涡轮风扇发动机中介机匣水平振动故障诊断方法研究

摘 要：某涡轮风扇发动机振动故障是台架试车及外场使用中频繁出现的主要故障之一，是影响我公司发动机生产交付的主要技术瓶颈。在发动机振动故障中，有前机匣振动，偶有后机匣和发附机匣出现振动的情况，尤以中介机匣振动故障为主。按照该型发动机结构及振动机理分析，中介机匣振动主要是由于转子不平衡，弹性支承挤压油膜失效等原因引起的。所以，对转子动平衡、弹性支承工作原理有必要进行深入的试验与分析，针对振动形式的不同，采用相应的更加有效的排故方式及控制措施，提高发动机的试车合格率，降低修理成本。

关键词： 振动；转子动平衡；弹性支承及挤压油膜

中图分类号：S21 文献标识码：A

一、故障情况

涡轮风扇发动机振动故障是台架试车及外场使用中频繁出现的主要故障之一，是影响发动机生产交付及外场使用的主要技术瓶颈之一。在发动机振动故障中，有中介机匣、前机匣振动，偶有后机匣和发附机匣出现振动的情况，尤以中介机匣水平振动故障为主，中水振动又主要有中水振动变化（双稳态）及振动幅值超标两种故障形式。

二、故障分析

按照航空发动机振动机理分析，一般发动机出现振动主要是由于转子不平衡产生较大的离心力，弹性支承失效等原因引起的。分析该大修发动机整体结构，发动机高压转子为柔性转子，支承结构为弹性支承及挤压油膜阻尼（SFD）结构，该型发动机的两种结构决定了控制转子的剩余平衡量与挤压油膜之间的匹配关系、高压转子的动平衡方法是控制中水振动故障的主要手段。

2.1高压压气机转子结构介绍

高压压气机转子由1～6级鼓筒，7、8、9级盘、封严盘及高压轴采用双头长螺栓连接，并在转子轴向上施加一定了压紧力进行装配，见图1。这种长螺栓连接结构的转子，文献资料上将其定义为体弹性转子.

体弹性转子定义：一些质量分布不在转子中心也不在旋转轴线上，而且又是由于离心力的影响转子产生弹性变形，这种转子称为体弹性转子。一般来说，体弹性初始不平衡量的状态是随着转速的增加而增大。一些例子表明，质量的偏移只能达到一个极限，不是无止境的。一旦这个极限达到后，稳定的初始不平衡状态也就存在了。

2.2高压压气机转子平衡方法

按照体弹性转子的结构及工作原理，有两种方法来控制转子的初始不平衡量：

（1）必须在工作转速下进行动平衡，或在一种能达到稳定的初始不平衡量状态下进行动平衡。在特定的条件下，在加速到工作转速的过程中，约束力和振动将保持在一定的范围内变化。

（2）除了首要的在工作转速状态下平衡转子，还有就是通过拉紧松动的螺栓来减小转子体弹性，从而降低转子的剩余平衡量。

由于文章中研究的发动机结构特点，是无法在整机状态下进行螺栓的拧紧工作，只能采取模拟高压压气机转子工作转速状态下对其进行动平衡工作。

目前，国内外航空发动机转子的平衡都是采用低速平衡机完成的，一般平衡转速为900～1200r/min，此工作转速远低于该型涡轮风扇发动机的工作转速。所以，其对转子的平衡工作只是起到了初平的效果。

文章中提及的发动机采用两种试车方式，考核试车和提交试车，考核试车主要是检查发动机零组件状态的，而提交试车是考核发动机性能的。每次试车，发动机都开到最大工作转速，此时转子的剩余平衡量也是最大状态。大量的统计数据证明（见表1），此型发动机每次试车后的转子剩余不平衡量都稳定在一定的范围，差别不大。故而，可以认为考核试车后，发动机高压转子已经进行了高速运转，试车后可以在此基础上进行动平衡，可以达到预想的效果。

统计表明，在考核试车时，可能因为转子平衡的影响，出现发动机振动幅值偏高的现象。但是，经过试车后的再次平衡，可以控制发动机振动幅值大的情况。

2.3弹性支承及挤压油膜

按照挤压油膜的工作原理，阻尼越大，振动幅值越小。适当的提高阻尼系数，可降低发动机振动的幅值。

G.E.公司的N.Magge认为对转子的不平衡响应特别是像叶片飞失那样的大突加不平衡量的响应，要得到满意的结果，必须对SFD的下列参数进行优化，即：工质的轴向流速与周向流速之比，弹支刚度，阻尼器长度，径向间隙，油槽尺寸，以及滑油的流量和压力。

挤压油膜失效：随着转速的上升，轴颈中心将由大轨道突然下跳到小轨道；在减速时，将由小轨道突然上跳到大轨道，中间轨道实际上是不会出现的，故称双稳态特性，见图2。

从以上相关分析，可以初步认为，转子剩余的平衡量与挤压油膜之间有一定的响应关系，而优化挤压油膜参数在现有的条件下只能通过调整高压转子的剩余不平衡量、排除弹性环磨损状态来进行，而大量的实际排故也验证了这一点，根据试车中水振动情况，适当的调整高压转子的剩余平衡量，从而优化挤压油膜性能，避免转子出现双稳态情况，排除振动变化故障，从而保证中水振动水平符合技术要求。

结语

通过某型发动机大量的排振实践和转子动平衡工作可以证明，适当的调整高压转子的剩余不平衡量，改进弹性支承的刚性，可以排除发动机中水振动大及双稳态故障，也能够为柔性转子及弹性支承结构发动机排振提供一定的借鉴。

参考文献

[1]刘方杰.挤压油膜阻尼器失效问题分析[J].北京航空航天大学学报，1998，24（3）：295～300

[2]顾家柳，丁奎元，刘方杰，等.转子动力学[M].国防工业出版社.

[3]ISO1942国际动平衡标准[S].