動機裝配體振動特性的影響,有助于實現(xiàn)對航空發(fā)動機振動特性的精確分析,提高航空發(fā)動機的整機性能。馮健朋等[5]介紹了航空發(fā)動機動平衡及振動不平衡相位檢測技術的現(xiàn)狀與發(fā)展。高金吉[6]指出航空發(fā)動機振動問題較為突出,是設計、研制、生產、使用新一代航空發(fā)動機的瓶頸。柏樹生等[7]分析了航空發(fā)動機常見振動故障,提出了排除措施。孟俊[8]對航空發(fā)動機振動控制技術進行了分析和驗證。任志遠等[9]針對航空發(fā)動機振動故障,確認振動原因為低壓渦輪轉子不平衡,進而對低壓渦輪轉子平衡工藝進行優(yōu)化,保證了低壓渦輪轉子的平衡質量,排除了振動故障。鄭麗等[10]總結了航空發(fā)動機振動問題的研究現(xiàn)狀和趨勢,具有一定的參考價值。洪亮等[11]提出轉子對中性差及螺栓連接松動是導致航空發(fā)動機壓氣機部件出現(xiàn)振動異常的原因。

發(fā)動機振動對發(fā)動機使用壽命影響很大,控制發(fā)動機振動是延長發(fā)動機使用壽命的重要手段。筆者針對高壓轉子組合不平衡量對發(fā)動機振動的影響進行分析。

2 高壓轉子組合不平衡量對發(fā)動機振動峰值的影響

2.1 理論分析

發(fā)動機振動的主要原因是高壓轉子組合件受到不平衡力作用。由于高壓轉子組合件的質心與形心不一致,使高壓轉子組合件出現(xiàn)質量不平衡,導致發(fā)動機振動峰值較大。根據發(fā)動機試車振動情況及發(fā)動機試車后高壓轉子組合件檢查情況,確認發(fā)動機振動峰值較大是由高壓轉子組合不平衡量較大引起的。對于振動峰值較大的發(fā)動機,可以采用減小高壓轉子組合不平衡量的方法來應對。

高壓轉子組合件運動示意圖如圖1所示。設高壓轉子組合件的質量差為Δm,轉速為ω,自旋轉半徑為r,偏離中心旋轉半徑為R,則高壓轉子組合件的不平衡力F為:

F=Δmω2r

(1)

圖1 高壓轉子組合件運動示意圖

發(fā)動機工作過程中,高壓轉子組合件會偏離中心做旋轉運動,發(fā)動機存在振動。高壓轉子組合件偏離中心做旋轉運動的線速度對應振動峰值時,高壓轉子組合件所受的不平衡力即為高壓轉子組合件的離心力F1:

F1=F=Δmω2r=mv2/R

(2)

式中:m為高壓轉子組合件的質量;v為發(fā)動機振動峰值。

由式(1)、式(2)可知,當高壓轉子組合不平衡量較小時,高壓轉子組合件的質量差較小,高壓轉子組合件受到的不平衡力和離心力較小,發(fā)動機振動峰值也較小;隨著高壓轉子組合不平衡量增大,高壓轉子組合件的質量差增大,高壓轉子組合件受到的不平衡力和離心力增大,發(fā)動機振動峰值也增大。由此可見,可以通過控制高壓轉子組合不平衡量來控制發(fā)動機的振動峰值。

2.2 統(tǒng)計分析

發(fā)動機的振動峰值是評判發(fā)動機振動是否合格的重要參數(shù)之一。為分析高壓轉子組合不平衡量對發(fā)動機振動峰值的影響,統(tǒng)計200臺次發(fā)動機的高壓轉子組合不平衡量,分為小于10 g·cm、10～15 g·cm、15～20 g·cm、20～25 g·cm四個組別,分析不同組別高壓轉子組合不平衡量對發(fā)動機振動峰值的影響。

根據發(fā)動機設計文件要求判定發(fā)動機振動峰值是否合格,高壓轉子組合不平衡量對發(fā)動機振動峰值合格率的影響如圖2所示。在高壓轉子組合不平衡量的四個組別中,發(fā)動機振動峰值的合格率均高于不合格率。高壓轉子組合不平衡量越小,發(fā)動機振動峰值的合格率越高,表征發(fā)動機振動峰值合格的可能性越大。

圖2 高壓轉子組合不平衡量對發(fā)動機振動峰值合格率的影響

設置分界線用于判定發(fā)動機振動峰值是否優(yōu)秀,高壓轉子組合不平衡量對發(fā)動機振動峰值優(yōu)秀率的影響如圖3所示。由圖3可知,將高壓轉子組合不平衡量控制在15 g·cm以下,可以保證發(fā)動機振動峰值的優(yōu)秀率高于非優(yōu)秀率。高壓轉子組合不平衡量越小,發(fā)動機振動峰值優(yōu)秀率越高,發(fā)動機振動峰值優(yōu)秀的可能性越大。

圖3 高壓轉子組合不平衡量對發(fā)動機振動峰值優(yōu)秀率的影響

3 高壓轉子組合不平衡量對發(fā)動機振動變化的影響

3.1 理論分析

高壓轉子組合件在工作過程中,受到不平衡力的作用,繞中心做旋轉運動,不同運動位置如圖4所示。根據能量守恒定律,有:

mv2/2=mgh

(3)

式中:h為高壓轉子組合件的擺動幅度;g為重力加速度。

(1) 當高壓轉子組合不平衡量較小時,高壓轉子組合件的質量差較小,根據式(1)、式(2)可以判定高壓轉子組合件所受的離心力較小,發(fā)動機振動峰值較小,于是根據式(3)有:

mv2/2=mgh1<2mgR

(4)

式中:h1為高壓轉子組合件的擺動高度。

此時對應位置一,h1小于2R,高壓轉子組合件無法繞軸線做圓周運動,發(fā)動機的振動峰值和振動變化均較小。

(2) 當高壓轉子組合不平衡量增大時,高壓轉子組合件的質量差增大,根據式(1)、式(2)可以判定高壓轉子組合件所受的離心力增大,發(fā)動機振動峰值增大,于是根據式(3)有:

mv2/2=mgh2<2mgR

(5)

式中:h2為高壓轉子組合件的擺動高度。

此時對應位置二,h2小于2R,高壓轉子組合件無法繞軸線做圓周運動,但發(fā)動機的振動峰值和振動變化值均增大。

圖4 高壓轉子組合件運動位置

(3) 當高壓轉子組合不平衡量繼續(xù)增大時,高壓轉子組合件的質量差很大,根據式(1)、式(2)可以判定高壓轉子組合件所受的離心力很大,發(fā)動機振動峰值很大,于是根據式(3)有:

mv2/2>2mgR

(6)

此時對應位置三,高壓轉子組合件可以繞軸線做圓周運動,發(fā)動機的振動峰值很大,振動變化則為零。

3.2 統(tǒng)計分析

發(fā)動機在同一轉速下,振動峰值的變化量稱為發(fā)動機振動變化值,發(fā)動機振動變化值是評判發(fā)動機振動合格的另一個重要參數(shù)。為分析高壓轉子組合不平衡量對發(fā)動機振動變化的影響,統(tǒng)計200臺次發(fā)動機高壓轉子組合不平衡值,共分為小于10 g·cm、10～15 g·cm、15～20 g·cm、20～25 g·cm四個組別。

根據發(fā)動機設計文件要求判定發(fā)動機振動變化是否合格,高壓轉子組合不平衡量對發(fā)動機振動變化合格率的影響如圖5所示。由圖5可知,在高壓轉子組合不平衡量四個組別中,發(fā)動機振動變化的合格率均遠高于不合格率。高壓轉子組合不平衡量控制在10 g·cm以下或20～25 g·cm時,發(fā)動機振動變化合格率較高。

圖5 高壓轉子組合不平衡量對發(fā)動機振動變化合格率的影響

設置分界線用于判定發(fā)動機振動變化是否優(yōu)秀,高壓轉子組合不平衡量對發(fā)動機振動變化優(yōu)秀率的影響如圖6所示。由圖6可知,在劃分的高壓轉子組合不平衡量的四個組別中,小于10 g·cm、15～20 g·cm兩個組別的發(fā)動機振動變化優(yōu)秀率較高,尤其是高壓轉子組合不平衡量小于10 g·cm時,發(fā)動機振動變化的優(yōu)秀率最高。

圖6 高壓轉子組合不平衡量對發(fā)動機振動變化優(yōu)秀率的影響

4 分析結論

(1) 高壓轉子組合不平衡量越小,發(fā)動機振動峰值合格的可能性越大,發(fā)動機振動峰值優(yōu)秀的可能性越大,因此,高壓轉子組合不平衡量越小越好。

(2) 高壓轉子組合不平衡量控制在10 g·cm以下或20 g～25 g·cm時,發(fā)動機振動變化合格率及優(yōu)秀率較高。

(3) 綜合考慮發(fā)動機振動峰值和振動變化,建議將高壓轉子組合不平衡量控制在10 g·cm以下。