高壓轉子組合不平衡量對發動機振動的影響分析

□ 王洪明

中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司 沈陽 110043

1 分析背景

高壓壓氣機轉子和高壓渦輪轉子組合件簡稱高壓轉子組合件,高壓轉子組合不平衡量會引起發動機振動,發動機振動則會嚴重影響發動機的性能。特別是在飛行過程中,發動機振動會增大磨損,導致系統故障,造成不可預知的后果[1]。付玄等[2]分析振動組件的動態響應特性,將高頻軸向振動應用于相應螺母的分解操作。陳果[3]建立了含復雜滾動軸承的航空發動機振動模型,并進行了研究。栗江等[4]研究連接結構對航空發動機裝配體振動特性的影響,有助于實現對航空發動機振動特性的精確分析,提高航空發動機的整機性能。馮健朋等[5]介紹了航空發動機動平衡及振動不平衡相位檢測技術的現狀與發展。高金吉[6]指出航空發動機振動問題較為突出,是設計、研制、生產、使用新一代航空發動機的瓶頸。柏樹生等[7]分析了航空發動機常見振動故障,提出了排除措施。孟俊[8]對航空發動機振動控制技術進行了分析和驗證。任志遠等[9]針對航空發動機振動故障,確認振動原因為低壓渦輪轉子不平衡,進而對低壓渦輪轉子平衡工藝進行優化,保證了低壓渦輪轉子的平衡質量,排除了振動故障。鄭麗等[10]總結了航空發動機振動問題的研究現狀和趨勢,具有一定的參考價值。洪亮等[11]提出轉子對中性差及螺栓連接松動是導致航空發動機壓氣機部件出現振動異常的原因。

發動機振動對發動機使用壽命影響很大,控制發動機振動是延長發動機使用壽命的重要手段。筆者針對高壓轉子組合不平衡量對發動機振動的影響進行分析。

2 高壓轉子組合不平衡量對發動機振動峰值的影響

2.1 理論分析

發動機振動的主要原因是高壓轉子組合件受到不平衡力作用。由于高壓轉子組合件的質心與形心不一致,使高壓轉子組合件出現質量不平衡,導致發動機振動峰值較大。根據發動機試車振動情況及發動機試車后高壓轉子組合件檢查情況,確認發動機振動峰值較大是由高壓轉子組合不平衡量較大引起的。對于振動峰值較大的發動機,可以采用減小高壓轉子組合不平衡量的方法來應對。

高壓轉子組合件運動示意圖如圖1所示。設高壓轉子組合件的質量差為Δm,轉速為ω,自旋轉半徑為r,偏離中心旋轉半徑為R,則高壓轉子組合件的不平衡力F為:

F=Δmω2r

(1)

圖1 高壓轉子組合件運動示意圖

發動機工作過程中,高壓轉子組合件會偏離中心做旋轉運動,發動機存在振動。高壓轉子組合件偏離中心做旋轉運動的線速度對應振動峰值時,高壓轉子組合件所受的不平衡力即為高壓轉子組合件的離心力F1:

F1=F=Δmω2r=mv2/R

(2)

式中:m為高壓轉子組合件的質量;v為發動機振動峰值。

由式(1)、式(2)可知,當高壓轉子組合不平衡量較小時,高壓轉子組合件的質量差較小,高壓轉子組合件受到的不平衡力和離心力較小,發動機振動峰值也較小;隨著高壓轉子組合不平衡量增大,高壓轉子組合件的質量差增大,高壓轉子組合件受到的不平衡力和離心力增大,發動機振動峰值也增大。由此可見,可以通過控制高壓轉子組合不平衡量來控制發動機的振動峰值。

2.2 統計分析

發動機的振動峰值是評判發動機振動是否合格的重要參數之一。為分析高壓轉子組合不平衡量對發動機振動峰值的影響,統計200臺次發動機的高壓轉子組合不平衡量,分為小于10 g·cm、10～15 g·cm、15～20 g·cm、20～25 g·cm四個組別,分析不同組別高壓轉子組合不平衡量對發動機振動峰值的影響。

根據發動機設計文件要求判定發動機振動峰值是否合格,高壓轉子組合不平衡量對發動機振動峰值合格率的影響如圖2所示。在高壓轉子組合不平衡量的四個組別中,發動機振動峰值的合格率均高于不合格率。高壓轉子組合不平衡量越小,發動機振動峰值的合格率越高,表征發動機振動峰值合格的可能性越大。

圖2 高壓轉子組合不平衡量對發動機振動峰值合格率的影響

設置分界線用于判定發動機振動峰值是否優秀,高壓轉子組合不平衡量對發動機振動峰值優秀率的影響如圖3所示。由圖3可知,將高壓轉子組合不平衡量控制在15 g·cm以下,可以保證發動機振動峰值的優秀率高于非優秀率。高壓轉子組合不平衡量越小,發動機振動峰值優秀率越高,發動機振動峰值優秀的可能性越大。

圖3 高壓轉子組合不平衡量對發動機振動峰值優秀率的影響

3 高壓轉子組合不平衡量對發動機振動變化的影響

3.1 理論分析

高壓轉子組合件在工作過程中,受到不平衡力的作用,繞中心做旋轉運動,不同運動位置如圖4所示。根據能量守恒定律,有:

mv2/2=mgh

(3)

式中:h為高壓轉子組合件的擺動幅度;g為重力加速度。

(1) 當高壓轉子組合不平衡量較小時,高壓轉子組合件的質量差較小,根據式(1)、式(2)可以判定高壓轉子組合件所受的離心力較小,發動機振動峰值較小,于是根據式(3)有:

mv2/2=mgh1<2mgR

(4)

式中:h1為高壓轉子組合件的擺動高度。

此時對應位置一,h1小于2R,高壓轉子組合件無法繞軸線做圓周運動,發動機的振動峰值和振動變化均較小。

(2) 當高壓轉子組合不平衡量增大時,高壓轉子組合件的質量差增大,根據式(1)、式(2)可以判定高壓轉子組合件所受的離心力增大,發動機振動峰值增大,于是根據式(3)有:

mv2/2=mgh2<2mgR

(5)

式中:h2為高壓轉子組合件的擺動高度。

此時對應位置二,h2小于2R,高壓轉子組合件無法繞軸線做圓周運動,但發動機的振動峰值和振動變化值均增大。

圖4 高壓轉子組合件運動位置

(3) 當高壓轉子組合不平衡量繼續增大時,高壓轉子組合件的質量差很大,根據式(1)、式(2)可以判定高壓轉子組合件所受的離心力很大,發動機振動峰值很大,于是根據式(3)有:

mv2/2>2mgR

(6)

此時對應位置三,高壓轉子組合件可以繞軸線做圓周運動,發動機的振動峰值很大,振動變化則為零。

3.2 統計分析

發動機在同一轉速下,振動峰值的變化量稱為發動機振動變化值,發動機振動變化值是評判發動機振動合格的另一個重要參數。為分析高壓轉子組合不平衡量對發動機振動變化的影響,統計200臺次發動機高壓轉子組合不平衡值,共分為小于10 g·cm、10～15 g·cm、15～20 g·cm、20～25 g·cm四個組別。

根據發動機設計文件要求判定發動機振動變化是否合格,高壓轉子組合不平衡量對發動機振動變化合格率的影響如圖5所示。由圖5可知,在高壓轉子組合不平衡量四個組別中,發動機振動變化的合格率均遠高于不合格率。高壓轉子組合不平衡量控制在10 g·cm以下或20～25 g·cm時,發動機振動變化合格率較高。

圖5 高壓轉子組合不平衡量對發動機振動變化合格率的影響

設置分界線用于判定發動機振動變化是否優秀,高壓轉子組合不平衡量對發動機振動變化優秀率的影響如圖6所示。由圖6可知,在劃分的高壓轉子組合不平衡量的四個組別中,小于10 g·cm、15～20 g·cm兩個組別的發動機振動變化優秀率較高,尤其是高壓轉子組合不平衡量小于10 g·cm時,發動機振動變化的優秀率最高。

圖6 高壓轉子組合不平衡量對發動機振動變化優秀率的影響

4 分析結論

(1) 高壓轉子組合不平衡量越小,發動機振動峰值合格的可能性越大,發動機振動峰值優秀的可能性越大,因此,高壓轉子組合不平衡量越小越好。

(2) 高壓轉子組合不平衡量控制在10 g·cm以下或20 g～25 g·cm時,發動機振動變化合格率及優秀率較高。

(3) 綜合考慮發動機振動峰值和振動變化,建議將高壓轉子組合不平衡量控制在10 g·cm以下。