尚 洋

（中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210）

民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)配平功能設(shè)計(jì)

尚 洋

（中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210）

振動(dòng)故障是航空發(fā)動(dòng)機(jī)常見并且危害較大的故障，可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)營事故或提前更換，增加航空公司運(yùn)營成本，進(jìn)行轉(zhuǎn)子平衡是降低發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的重要措施。根據(jù)民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和振動(dòng)配平相關(guān)原理，設(shè)計(jì)了利用EVMU進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)配平計(jì)算的功能，并通過試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明：采用根據(jù)EVMU計(jì)算出的方案配平發(fā)動(dòng)機(jī)，能夠有效地降低發(fā)動(dòng)機(jī)N1振動(dòng)值，滿足航線使用需求。

N1振動(dòng)值；發(fā)動(dòng)機(jī)配平；影響系數(shù)法；渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用中會(huì)因轉(zhuǎn)子不平衡而導(dǎo)致振動(dòng)，輕則造成發(fā)動(dòng)機(jī)性能衰退過快，在役時(shí)間大大縮短；重則造成軸承、葉片損壞，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)營事故或提前更換，增加航空公司運(yùn)營成本[1]。因此，如何將在役發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)維持在較低水平，保證發(fā)動(dòng)機(jī)具有較高的可靠性、良好的經(jīng)濟(jì)性、較低的維修成本和較低的客艙噪聲，是發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)人員所要面對(duì)的重要課題。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，目前國外先進(jìn)飛機(jī)上都裝載有專門的機(jī)載設(shè)備用于監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)以及計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)配平方案。國內(nèi)也已研發(fā)出機(jī)載設(shè)備用于實(shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)[2]，但尚不具備計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)配平方案功能。針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)配平技術(shù)（也稱轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡技術(shù)），國內(nèi)部分高校及研究所進(jìn)行機(jī)載設(shè)備等大量的研究及試驗(yàn)[3-4]。

如果民用飛機(jī)不具備利用機(jī)載設(shè)備進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)配平計(jì)算的功能，航線上發(fā)生發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)偏高的情況，通常只能采用傳統(tǒng)的三元法[5-6]對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行配平，該方法需要進(jìn)行至少5～7次高功率開車，耗時(shí)長(zhǎng)、不經(jīng)濟(jì)且需要人工計(jì)算配平方案。為提高民用飛機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)力，本文利用機(jī)載軟件進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)配平計(jì)算的功能設(shè)計(jì)。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)配平相關(guān)原理

1.1 轉(zhuǎn)子不平衡

“不平衡力”是航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)主要原因。由于轉(zhuǎn)子材質(zhì)的不均勻、設(shè)計(jì)缺陷、熱變形、制造裝配的誤差和轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過程中介質(zhì)黏附到轉(zhuǎn)子上或有質(zhì)量脫落等，使實(shí)際轉(zhuǎn)子的質(zhì)心與形心不一致，從而使轉(zhuǎn)子出現(xiàn)質(zhì)量不平衡[7]，這是導(dǎo)致航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)過大和產(chǎn)生噪聲的重要因素[8-9]，不但會(huì)直接威脅到航空發(fā)動(dòng)機(jī)安全可靠地運(yùn)行，而且還容易誘發(fā)其他類型的故障。轉(zhuǎn)子不平衡引起的振動(dòng)故障是航空發(fā)動(dòng)機(jī)常見并且危害較大的故障，識(shí)別并減弱發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡是減小發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的重要措施。轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡所引起的振動(dòng)有以下特點(diǎn)[10]：

（1）由不平衡引起的轉(zhuǎn)子振動(dòng)是與轉(zhuǎn)速同頻的簡(jiǎn)諧振動(dòng)，相位比較穩(wěn)定，可以根據(jù)對(duì)振動(dòng)響應(yīng)中同頻振動(dòng)分量的測(cè)量來確定轉(zhuǎn)子的不平衡狀況；

（2）不平衡響應(yīng)的幅值與不平衡量呈線性關(guān)系，且工作轉(zhuǎn)速不同時(shí)，線性系數(shù)也不同。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)

民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)量技術(shù)在國內(nèi)已經(jīng)比較成熟[11-13]，測(cè)量系統(tǒng)原理如圖1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)上裝有1個(gè)N1轉(zhuǎn)速傳感器、1個(gè)N2轉(zhuǎn)速傳感器和2個(gè)振動(dòng)加速度傳感器，2個(gè)振動(dòng)加速度傳感器根據(jù)安裝位置分別稱為前、后振動(dòng)加速度傳感器。在飛機(jī)電子/電氣設(shè)備艙內(nèi)安裝有發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)控裝置EVMU。發(fā)動(dòng)機(jī)的N1、N2轉(zhuǎn)速信號(hào)和前、后振動(dòng)傳感器信號(hào)傳遞至EVMU，EVMU根據(jù)接收到的信號(hào)計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的N1、N2振動(dòng)值，并將計(jì)算結(jié)果發(fā)送到駕駛艙顯示。

1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)配平原理

民用飛機(jī)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)平衡的方法主要有振型平衡法和影響系數(shù)法[14-15]。振型平衡法基于疊加理論，主要應(yīng)用于能準(zhǔn)確計(jì)算或測(cè)出其振型的場(chǎng)合，由于其不易自動(dòng)化，比較復(fù)雜，且對(duì)操作者要求較高，所以在目前眾多測(cè)試系統(tǒng)中應(yīng)用不多。影響系數(shù)法是1種完全建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的平衡方法，對(duì)轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)特性了解較少，特別適合現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡，而且易于自動(dòng)化，操作方便，因此被廣泛應(yīng)用[16-17]。影響系數(shù)法將轉(zhuǎn)子及支承系統(tǒng)近似地當(dāng)作黑箱，平衡面上的試加質(zhì)量（包括大小和相位）作為這一封閉系統(tǒng)的輸入；在相同的平衡轉(zhuǎn)速、測(cè)振位置和測(cè)振方向上，試加質(zhì)量所引起的振動(dòng)變化作為系統(tǒng)的輸出，把輸入與輸出的傳遞關(guān)系定義為影響系數(shù)。影響系數(shù)的計(jì)算公式為

式中：A、B分別為試加質(zhì)量前、后的振動(dòng)幅值和相位；U為試加質(zhì)量；C為發(fā)動(dòng)機(jī)影響系數(shù)。

得到發(fā)動(dòng)機(jī)影響系數(shù)后，配平方案計(jì)算為

式中：Vo、Vn分別為配平前、后的振動(dòng)幅值和相位（理想狀態(tài)下為0）；W為配重質(zhì)量和相位，即配平方案。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)配平功能設(shè)計(jì)

2.1 平衡面的選取及配重部件介紹

民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。從圖中可見，發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇及低壓渦輪的最后1級(jí)葉片易于接近，因此發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)配平功能僅對(duì)低壓轉(zhuǎn)子（即N1轉(zhuǎn)子）進(jìn)行配平。在航線上通過在風(fēng)扇前整流錐或低壓渦輪最后1級(jí)葉片增加配重對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)低壓轉(zhuǎn)子進(jìn)行配平。

發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)配平可采用單平面法和雙平面法。單平面法僅在風(fēng)扇前整流錐增加配重，雙平面法在風(fēng)扇前整流錐和低壓渦輪最后1級(jí)葉片上增加配重。

發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇前整流錐上包含36個(gè)孔，如圖3所示。每個(gè)孔上安裝有1個(gè)配平螺釘，有P1～P13共13種構(gòu)型，不同構(gòu)型螺釘?shù)馁|(zhì)量不同，其中P1構(gòu)型的螺釘對(duì)應(yīng)的配重質(zhì)量為0，P1和P13構(gòu)型配平螺釘?shù)膶?shí)物如圖4所示。

針對(duì)低壓渦輪最后1級(jí)葉片，可以通過在葉片的葉冠處增加配平夾的方式來改變低壓轉(zhuǎn)子的質(zhì)量分布，民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)采用的配平夾實(shí)物如圖5所示。配平夾有1種構(gòu)型，質(zhì)量一定，每個(gè)葉片能安裝1個(gè)配平夾，可通過在連續(xù)幾個(gè)葉片安裝配平夾來調(diào)整配平質(zhì)量，配平夾的安裝效果如圖6所示。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)影響系數(shù)獲取

根據(jù)第1.3節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)配平原理，民用發(fā)動(dòng)機(jī)影響系數(shù)需通過大量試驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)并計(jì)算得出，獲取流程為：（1）發(fā)動(dòng)機(jī)低壓轉(zhuǎn)子為平衡狀態(tài)，記錄發(fā)動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下前、后振動(dòng)傳感器測(cè)得的低壓轉(zhuǎn)子振動(dòng)幅值及相位；（2）通過在風(fēng)扇前整流錐的已知位置增加已知質(zhì)量的配平螺釘，將發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓轉(zhuǎn)子調(diào)整為不平衡狀態(tài)，記錄發(fā)動(dòng)機(jī)在上述轉(zhuǎn)速下前、后振動(dòng)傳感器測(cè)得的低壓轉(zhuǎn)子振動(dòng)幅值及相位；（3）計(jì)算步驟（1）、（2）中記錄的振動(dòng)差值與風(fēng)扇前整流錐上加裝的配重之間的關(guān)系，即風(fēng)扇配平面所對(duì)應(yīng)的影響系數(shù)；（4）通過在低壓渦輪最后1級(jí)葉片增加已知質(zhì)量的配平夾，將發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓轉(zhuǎn)子調(diào)整為不平衡狀態(tài)，記錄發(fā)動(dòng)機(jī)在上述轉(zhuǎn)速下前、后振動(dòng)傳感器測(cè)得的低壓轉(zhuǎn)子振動(dòng)幅值及相位；（5）計(jì)算步驟（1）、（2）中記錄的振動(dòng)差值與低壓渦輪最后1級(jí)葉片上加裝的配重之間的關(guān)系，即低壓渦輪最后1級(jí)配平面所對(duì)應(yīng)的影響系數(shù)。

2.3 振動(dòng)配平計(jì)算

得到發(fā)動(dòng)機(jī)的影響系數(shù)后，可根據(jù)第1.3節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)配平原理中的公式計(jì)算振動(dòng)配平方案。由EVMU廠商將發(fā)動(dòng)機(jī)影響系數(shù)及振動(dòng)配平計(jì)算程序集成至EVMU中。

在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，EVMU能夠記錄特定轉(zhuǎn)速下低壓轉(zhuǎn)子的振動(dòng)幅值及相位。當(dāng)?shù)蛪恨D(zhuǎn)子振動(dòng)值偏高時(shí)，可以操作EVMU利用記錄的振動(dòng)數(shù)據(jù)及內(nèi)部的振動(dòng)配平算法計(jì)算配平方案。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)配平功能，首先將發(fā)動(dòng)機(jī)低壓轉(zhuǎn)子調(diào)整為不平衡狀態(tài)，調(diào)整后發(fā)動(dòng)機(jī)在整個(gè)N1轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)前、后振動(dòng)傳感器測(cè)得的N1振動(dòng)值分別如圖7、8所示。

操作EVMU執(zhí)行單平面法計(jì)算，EVMU計(jì)算出的配平方案如圖9所示。

從圖中可見，需要在風(fēng)扇前整流錐的H14孔增加7.86grams（對(duì)應(yīng)P11構(gòu)型）的螺釘，在H16孔增加2.67grams（對(duì)應(yīng)P4構(gòu)型）的螺釘，在H19孔增加2.67grams（對(duì)應(yīng)P4構(gòu)型）的螺釘，在H21孔增加7.86grams（對(duì)應(yīng)P11構(gòu)型）的螺釘。按照配平方案實(shí)施配平后，開車檢查發(fā)動(dòng)機(jī)的N1振動(dòng)值。配平前、后2個(gè)振動(dòng)傳感器測(cè)得的發(fā)動(dòng)機(jī)N1振動(dòng)對(duì)比分別如圖10、11所示。

對(duì)于雙平面法，驗(yàn)證過程類似，不再贅述，僅列出配平前、后2個(gè)振動(dòng)傳感器測(cè)得的的N1振動(dòng)值對(duì)比，如圖 12、13 所示。

從上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出，根據(jù)EVMU計(jì)算的單平面方案和雙平面方案配平發(fā)動(dòng)機(jī)后，發(fā)動(dòng)機(jī)的N1振動(dòng)值相比配平前顯著降低，表明設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)配平功能有效。

4 總結(jié)

為了提高民用飛機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)力，利用機(jī)載設(shè)備EVMU進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)配平計(jì)算的功能設(shè)計(jì)。通過試驗(yàn)，對(duì)所設(shè)計(jì)的功能進(jìn)行了驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明，采用機(jī)載設(shè)備EVMU計(jì)算的單平面方案和雙平面方案配平發(fā)動(dòng)機(jī)后，能夠有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)N1振動(dòng)值。該功能相比傳統(tǒng)的三元配平法，可以減少開車次數(shù)，為航空公司節(jié)約大量資金和時(shí)間，降低飛機(jī)的維護(hù)成本。對(duì)國產(chǎn)民用飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)具備借鑒意義。

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Engine Balancing Function Design of Civil Aircraft

SHANG Yang
（COMAC Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210）

Vibration failure is a common and serious failure for the aeroengine.Vibration failure may result in engine operation accidents or early replacement of the engine.This would increase the operating cost of the airlines.Engine balancing is an important measure to reduce the engine vibration.According to the design characteristics of the civil aircraft turbofan engine and the principle of vibration balancing,the engine balancing function that used the EVMU was designed.The design was verified by test.The results show that the vibration can be reduced after balancing according to the solution given by EVMU,and the design can meet the needs of airlines.

N1 vibration;engine balancing;influence coefficient method;turbofan engine

V231.96

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2017.04.010

2016-12-05

尚洋（1987），男，碩士，工程師，從事民用飛機(jī)動(dòng)力裝置系統(tǒng)集成工作；E-mail:shangyang@comac.cc。

尚洋.民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)配平計(jì)算功能設(shè)計(jì)[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2017，43（4）：56-60.SHANG Yang.Engine balancing function design of civil aircraft[J].Aeroengine，2017，43（4）：56-60.

（編輯：李華文）