航空發動機振動傳感器安裝座振動特性數值分析方法

吳長波，敬發憲，崔海濤

航空發動機振動傳感器安裝座振動特性數值分析方法

吳長波1，2，敬發憲2，崔海濤1

(1.南京航空航天大學能源與動力學院，南京210016；2.中國燃氣渦輪研究院，四川成都610500)

針對振動傳感器-安裝座-整流機匣構成的振動測試構件系統的固有頻率，從不同邊界處理方式，振動傳感器、安裝座和整流機匣的結構尺寸及質量等方面進行分析，給出了各方面影響結果的對比，確定了振動傳感器安裝座的振動數值分析方法。利用敲擊法，對振動測試構件系統在發動機裝配條件下的固有頻率進行了測試與響應分析，驗證了該數值分析方法的有效性。

航空發動機；振動測試；振動傳感器安裝座；機匣；固有頻率；響應分析

1 引言

發動機研制過程中無法避免整機振動，即使是生產定型發動機，也常有一些因振動不合格而不能出廠，或使用中因振動問題而提前返修[1]。發動機工作過程中，一般通過加速度或速度傳感器來測量振動信號[2]。加速度或速度傳感器通過安裝座固定在壓氣機機匣、渦輪機匣及附件傳動機匣的內部或外部位置上，由振動傳感器、安裝座和機匣構成一個完整的振動測試構件系統。目前，針對振動傳感器及其原理和信號傳輸方面的研究較多[3～5]，也有學者針對振動傳感器在測試構件不同位置的布設開展了優化研究[6，7]，但在與安裝座組成測試系統的設計方面關注較少，大多在實際工作中實測，效果不理想時臨時修改，造成較大反復并難以解決問題。

振動傳感器的安裝可能會嚴重影響其諧振頻率。安全可靠的振動測試構件系統可采集到有效的振動信號，為發動機安全提供有效保障；反之，將影響振動信號的分析、判斷，小則影響試驗的有效開展，大則產生信號誤判，造成嚴重后果。本文針對某發動機振動測試構件系統，研究了其安裝座固有頻率的數值分析方法，并結合發動機試驗時振動測試構件系統的固有頻率測試結果，對數值分析方法進行了驗證。

2 發動機振動測試構件系統

如圖1所示，某發動機在進氣機匣和后承力機匣處布置了振動測量構件系統，本文主要針對進氣機匣位置處的水平振動測試構件系統進行固有頻率分析方法研究。該振動測量構件系統由振動傳感器、安裝座和整流機匣組成(圖2)，安裝座采用T型結構，用兩個螺釘固定在整流機匣上，振動傳感器與安裝座采用正三角三螺釘連接。

圖1 某發動機振動傳感器布置圖Fig.1 The vibration sensor layout of an aero-engine

圖2 整流機匣的振動測試構件系統Fig.2 Vibration test system of inlet casing

3 安裝座設計方法與驗證

振動測試構件系統可視為多自由度質量-彈簧系統。從文獻[8]、[9]可知，視為無阻尼測量構件系統的固有頻率和穩態響應，主要與其剛度矩陣和質量矩陣相關，即主要與振動測試構件系統每一零件的質量和組合剛度相關。為此，本文側重從構件系統的邊界處理方式、振動傳感器質量和尺寸(直徑與高度)、安裝座和整流機匣尺寸等方面展開研究。

3.1邊界處理方式對固有頻率的影響

采用三種不同的邊界處理方式對安裝座進行振動分析。

(1)僅考慮安裝座自身的振動分析

采用有限元方法對安裝座自身進行振動分析，邊界條件為：選取與整流機匣聯接螺栓孔處的節點，并約束節點上三個方向的自由度。計算求得安裝座前兩階振動的固有頻率分別為3 103 Hz和9 838 Hz。圖3為安裝座的有限元模型及一階振型，可見其主要表現為安裝振動傳感器平臺的振動。

圖3 安裝座有限元模型及一階振型Fig.3 Finite element model of mounting housing and vibration modes of first-order frequency

(2)考慮振動傳感器和安裝座后的振動分析

對發動機試驗時常用的振動傳感器進行稱重、體積推算和測振，給出振動傳感器的密度和彈性模量等。對振動傳感器-安裝座構件系統進行有限元網格劃分，其振動分析邊界條件與僅考慮安裝座自身時的相同。計算求得振動傳感器-安裝座構件系統的前兩階固有頻率分別為1 432 Hz、5 571 Hz，對比僅考慮安裝座自身的頻率分析結果，其前兩階固有頻率分別下降了54%和43%。圖4給出了帶有振動傳感器的安裝座有限元模型及一階振型，對比圖3可看出，此時的一階振動不再是安裝振動傳感器平臺的振動，而表現為振動傳感器的振動。

(3)考慮振動傳感器、安裝座和整流機匣后的振動分析

將振動傳感器固定在安裝座上，然后與選取的周向80°的一段整流機匣連接，組成一個振動傳感器-安裝座-整流機匣測試構件系統。對測試構件系統進行有限元網格劃分，其振動分析的邊界條件為：將振動傳感器-安裝座和選取的整流機匣配合處粘連，選取周向80°整流機匣周向斷面上的節點約束法向位移，及機匣軸向無安裝座連接面一側的斷面約束其軸向位移。計算求得振動傳感器-安裝座-整流機匣振動測試構件系統的前兩階固有頻率分別為647 Hz、3 134 Hz，相對振動傳感器-安裝座構件系統的固有頻率，其前兩階固有頻率分別下降了55%和44%。圖5給出了振動傳感器-安裝座-整流機匣振動測試構件系統的有限元模型及一階振型，此時主要表現為振動傳感器和安裝座振動，與振動傳感器-安裝座構件系統的一階振型相似。

圖4 帶有振動傳感器的安裝座有限元模型及一階振型Fig.4 Finite element model of mounting housing with sensor and vibration modes of first-order frequency

3.2振動傳感器質量及尺寸對振動測試構件系統頻率的影響

(1)振動傳感器質量的影響

假設振動傳感器直徑和高度不變，振動傳感器具有不同質量時對振動傳感器-安裝座-整流機匣振動測試構件系統固有頻率的影響如圖6所示。由圖中可看出，當振動傳感器質量增大時，其前兩階固有頻率都表現出降低趨勢。從具體的固有頻率數值分析來看，振動傳感器質量每增加15 g，其固有頻率約下降8%～12%。

(2)振動傳感器尺寸的影響

假設振動傳感器的質量不變，研究其直徑和高度存在變化時對振動傳感器-安裝座-整流機匣振動測試構件系統固有頻率的影響。針對常用的兩種振動傳感器的尺寸進行對比，其一階固有頻率計算結果如表1所示。從表中可看出，振動傳感器的尺寸對振動測試構件系統固有頻率有較大影響。

3.3安裝座和整流機匣尺寸變化對振動測試構件系統頻率的影響

(1)安裝座尺寸變化的影響

圖5 振動測試構件系統的有限元模型及一階振型Fig.5 Finite element model of vibration specimen and vibration modes of first-order frequency

圖6 固有頻率隨振動傳感器質量變化曲線Fig.6 Inherent frequency vs.weight of vibration sensor

表1 不同尺寸振動傳感器引起的振動測試構件系統固有頻率情況Table 1 Inherent frequency of vibration test system vs. vibration sensor of different sizes

針對圖3所示的T型支座，分析了安裝座平臺厚度d變化對振動測試構件系統頻率的影響。計算選取了除d有變化外、其它各處皆不變的振動傳感器(傳感器2)-安裝座-整流機匣振動測試構件系統。計算得到的固有頻率及對比情況見表2。從表中看出，安裝座平臺厚度變化，對振動傳感器-安裝座-整流機匣振動測試構件系統的頻率有較大影響，主要原因是其改變了測試系統的高度。

表2 安裝座厚度變化對振動測試構件系統頻率的影響Table 2 Various thicknessdVS.inherent frequency

(2)整流機匣尺寸變化的影響

采用相同的振動傳感器(傳感器2)及安裝座(d= 8 mm)，選取不同周向角度整流機匣對振動測試構件系統頻率進行分析。當整流機匣周向角度為80°時，求得振動測試構件系統的前兩階固有頻率分別為647 Hz和3 134 Hz；當整流機匣周向角度為60°時，其前兩階固有頻率分別為740 Hz和3 894 Hz，變化幅度分別為14%和24%。

3.4試驗測試結果及對比分析

在發動機裝配條件下，進行了振動傳感器-安裝座-整流機匣振動測試構件系統的固有頻率測試。測試方法為敲擊法，用榔頭輕敲振動測試構件系統，利用數據采集系統對振動信號進行頻譜分析。圖7給出了振動傳感器(傳感器2)-安裝座(d=8 mm)-整流機匣振動測試構件系統的固有頻率頻譜分析圖，由圖中可看出，該振動測試構件系統的固有頻率為650 Hz。與前面的計算對比分析可知，在整流機匣周向角度為80°，安裝座平臺厚度為8 mm，且全面考慮振動傳感器、安裝座和整流機匣等邊界后，振動測試構件系統的固有頻率為647 Hz，與試驗測試的頻率值非常接近。

初期的發動機試驗，在工作轉速換算頻率為650 Hz附近時，振動監測值最大達到70g，嚴重影響發動機試驗；將安裝座平臺厚度修改為5 mm后，發動機振動監測值降低到15g以下。這也可以看出，設計的振動傳感器-安裝座-整流機匣振動測試構件系統的固有頻率與發動機工作時的轉頻接近時，振動監測值非常大，且主要表現為振動測試構件系統的固有頻率，不能為發動機振動測試信號分析提供有利的數據。因而在設計安裝座時，應盡可能考慮振動傳感器和機匣的影響，設計出避開發動機工作轉頻范圍內的振動傳感器安裝座，可為發動機振動監測提供可靠的振動分析信號，避免誤判。

圖7 振動測試構件系統的固有頻率頻譜分析圖Fig.7 Frequency spectra analysis of inherent frequency of vibration specimen

4 結論

(1)在進行安裝座設計時，不能只考慮安裝座自身的結構，應充分考慮振動傳感器和機匣的影響。

(2)本文提出的分析思路和方法，可準確分析出振動傳感器-安裝座-整流機匣振動測試構件系統的固有頻率，確保發動機試驗時能有效避開構件系統固有頻率的影響。

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Numerical Analysis Method for Vibration Sensor Mounting Housing of an Aero-Engine

WU Chang-bo1，2，GOU Fa-xian2，CUI Hai-tao1
(1.College of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China；2.China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

Based on the inherent frequency of vibration monitor system consisting of sensor,mounting hous?ing and casing,analyses were presented from different boundary,structure sizes and mass.Comparison of effect results has been made to determine the numerical analysis method of vibration sensor mounting house.Using coin-tap method,test and response analysis of the inherent frequency for vibration monitor system have been carried out.The analytic method has been verified to be effective.

aero-engine；vibration test；vibration sensor mounting housing；casing；inherent frequency；response analysis

V231.92

A

1672-2620(2013)03-0034-04

2012-11-30；

2013-01-29

吳長波(1974-)，男，山東萊陽人，研究員，博士研究生，主要從事航空發動機強度設計。