航空發動機轉子早期裂紋故障振動特征的維譜分析

王艷豐，朱靖，滕光蓉，梁恩波

(中國燃氣渦輪研究院，四川江油621703)

摘要：針對航空發動機轉子早期裂紋故障難以檢測的特點首先，根據轉子裂紋擴展機理，建立早期裂紋轉子振動分析理論模型，提出利用維譜對早期裂紋振動信號進行分析。然后，利用維譜分析法對早期裂紋轉子理論模型和早期裂紋轉子故障實驗數據進行了具體分析。理論模型和實驗數據分析結果都表明：應用維譜對實際發動機轉子早期裂紋故障信號進行分析，不僅能夠得到一般頻譜分析法難以獲得的故障特征頻率，還能對混疊噪聲信號進行降噪。因此，維譜能夠有效的診斷航空發動機轉子裂紋故障，在航空發動機故障診斷中具有一定的應用價值。

關鍵詞：航空發動機轉子；裂紋故障；理論模型；振動信號；維譜

中圖分類號:TN911.7文獻標志碼：A

基金項目：國家自然科學基金(51178211)

收稿日期：2013-09-03修改稿收到日期：2013-12-29

基金項目：國家自然科學

收稿日期：2013-10-09修改稿收到日期：2014-01-09

WANG Yan-feng, ZHU Jing, TENG Guang-rong, LIANG En-bo(ChinaGasTuibineEstablishment,Sichuan621703,China)

Abstract:Based on crack propagation theory, a mathematical model of early cracked rotor vibration characteristics was established.-dimension spectrum was applied to analyse the model and the test data from a real early cracked rotor.-dimension spectrum is efficient for fault signal analysis of early cracked rotors. Through the analysis, the fault frequency which is usually hard to acquire is obtained, and the noise in contaminated signals is also reduced.-dimension spectrum shows effective properties in vibration monitoring, especially in early fault diagnosis and data analysis of aero engines.

航空發動機在工作過程中要承受高溫、高壓、突變載荷等外界條件的影響，其轉子很容易出現裂紋故障。若轉子處于早期裂紋故障狀態或者裂紋信號淹沒在噪聲中時，故障特征非常隱蔽，難以直觀發現，裂紋便會在交變載荷等作用下不斷擴展，最終將導致發動機出現非常嚴重的故障。因此，及時準確地對轉子的早期裂紋進行檢測和診斷，可以防止轉子突然斷裂所引發的災難性事故[1-3]。如今，研究發動機轉子早期裂紋故障振動特征，探究有效的早期裂紋故障檢測和診斷方法也越來越受重視。然而，當發動機在運行時，必然產生很強的噪聲信號，將有用的振源信號淹沒，若采用一般頻譜分析方法來檢測和診斷轉子裂紋故障非常困難。同時，安裝在外部機匣的振動傳感器所獲取的振動信號是轉子、機匣、噪聲和傳遞路徑振動等的混疊信號，不能直接、準確地反映源信號特征。因此，要準確判斷發動機的工作狀態、診斷轉子裂紋故障，必須對混疊的振動信號進行噪聲抑制和故障特征識別。

1航空發動機轉子早期裂紋故障振動特征

1.1轉子裂紋擴展機理分析

裂紋轉子在持續工作過程中，仍然會承受著轉子振動和重力等因素的影響，因此裂紋轉子旋轉過程中可能出現裂紋擴展，這種情況下的轉子系統可認為是剛度變化的轉子系統。裂紋擴展過程可分為裂紋萌生、裂紋穩定擴展、裂紋的穩定擴展至斷裂三個階段[7]。當裂紋完全處于轉軸拉伸側時，裂紋完全張開；當裂紋完全處于轉軸壓縮側時，裂紋完全閉合；其間裂紋處于半閉半開狀態。若轉子旋轉一周，那么裂紋開閉循環一次，剛度呈現周期性變化，轉子的振動特性便會隨之改變。航空發動機轉子裂紋擴展初期(早期裂紋狀態)具有以下振動特征：

(1)早期裂紋轉子的振動故障信號非常微弱，且常被噪聲信號所淹沒；

(2)轉子系統存在裂紋后，便會有扭轉振動、彎曲振動，甚至會產生渦輪盤振動，其振動狀態極其復雜；

(3)早期裂紋造成劇烈的顯微開裂紋會引起轉子的自激振動，并可能具有穩定的周期，進而導致轉子不平衡[1]；

(4)轉子產生裂紋后，在起飛加速過程中，容易產生喘振現象，還可能出現高次諧波和次諧波的振動，甚至出現類似周期振動[1]；

(5)轉子出現早期裂紋后，振動表現出非線性現象，且存在轉子的二次、三次、四次和更高次的簡諧分量，當轉子升速或者降速時，會出現臨界頻率的分數次共振，且在非共振區出現相位變化。

圖1　裂紋轉子坐標示意圖 Fig.1 The sketch map of coordinate on crack rotor

1.2早期裂紋轉子振動分析的理論模型

航空發動機轉子在振動不劇烈的情況下，可認為轉子在裂紋處是完全彈性形變的。根據轉子裂紋擴展機理和航空發動機轉子早期裂紋狀態下的振動特征，對一個質量為m，如圖1所示的裂紋轉子模型進行理論分析，可建立如式(1)所示的裂紋轉子動力學方程[8-9]：

式中:c為阻尼；ω為轉速；e為質量偏心，β為質量偏心的相對相角，也稱裂紋角。

裂紋轉子在固定坐標系中的剛度矩陣為：

(2)

式中k0是無裂紋時的剛度，Δkξ為裂紋轉子沿ξ方向的剛度變化量。

采用Gasch提出的描述裂紋開閉的周期函數f(θ)為：

n=0,±1,±2,…

(3)

其傅里葉級數表達式為：

(4)

在研究中通常只考慮該級數展開的前4項。

將剛度矩陣代入式(1)，則總體轉子運動方程為：

(5)

(6)

(7)

(8)

具體計算式如下:

X*(ω)[X(ω)*X(ω)]

(9)

圖2　淺裂紋時頻譜圖 Fig.2 Spectrum of shallow crack rotor

圖3　淺裂紋時1 維譜圖 Fig.3 1 -Dimension Spectrum of shallow crack rotor

圖4　深裂紋時頻譜圖 Fig.4 Spectrum of deep crack rotor

圖5　深裂紋時1 維譜圖 Fig.5 1 -Dimension Spectrum of deep crack rotor

3.2裂紋轉子振動實驗數據分析

航空發動機是復雜的旋轉機械，對其轉子進行振動測試與分析，往往是通過安裝在機匣上的振動傳感器測量振動信息。由于航空發動機轉速高，空氣流量大，試車時，旋轉噪聲，燃燒噪聲，氣動噪聲，螺旋槳噪聲等多種聲源合成從幾十到幾千赫茲的寬帶噪聲。這種寬帶噪聲信號與轉子源信號、故障源信號混疊一起。因此傳感器測得振動信號是一種混疊噪聲的信號，要分析振動信號就一定要對其噪聲信號進行抑制。

3.2.1模擬轉子裂紋故障振動實驗數據分析

根據航空發動機轉子結構和工作原理，在發動機轉子試驗臺上搭建一個裂紋轉子振動故障試驗研究系統。轉子系統主要包括轉軸、聯軸器、葉盤和支承座，在轉軸中心的水平截面和垂直截面分別安裝一只電渦流振動位移傳感器。轉子早期裂紋信號經傳感器輸入到相應的采集分析系統，其信號采樣頻率12.8kHz/s。裂紋模擬轉子試驗系統框圖如圖6所示，裂紋轉子系統實圖如圖7所示。

圖6　模擬轉子實驗臺布置 Fig.6 Test rig and date acquisition equipment of analog rotor

圖7　模擬轉子系統實圖 Fig.7 Measurement system of analog rotor

根據發動機的工作原理，將模擬轉子系統從零轉速逐漸升速到最大轉速(14 000r/min)后降速停車。其試驗分兩個階段，第一階段試驗中轉子轉軸為正常軸(轉軸上無裂紋存在)，第二階段試驗中轉子轉軸被開鑿了一個2.4mm深度的裂紋(淺裂紋)。對兩階段中轉子轉速為9 750r/min時，轉軸中心水平截面位移傳感器采集的振動數據進行分析。

圖8　無裂紋時水平截面的振動頻譜圖 Fig.8 Vibration spectrum of a good rotor’s horizontal

圖9　無裂紋時水平截面的1 維譜 Fig.9 1 -Dimension Spectrum of a good rotor’s horizontal

圖10　有裂紋時水平截面的振動頻譜圖 Fig.10 Vibration spectrum of a crack rotor’s horizontal

圖11　有裂紋時水平截面的1 維譜 Fig.11 1 -Dimension Spectrum of a crack rotor’s horizontal

3.2.2整機轉子裂紋故障振動實驗數據分析

圖12是該型渦噴發動機在物理轉速38436r/min下進行轉子裂紋擴展試驗時，渦輪水平端的時域波形圖。從圖12中可以看出，當發動機渦輪轉子存在裂紋時，其產生了幅值較大的沖擊振動信號，但這些沖擊信號淹沒在噪聲中，僅從時域上很難分析振動情況。圖13是圖12信號的頻譜圖，從圖中可以看出，轉子頻率(640.6Hz)，轉子。

圖12　渦輪水平端振動時域波形 Fig.12 Vibration of a turbine rotor’s horizontal

圖13　渦輪水平端頻譜圖 Fig.13 Spectrum of a turbine rotor’s horizontal

圖14　渦輪水平端1 維譜 Fig.14 1 -Dimension Spectrum of a turbine rotor’s horizontal

4結論

參考文獻

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第一作者杜永峰男，博士，教授，博士生導師，1962年3月生

第一作者王鋒男，博士，副研究員，1976年6月生