郝曉樂，雷曉波，文 敏，高莎莎

（中國飛行試驗(yàn)研究院，710089西安）

0 引言

整機(jī)振動值異?；虺鍪褂孟拗浦凳呛娇瞻l(fā)動機(jī)外場使用中暴露的主要問題之一[1]。現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)追求高性能和高推重比，結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，工作條件苛刻，導(dǎo)致整機(jī)振動異常的因素逐步增多[2]，相應(yīng)的故障定位也越加困難；另外，在飛行試驗(yàn)中，受裝機(jī)空間限制，大部分小涵道比渦扇發(fā)動機(jī)只采用1個振動傳感器監(jiān)控整機(jī)振動值，無法準(zhǔn)確對異常振動故障定位分析和排除。

國內(nèi)外學(xué)者針對葉片－機(jī)匣局部碰摩故障，進(jìn)行了大量理論和試驗(yàn)研究，獲得了較為豐富的研究成果。高艷蕾等[3]研究了葉片－機(jī)匣間發(fā)生偏摩情況時轉(zhuǎn)子系統(tǒng)頻率結(jié)構(gòu)特征，分析了發(fā)生偏摩時，轉(zhuǎn)子頻譜的特征；陳果等[4]采用航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺，模擬葉片-機(jī)匣局部碰摩故障，得到了不同轉(zhuǎn)速下碰摩故障產(chǎn)生的頻譜特征；Ahrens等[5]通過模型試驗(yàn)研究了葉片、機(jī)匣碰摩產(chǎn)生的接觸力以及摩擦系數(shù)與轉(zhuǎn)速間依賴關(guān)系等；Padova等[6]對發(fā)動機(jī)在工作轉(zhuǎn)速下葉片-機(jī)匣的碰摩問題進(jìn)行試驗(yàn)，測量葉片-機(jī)匣接觸過程中碰摩力及葉片動應(yīng)力，分析了碰摩導(dǎo)致的非線性特性。但針對葉片-機(jī)匣碰摩的飛行試驗(yàn)研究未見報(bào)道。

本文針對某渦扇發(fā)動機(jī)科研試飛中發(fā)生的發(fā)動機(jī)振動值異常故障，借助隨機(jī)加裝的應(yīng)變片和振動傳感器等測量裝置的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確定位了故障部位和原因。

1 發(fā)動機(jī)振動值異常故障

某臺渦扇發(fā)動機(jī)在出廠前試車中，振動值基本在20 mm/s以下。裝機(jī)后，該發(fā)動機(jī)在前期各架次試驗(yàn)中振動最大值統(tǒng)計(jì)情況見表1。表中nH為高壓轉(zhuǎn)子相對物理轉(zhuǎn)速；B為發(fā)動機(jī)振動值。從表中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可見，在1次滑行和4次飛行試驗(yàn)中發(fā)動機(jī)振動最大值均在16.5 mm/s以下，且發(fā)動機(jī)均處于最大和中間狀態(tài)。

表1 發(fā)動機(jī)裝機(jī)后各架次發(fā)動機(jī)振動最大值

在進(jìn)行某高度飛行包線右邊界發(fā)動機(jī)工作穩(wěn)定性驗(yàn)證試飛返場過程中，發(fā)動機(jī)振動值異常升高，如圖1所示。從圖中可見，在完成包線右邊界大表速飛行返場過程中，在2架次飛行試驗(yàn)中均出現(xiàn)發(fā)動機(jī)振動值異常升高的情況（圖中圓圈），而在起飛、爬升以及加速過程中，振動值均保持在20 mm/s以下。圖中3次振動異常峰值時發(fā)動機(jī)主要參數(shù)見表2。表中Φ為發(fā)動機(jī)油門桿角度。表中振動峰值均在45 mm/s以上，高壓轉(zhuǎn)速均為93%左右，發(fā)動機(jī)狀態(tài)基本一致。

雖然發(fā)動機(jī)振動值并未超出《發(fā)動機(jī)使用維護(hù)手冊》給出的限制值，但對比表1、2中的數(shù)據(jù)可見，表2中的振動峰值較前幾架次明顯突升。在振動值異常時，發(fā)動機(jī)油門位置變化較小，高壓轉(zhuǎn)速基本恒定，見表3。即振動異常并非由發(fā)動機(jī)過渡態(tài)過程所引發(fā)。綜上，可判定為發(fā)動機(jī)振動值異常故障。

表2 振動異常架次峰值

表3 振動峰值前后主要參數(shù)變化幅值

2 振動異常故障原因分析

該型渦扇發(fā)動機(jī)發(fā)動機(jī)振動傳感器安裝在中介機(jī)匣上，如圖2所示。中介機(jī)匣是發(fā)動機(jī)承力系統(tǒng)的主要部件，高、低壓轉(zhuǎn)子的軸向載荷和部分徑向載荷由其傳出，同時發(fā)動機(jī)的主安裝節(jié)和附件機(jī)匣也安裝在其上，其內(nèi)腔還安裝有發(fā)動機(jī)中央傳動系統(tǒng)。因此，發(fā)動機(jī)振動傳感器可以感受到發(fā)動機(jī)各部件的振動情況，但很難確認(rèn)振動異常的振源。

此外，根據(jù)飛行試驗(yàn)需求，在該渦扇發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣機(jī)匣和中介機(jī)匣等處安裝應(yīng)變測量片，在進(jìn)氣機(jī)匣、中介機(jī)匣和渦輪后機(jī)匣等處加裝了振動傳感器（圖2）。通過分析發(fā)動機(jī)高壓轉(zhuǎn)子的振動頻率以及各機(jī)匣處的振動值的變化情況，可以有效定位故障位置，分析發(fā)動機(jī)發(fā)動機(jī)振動異常的原因。

圖1中第1飛行架次第1次振動異?，F(xiàn)象發(fā)生前后，應(yīng)變片測量數(shù)據(jù)的頻譜分析結(jié)果如圖3所示。對比正常振動水平和振動峰值時的頻譜，可見正常振動時，圖3（a）中只有較為明顯的高、低壓轉(zhuǎn)子的1倍頻nL和nH。而在振動峰值時圖譜中，不僅有高、低壓轉(zhuǎn)子的1倍頻nL和nH，還有高壓轉(zhuǎn)子的2倍頻2nH，以及高、低壓轉(zhuǎn)子的組合頻率，如2nH-nL和nL+nH。

第2飛行架次振動異常前后的頻譜分析結(jié)果也基本相同，如圖4所示。在正常振動水平時圖譜中高、低壓轉(zhuǎn)子的1倍頻nL和nH占優(yōu)，但存在其他未知頻率的干擾。而在振動峰值的圖譜中，再次出現(xiàn)高壓轉(zhuǎn)子的2倍頻2nH，以及高、低壓轉(zhuǎn)子的組合頻率nL+nH。

文獻(xiàn)[7-19]中對轉(zhuǎn)、靜子碰摩問題進(jìn)行了詳細(xì)的理論和試驗(yàn)研究。在雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)、靜子碰摩故障時，高、低壓轉(zhuǎn)子基頻和倍頻激振力將增大，并且會出現(xiàn)如 nH±nL、2nH±nL等 anH±bnL形式的高、低壓轉(zhuǎn)子的組合頻率，但不能判斷出是高壓轉(zhuǎn)、靜子碰摩或低壓轉(zhuǎn)、靜子碰摩。因此，根據(jù)圖3、4的分析結(jié)果基本可以確定振動異常的原因?yàn)檗D(zhuǎn)子和機(jī)匣碰摩，但無法具體定位碰摩部位。

第1飛行架次第1次振動異常和第2飛行架次振動異常過程中，位于中介機(jī)匣和渦輪后機(jī)匣的加裝振動傳感器所測得的機(jī)匣加速度如圖5、6所示。從圖中可見，在相同標(biāo)尺下，渦輪后機(jī)匣加速度由藍(lán)變紅的時間明顯早于中介機(jī)匣加速度的變化，表明其加速度突升發(fā)生得更早。從占優(yōu)頻率的幅值變化分析，2次振動異常發(fā)生時渦輪后機(jī)匣的振動突升明顯早于中介機(jī)匣的，可以認(rèn)為碰摩故障發(fā)生于渦輪單元體。

通過以上分析，可以確定振動異常的原因?yàn)闇u輪葉片和機(jī)匣上的外環(huán)部件發(fā)生了碰摩，但無法準(zhǔn)確確定為高壓或低壓渦輪。

3 發(fā)動機(jī)振動值趨勢特征

在確定發(fā)動機(jī)振動值異常的原因是渦輪葉片和機(jī)匣外環(huán)碰摩后，通過分析碰摩過程中發(fā)動機(jī)振動值的變化，可以得到典型碰摩故障過程發(fā)動機(jī)振動值的發(fā)展趨勢特征。3次渦輪和機(jī)匣碰摩過程發(fā)動機(jī)振動值的變化如圖7所示。從圖中可見發(fā)動機(jī)振動值的發(fā)展趨勢呈現(xiàn)以下特征。

（1）在油門角度、高壓轉(zhuǎn)速不變時（即穩(wěn)態(tài)過程），發(fā)動機(jī)振動值會緩慢持續(xù)上升（圖7（a）），油門桿角度、高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速波動分別僅為0.3°和1.3%，而振動值由27.5 mm/s增大至34.1 mm/s，持續(xù)約40 s；

（2）油門角度小幅度增大時，發(fā)動機(jī)振動值急劇增大（表3）；

（3）在一定高壓轉(zhuǎn)速下，發(fā)動機(jī)振動值會突降（2 s以內(nèi)），圖7中3次碰摩結(jié)束瞬間發(fā)動機(jī)振動值降幅分別達(dá)到76.9%、74.1%和70.9%。

由此得到的渦輪和機(jī)匣碰摩的典型振動模式如圖8所示。

4 故障原因簡析

圖1中3次由于渦輪轉(zhuǎn)子和機(jī)匣碰摩產(chǎn)生的發(fā)動機(jī)振動值異常均發(fā)生在完成飛行包線右邊界發(fā)動機(jī)工作穩(wěn)定性驗(yàn)證試飛后的返場過程中。發(fā)動機(jī)以最大狀態(tài)長時間高負(fù)荷工作，工況點(diǎn)基本接近工作包線極限，流道內(nèi)氣動熱力環(huán)境處于高溫高壓狀態(tài)，造成渦輪轉(zhuǎn)子和機(jī)匣變形量較大。隨后，發(fā)動機(jī)收至小狀態(tài)工作，渦輪轉(zhuǎn)子和機(jī)匣熱變形開始恢復(fù)。當(dāng)發(fā)動機(jī)再次由小狀態(tài)上推到大狀態(tài)時，渦輪轉(zhuǎn)子和機(jī)匣熱變形不協(xié)調(diào)，渦輪轉(zhuǎn)子變形較快，機(jī)匣變形較慢，造成轉(zhuǎn)、靜子間隙不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致渦輪葉片尖部與機(jī)匣局部碰摩，產(chǎn)生較大的碰摩力，從而引起發(fā)動機(jī)振動值增大。當(dāng)發(fā)動機(jī)狀態(tài)提高，流道氣體溫度升高后，轉(zhuǎn)、靜子變形恢復(fù)正常，葉尖與機(jī)匣不再接觸，此時發(fā)動機(jī)振動值突降。

受加工裝配等個體差異性影響，某些發(fā)動機(jī)渦輪葉尖間隙較大或比較均勻，轉(zhuǎn)、靜子變形協(xié)調(diào)，不會發(fā)生上述碰摩現(xiàn)象；而當(dāng)發(fā)動機(jī)渦輪葉尖間隙較小或局部較小，熱變形不協(xié)調(diào)時，就容易發(fā)生渦輪轉(zhuǎn)子和機(jī)匣碰摩。此外，碰摩故障的發(fā)生還與發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)和工作時間密切相關(guān)。

5 結(jié)論

本文利用某渦扇發(fā)動機(jī)加裝的應(yīng)變片和振動傳感器的數(shù)據(jù)，分析了試飛中出現(xiàn)的發(fā)動機(jī)振動值異常故障，得到以下結(jié)論：

（1）渦輪和機(jī)匣碰摩導(dǎo)致發(fā)動機(jī)振動值異常；

（2）渦輪和機(jī)匣碰摩會使機(jī)匣應(yīng)變圖譜中出現(xiàn)高壓轉(zhuǎn)子的2倍頻2nH，以及2nH-nL、nL+nH等高、低壓轉(zhuǎn)子的組合頻率；

（3）該型渦扇發(fā)動機(jī)典型渦輪和機(jī)匣碰摩故障中發(fā)動機(jī)振動值的發(fā)展特征趨勢如下：油門角度不變時，發(fā)動機(jī)振動值會緩慢持續(xù)增大；油門角度小幅度增大時，發(fā)動機(jī)振動值急劇增大；在一定高壓轉(zhuǎn)速下，發(fā)動機(jī)振動值會突降。

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