任志遠(yuǎn)++韋周慶

摘 要：某航空發(fā)動機試驗過程中出現(xiàn)振動大故障，通過試驗過程中的頻譜分析發(fā)現(xiàn)振動過程存在明顯的高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速耦合頻率，對發(fā)動機進(jìn)行全面分解排查，查明振動原因是低壓渦輪轉(zhuǎn)子不平衡，低壓渦輪轉(zhuǎn)子不平衡的原因是平衡工藝存在不足，工藝過程中的重復(fù)拆裝影響平衡質(zhì)量，針對低壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡工藝進(jìn)行優(yōu)化，保證低壓渦輪轉(zhuǎn)子的平衡質(zhì)量，排除了振動故障。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機；整機振動；中介軸承；高低壓耦合；平衡工藝

中圖分類號：V231 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

為提高推重比，現(xiàn)代雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機普遍采用高壓轉(zhuǎn)子后支點為中介軸承的支承方案，由于中介軸承的存在，使得高、低壓轉(zhuǎn)子的耦合效應(yīng)對發(fā)動機振動特性存在影響，理論分析認(rèn)為，低壓轉(zhuǎn)子不平衡會激起轉(zhuǎn)子以組合頻率振動，某航空發(fā)動機試驗過程中出現(xiàn)振動大故障，頻譜分析表明存在明顯的高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速耦合頻率，與理論分析結(jié)果符合，對后續(xù)的故障排查指明方向。

1.振動問題因素排查

1.1 故障現(xiàn)象

某航空發(fā)動機試驗過程中，振動值超出控制要求，針對振動情況進(jìn)行頻譜分析表明，振動主要表現(xiàn)為高壓轉(zhuǎn)子基頻振動，同時伴隨較大的低壓轉(zhuǎn)子基頻、（兩倍高壓轉(zhuǎn)子-低壓轉(zhuǎn)子）頻率、（高壓轉(zhuǎn)子+低壓轉(zhuǎn)子）頻率、（高壓轉(zhuǎn)子-低壓轉(zhuǎn)子）頻率等高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速耦合頻率的幅值。

1.2 分解檢查情況

對發(fā)動機進(jìn)行分解檢查，風(fēng)扇轉(zhuǎn)子、高壓壓氣機轉(zhuǎn)子、高壓渦輪轉(zhuǎn)子殘余不平衡量均為裝配要求的3～5倍，考慮平衡用模擬轉(zhuǎn)子的裝配誤差和平衡機支撐系統(tǒng)的重復(fù)裝配誤差，認(rèn)為該不平衡量變化屬于正常范圍，而對低壓渦輪轉(zhuǎn)子進(jìn)行殘余不平衡量檢查時發(fā)現(xiàn)，低壓渦輪轉(zhuǎn)子盤端即后平衡面殘余不平衡量異常，達(dá)到裝配要求的15倍以上，表明低壓渦輪轉(zhuǎn)子在試驗過程中出現(xiàn)了較大的不平衡量變化。

1.3 振動原因分析

由于工藝誤差、裝配誤差以及發(fā)動機試驗過程中溫度和剛性的非線性變化，中介軸承的剛度會出現(xiàn)周向不均勻，考慮低壓渦輪轉(zhuǎn)子的不平衡時，低壓盤的不平衡會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子以低壓轉(zhuǎn)速基頻正進(jìn)動，并激起高壓轉(zhuǎn)子以（2倍高壓轉(zhuǎn)子-低壓轉(zhuǎn)子）頻率的正進(jìn)動，同時會伴隨高壓轉(zhuǎn)子基頻+低壓轉(zhuǎn)子基頻、高壓轉(zhuǎn)子基頻-低壓轉(zhuǎn)子基頻頻率幅值的存在，本臺發(fā)動機試驗過程中，振動測試表現(xiàn)出明顯的高低壓耦合特征，且分解排查發(fā)現(xiàn)存在低壓渦輪轉(zhuǎn)子不平衡量異常變化的情況，認(rèn)為低壓渦輪轉(zhuǎn)子的不平衡是本次振動故障的主要原因。

2.低壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡工藝評估與優(yōu)化

某航空發(fā)動機低壓渦輪轉(zhuǎn)子為兩級渦輪，低壓一、二級工作葉片均通過樅樹型榫齒分別與低壓一、二級盤聯(lián)接，用盤前、后擋板及盤間封嚴(yán)環(huán)槽向固定，低壓一、二級渦輪盤靠螺栓連在低壓渦輪軸上，低壓軸前端外花鍵套齒與風(fēng)扇軸內(nèi)花鍵套齒配合，用以將低壓渦輪的扭矩傳遞到風(fēng)扇軸上，低壓渦輪轉(zhuǎn)子后端通過滾棒軸承支撐在后支撐機匣上。

2.1 低壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡工藝評估

低壓渦輪轉(zhuǎn)子采用臥式平衡機進(jìn)行動平衡，前支撐位于低壓渦輪軸前端，采用平衡工藝軸套支撐在平衡機滾輪上，并利用套齒結(jié)構(gòu)連接平衡機傳動機構(gòu)進(jìn)行傳扭，后支撐位于輪盤中心位置，采用平衡工藝軸套支撐在平衡機滾輪上，此時兩級轉(zhuǎn)子之間的靜子機匣不進(jìn)行裝配，平衡完成后，分解低壓渦輪二級轉(zhuǎn)子葉片，裝配靜子機匣，再次裝配低壓渦輪二級轉(zhuǎn)子葉片，完成組件裝配并進(jìn)行整機裝配。

針對現(xiàn)有低壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡工藝進(jìn)行評估，分析認(rèn)為導(dǎo)致低壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡量存在變化的原因有如下兩項：

（1）由于低壓渦輪轉(zhuǎn)子輪盤、葉片均處于后支撐附近，轉(zhuǎn)子的不平衡量測量對后支撐工藝軸套的形位公差比較敏感，低壓渦輪轉(zhuǎn)子重量約為150kg，假設(shè)與后支點軸承相比，工藝軸套形位公差存在e=0.005mm偏心量，估算轉(zhuǎn)子組件會產(chǎn)生750g.mm的附加不平衡量，對裝配狀態(tài)及平衡狀態(tài)的一致性造成影響。

（2）低壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡完成后，需要分解低壓渦輪二級轉(zhuǎn)子葉片，進(jìn)行靜子機匣裝配后對低壓渦輪二級轉(zhuǎn)子葉片恢復(fù)裝配，雖然制定了嚴(yán)格按照葉片、平衡螺釘和鎖片上的位置號原位裝配的要求，但重復(fù)拆裝不可避免地會造成不平衡量的變化，影響了低壓渦輪轉(zhuǎn)子的平衡狀態(tài)，同時平衡前后也要對后支撐軸承進(jìn)行分裝，這種重復(fù)分裝工作增加了操作者的工作量，增大了裝配錯誤的概率。

2.2 低壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡工藝優(yōu)化及驗證

為了保證低壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)與裝配狀態(tài)的一致性，研究帶軸承和靜子機匣的低壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡工藝方案進(jìn)行研究，為了避免工藝軸承座結(jié)構(gòu)剛性較差導(dǎo)致的不平衡量測量失真效應(yīng)，采用結(jié)構(gòu)剛性較強的框架結(jié)構(gòu)平衡工裝同時實現(xiàn)對后支點軸承和靜子機匣的支撐。

平衡工裝主要由焊接結(jié)構(gòu)的定位套筒組件、前工藝機匣焊接組件、后工藝機匣組成，三者之間螺栓連接。前機匣上有轉(zhuǎn)接環(huán)與低壓渦輪一級前機匣連接，用于支撐低渦靜子；軸前端通過定位套筒與平衡機傳動聯(lián)軸節(jié)相連，由前機匣前端的兩個精密滾輪和后機匣上的軸承座裝配后支點軸承并支撐低壓渦輪轉(zhuǎn)子。平衡過程中前后機匣上分別設(shè)有與平衡機支撐架配合的前后V型支撐座，用于支撐整個平衡系統(tǒng)。為加強支撐剛性，將前后支撐機匣間連接支撐桿兩端焊加強筋處理。

由于轉(zhuǎn)子前后支撐跨距較大，而平衡穩(wěn)定性對支撐同心度要求較高，所以一方面在選擇轉(zhuǎn)子支撐形式時，后軸承作為一個支點，前段采用兩個滾輪進(jìn)行支撐，由于滾輪的表面為弧面即支撐轉(zhuǎn)子時為線接觸，降低了對同心度的要求，另一方面通過控制組件之間的連接止口處柱面跳動及端面跳動；連接螺栓孔位置度、與后軸承配合的工藝外環(huán)的粗糙度、圓柱度、相對基準(zhǔn)的跳動值等要求提高工藝裝備的精度，同時關(guān)鍵配合面以及螺栓連接孔等加工均采用組合加工來保證精度，并選取定位套筒后止口與機匣焊接組件配合處為組合加工基準(zhǔn)。

對新的低壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡工藝進(jìn)行平衡準(zhǔn)確性和平衡重復(fù)性驗證，新工藝對修正面上的相應(yīng)輕點位置加配重后的不平衡量采集比較準(zhǔn)確，能夠滿足平衡準(zhǔn)確性的要求，在平衡轉(zhuǎn)速下，平衡重復(fù)性相比原平衡工藝有較大的提高。

采取低壓渦輪轉(zhuǎn)子帶支點軸承和靜子機匣平衡工藝方案后，平衡過程采用主支點軸承進(jìn)行支撐，平衡狀態(tài)與轉(zhuǎn)子工作狀態(tài)更加接近，避免了工裝對不平衡量的帶入影響，同時平衡工序前后不需要軸承和低渦轉(zhuǎn)子葉片的重復(fù)拆裝，避免了軸承和葉片重新分解裝配造成的不平衡量的不可控變化，保證了轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)和裝配狀態(tài)的一致性，經(jīng)平衡和裝配試驗驗證，振動故障排除。

結(jié)語

振動是航空發(fā)動機永恒的話題，振動機理復(fù)查，影響因素眾多，本次試驗過程振動的排除實例可供相關(guān)技術(shù)人員借鑒：

（1）振動的頻譜分析和相應(yīng)機理的結(jié)合可以有效地指引發(fā)動機的振動排故，通過理論和實際的結(jié)合，可以明確振動原因和結(jié)構(gòu)影響因素，為后續(xù)的裝配控制提供方向。

（2）振動對不平衡量極其敏感，對于平衡工藝要加強評估，在平衡精度控制的基礎(chǔ)上要注意裝配狀態(tài)和平衡狀態(tài)的一致性，避免裝配操作產(chǎn)生附加的不平衡量。

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