顧杰，張辰

（北京飛機(jī)維修工程有限公司 發(fā)動(dòng)機(jī)/APU大修產(chǎn)品事業(yè)部，北京 100621）

0 引言

現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件復(fù)雜，負(fù)荷大，狀態(tài)變化頻繁，加之系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)合性，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的故障通常較高[1]。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，可以用于監(jiān)測和診斷的信息很多，包括振動(dòng)、溫度、壓力、聲響和變形等，在眾多信息中，振動(dòng)信號(hào)能夠更迅速、更直接地反映發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)[2]。航空發(fā)動(dòng)機(jī)在車臺(tái)試車的過程中，對于振動(dòng)故障的分析較為復(fù)雜，同時(shí)需要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)表象做相應(yīng)的排故工作。通過試車臺(tái)的工作經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了V2500發(fā)動(dòng)機(jī)試車時(shí)幾種常見N1振動(dòng)故障及其相應(yīng)的排故方法，以達(dá)到快速排故的目的。

1 試車時(shí)N1振動(dòng)的原因

V2500航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)廠進(jìn)行維修時(shí)，拆裝1號(hào)風(fēng)扇單元體是較為常見的修理步驟，每次拆下風(fēng)扇葉片，在裝回時(shí)都需要對風(fēng)扇轉(zhuǎn)子單元體整體進(jìn)行平衡。此外，對于其他單元體的轉(zhuǎn)子分解后在進(jìn)行裝配時(shí)也都需要平衡，但就是這些平衡工作都做了，也滿足發(fā)動(dòng)機(jī)手冊極限的要求，在總裝完發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試車時(shí)，大部分發(fā)動(dòng)機(jī)還要對N1進(jìn)行配平工作。Ameco北京飛機(jī)維修工程有限公司在2015年開始建立V2500航空發(fā)動(dòng)機(jī)大修能力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅在2021年度，就有30%的V2500發(fā)動(dòng)機(jī)在試車時(shí)進(jìn)行了N1配平工作。有時(shí)候V2500發(fā)動(dòng)機(jī)在執(zhí)行Project Visit（PV）工作范圍時(shí)也需要平衡N1，此維修級(jí)別主要是針對FAA AD 2022-02-09，更換受AD影響的高壓渦輪一、二級(jí)轂，這一維修工作只是拆下高壓渦輪和低壓渦輪，基本上不拆裝發(fā)動(dòng)機(jī)其他單元體。

針對這一故障進(jìn)行分析，主要有幾點(diǎn)原因：

（1）這些平衡工作均是以單元體形式進(jìn)行平衡，每個(gè)單元體的不平衡量和角度均不同，在發(fā)動(dòng)機(jī)總裝過程單元體與其他單元體對接后，發(fā)動(dòng)機(jī)的不平衡量就難以預(yù)測，只能通過試車得到發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)狀態(tài)。

（2）風(fēng)扇單元體在配平時(shí)，使用的平衡機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置最高為800 r/min，而V2500的100%N1轉(zhuǎn)速為5650 r/min，在試車時(shí)，需要推全行程，就是發(fā)動(dòng)機(jī)從地慢轉(zhuǎn)速推到起飛轉(zhuǎn)速再拉回地慢的過程，N1的最大轉(zhuǎn)速能夠達(dá)到5400 r/min左右。實(shí)際上，V2500發(fā)動(dòng)機(jī)N1振動(dòng)的峰值大部分會(huì)在N1轉(zhuǎn)速達(dá)到4000 r/min時(shí)出現(xiàn)。

因此研究并總結(jié)N1振動(dòng)故障及相應(yīng)的排故方法，就可以發(fā)動(dòng)機(jī)維修提高效率，以滿足V2500航空發(fā)動(dòng)機(jī)市場逐漸升溫的現(xiàn)狀。

2 V2500發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)形式

V2500發(fā)動(dòng)機(jī)為IAE公司生產(chǎn)的雙轉(zhuǎn)子軸流式發(fā)動(dòng)機(jī)，雙轉(zhuǎn)子包括N1轉(zhuǎn)子和N2轉(zhuǎn)子，N1轉(zhuǎn)子即低壓轉(zhuǎn)子，通常表現(xiàn)為風(fēng)扇振動(dòng)或低渦轉(zhuǎn)子振動(dòng)，N2轉(zhuǎn)子即高壓轉(zhuǎn)子，通常表現(xiàn)為高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)或高渦轉(zhuǎn)子振動(dòng)。100%N1轉(zhuǎn)速為5650 r/min（95 Hz），100%N2轉(zhuǎn)速為14950 r/min（250 Hz），因此V2500發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)形式為中低頻振動(dòng)，一般使用振動(dòng)位移（mil）或振動(dòng)速度（IPS）描述振動(dòng)的強(qiáng)度。發(fā)動(dòng)機(jī)采集的數(shù)據(jù)可以按照轉(zhuǎn)速（頻率），分成發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)總量BB，低壓轉(zhuǎn)子N1振動(dòng)，高壓轉(zhuǎn)子N2振動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子振動(dòng)值較大時(shí)，如果不及時(shí)平衡，讓發(fā)動(dòng)機(jī)長期處于轉(zhuǎn)子高振動(dòng)狀態(tài)下工作，不僅會(huì)造成防磨帶或轉(zhuǎn)子涂層過渡磨損、掉塊甚至磨損機(jī)匣，嚴(yán)重的會(huì)造成轉(zhuǎn)子疲勞斷裂，造成空停等安全事件。

V2500發(fā)動(dòng)機(jī)本身振動(dòng)傳感器位于4號(hào)單元體的風(fēng)扇機(jī)匣上，V2500的振動(dòng)傳感器本身具有雙通道結(jié)構(gòu)。V2500在進(jìn)行試車時(shí)，無需安裝其他的振動(dòng)傳感器，只需要采集其本身的振動(dòng)傳感器（PN：144-171-000-032）輸出的信息即可。

振動(dòng)信號(hào)由振動(dòng)傳感器采集后，經(jīng)過傳輸電纜，輸出至MPI-322計(jì)算機(jī)，再通過相應(yīng)的振動(dòng)信號(hào)處理，最終得出發(fā)動(dòng)機(jī)在試車過程中產(chǎn)生的實(shí)際振動(dòng)數(shù)值。V2500發(fā)動(dòng)機(jī)OEM提供的EM手冊中有發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)振動(dòng)的極限值，BB（總量）不超過1.0 IPS，N1和N2均不超過0.6 IPS。

3 V2500發(fā)動(dòng)機(jī)N1振動(dòng)故障及排故方法

V2500發(fā)動(dòng)機(jī)試車時(shí)，如果振動(dòng)數(shù)值異常，首先要判斷振動(dòng)傳感器及其傳輸電纜包括試車設(shè)備是否存在故障，若存在故障需要先排除相應(yīng)的故障，以獲得試車發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)的振動(dòng)值，從而防止錯(cuò)誤數(shù)據(jù)對發(fā)動(dòng)機(jī)的誤判。例如，振動(dòng)傳感器是雙通道的，如果兩個(gè)通道采集的數(shù)值有明顯差異，就需要先確定振動(dòng)傳感器這個(gè)附件的好壞。引起V2500發(fā)動(dòng)機(jī)N1振動(dòng)的原因包括N1轉(zhuǎn)子本身不平衡或不對中，N1倍頻共振和環(huán)形填塊橡膠封嚴(yán)安裝位置有誤等。

3.1 N1轉(zhuǎn)子本身不平衡（不對中）產(chǎn)生的振動(dòng)

風(fēng)扇單元體轉(zhuǎn)子本身不平衡（不對中）產(chǎn)生的N1振動(dòng)是最常見的故障，其振動(dòng)形式表現(xiàn)為N1轉(zhuǎn)子振動(dòng)較高，從而引起發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)總量BB也比較高，兩者呈現(xiàn)一種正相關(guān)的關(guān)系。這一振動(dòng)故障通常采取的排故措施是在風(fēng)扇轉(zhuǎn)子轂前端增加配重，配重的重量和位置由平衡程序根據(jù)轉(zhuǎn)子不平衡量和相位角得出。EM手冊中對風(fēng)扇的平衡方式分為兩種，若需要裝小于等于1 oz（25 gm）的平衡配重，將配重裝在進(jìn)氣錐上，若需要裝大于1 oz（25 gm）的平衡配重，將配重裝在保持環(huán)安裝邊上。同時(shí)，平衡風(fēng)扇時(shí)同一位置最多裝1個(gè)配重。

圖1所示為一臺(tái)V2500發(fā)動(dòng)機(jī)在試車時(shí)，初始的N1不平衡引起的振動(dòng)數(shù)值異常，已經(jīng)超過手冊極限0.6 IPS，從圖中可以看到，最大值甚至接近1.0 IPS，接著將振動(dòng)數(shù)值輸入平衡系統(tǒng)，按照平衡系統(tǒng)計(jì)算的結(jié)果如圖2所示，分別安裝5A0137、5A0138和5A0139各一個(gè)配重塊，安裝完配重后再次測得振動(dòng)數(shù)值的圖如下圖3所示，該發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)最大值僅為0.37 IPS，滿足手冊要求，振動(dòng)超限故障得以排除。

圖1 初始N1轉(zhuǎn)子振動(dòng)數(shù)值

圖2 平衡程序計(jì)算的配重件號(hào)及位置

圖3 平衡后N1轉(zhuǎn)子振動(dòng)數(shù)值

3.2 N1倍頻共振引起的振動(dòng)

N1倍頻共振通常是由轉(zhuǎn)子不對中引起的，這一振動(dòng)是試車過程中較為常見且難以排除的振動(dòng)故障。這一種振動(dòng)故障通常表現(xiàn)形式是發(fā)動(dòng)機(jī)的N1，N2振動(dòng)數(shù)值較低，但是發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)總量BB數(shù)值較高。這一故障的產(chǎn)生是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)在某一特定的轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)，其N1的倍頻（通常是二倍頻，也可能是三倍頻等）與發(fā)動(dòng)機(jī)其他零部件產(chǎn)生共振，可以觀察到的是發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)總量數(shù)值較高，往往接近手冊極限。這一振動(dòng)故障就需要通過改變N1風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的固有頻率來消除共振產(chǎn)生的影響，僅僅靠系統(tǒng)計(jì)算去平衡風(fēng)扇通常是無法消除這一故障，最有效的方法是改變風(fēng)扇葉片安裝順序。判斷振動(dòng)故障是否是N1倍頻引起的，首先需確保振動(dòng)傳感器系統(tǒng)工作正常，并檢查確認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)外部件均緊固，沒有引起振動(dòng)總量BB異常的可能。

V2500發(fā)動(dòng)機(jī)的N1轉(zhuǎn)子二倍頻振動(dòng)故障如圖4、圖5所示，這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的N1，N2的振動(dòng)數(shù)值均處于較低水平，但是發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)總量BB圖4在高功率異常且振動(dòng)峰值較為突出，已經(jīng)接近EM手冊極限1.00 IPS。通過頻譜分析的方法，可以采集到在這一特定時(shí)刻的頻譜圖如圖5所示，N1（3837 r/min）、N2（12627 r/min）對應(yīng)的振動(dòng)數(shù)值都較低，高振動(dòng)數(shù)值是在7650 r/min這一轉(zhuǎn)速所產(chǎn)生的，這一轉(zhuǎn)速（頻率）與二倍的N1轉(zhuǎn)速（2×3837=7674）十分接近。綜上所述，這一發(fā)動(dòng)機(jī)是N1轉(zhuǎn)子倍頻振動(dòng)故障，最終通過改變這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片安裝順序后，將這一振動(dòng)故障排除。

圖4 BB振動(dòng)總量數(shù)值

圖5 頻譜分析顯示圖

3.3 環(huán)形填塊橡膠封嚴(yán)安裝位置有誤

環(huán)形填塊橡膠封嚴(yán)安裝位置有誤的故障表現(xiàn)形式較為隱蔽。此振動(dòng)故障在進(jìn)行振動(dòng)測試時(shí)并不能夠體現(xiàn)出來，但是在錄入發(fā)動(dòng)機(jī)性能時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)N1振動(dòng)會(huì)忽高忽低。發(fā)動(dòng)機(jī)錄入性能是指發(fā)動(dòng)機(jī)在A點(diǎn)（推力為30750 lbs）、B點(diǎn)（推力為26750 lbs）、C點(diǎn)（推力為22000 lbs）和D點(diǎn)（推力為16500 lbs）四個(gè)特征點(diǎn)時(shí)，通過采集相關(guān)數(shù)據(jù)，最終算出發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。這一故障通常在A點(diǎn)出現(xiàn)，在錄入A點(diǎn)性能時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)推力需要穩(wěn)定5 min，在3 min左右出現(xiàn)N1振動(dòng)數(shù)值忽高忽低，而振動(dòng)測試整個(gè)行程也就1 min左右，因此這一故障在振動(dòng)測試時(shí)難以發(fā)現(xiàn)。發(fā)生這一故障時(shí)檢查風(fēng)扇環(huán)形填塊橡膠封嚴(yán)狀態(tài)，有時(shí)是部分橡膠封嚴(yán)從環(huán)形填塊上脫落，這需要將這些環(huán)形填塊拆下，從新粘接橡膠封嚴(yán)，再裝回環(huán)形填塊；有時(shí)是橡膠封嚴(yán)在總裝時(shí)被擠壓，這需要將橡膠封嚴(yán)舒展開。之后再進(jìn)行相應(yīng)測試，此故障消除。

4 結(jié)語

V2500發(fā)動(dòng)機(jī)在試車時(shí)呈現(xiàn)的N1振動(dòng)故障是由不同的原因所產(chǎn)生的，因此需要?dú)w納總結(jié)相應(yīng)的排故方法，明確相應(yīng)振動(dòng)故障所產(chǎn)生的特征，做到有的放矢，N1振動(dòng)故障就可以較為有效的解決，使得發(fā)動(dòng)機(jī)維修變得更加有效率。首先是確定振動(dòng)傳感器及相關(guān)試車臺(tái)測試、采集的設(shè)備均無異常，同時(shí)確保發(fā)動(dòng)機(jī)本體的外部附件均已固定，對發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)沒有影響，這樣就可以排除外來干擾項(xiàng)，確定振動(dòng)故障是由發(fā)動(dòng)機(jī)本身引起的。如果N1振動(dòng)數(shù)值較高，需對風(fēng)扇進(jìn)行平衡，安裝系統(tǒng)算出的配重塊，以降低N1振動(dòng)數(shù)值達(dá)到較低水平。如果N1、N2振動(dòng)數(shù)值均較低，但是發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)總量BB數(shù)值較高，則需要進(jìn)行頻譜分析，這一故障通常是由N1轉(zhuǎn)子倍頻引起發(fā)動(dòng)機(jī)整體的高振動(dòng)，可以通過改變風(fēng)扇葉片安裝順序來解決。如果發(fā)動(dòng)機(jī)在振動(dòng)測試時(shí)表現(xiàn)無異常，在錄入性能時(shí)出現(xiàn)振動(dòng)數(shù)值忽高忽低，可以在發(fā)動(dòng)機(jī)停車后對風(fēng)扇環(huán)形填塊的橡膠封嚴(yán)進(jìn)行檢查，通過重新粘接橡膠封嚴(yán)或者捋順橡膠封嚴(yán)來解決N1振動(dòng)故障。