航空發(fā)動機(jī)整機(jī)振動問題中的高低壓耦合振動研究

任志遠(yuǎn)++韋周慶

摘 要：某航空發(fā)動機(jī)試驗過程中出現(xiàn)振動大故障，通過試驗過程中的頻譜分析發(fā)現(xiàn)振動過程存在明顯的高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速耦合頻率，對發(fā)動機(jī)進(jìn)行全面分解排查，查明振動原因是低壓渦輪轉(zhuǎn)子不平衡，低壓渦輪轉(zhuǎn)子不平衡的原因是平衡工藝存在不足，工藝過程中的重復(fù)拆裝影響平衡質(zhì)量，針對低壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡工藝進(jìn)行優(yōu)化，保證低壓渦輪轉(zhuǎn)子的平衡質(zhì)量，排除了振動故障。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機(jī)；整機(jī)振動；中介軸承；高低壓耦合；平衡工藝

中圖分類號：V231 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

為提高推重比，現(xiàn)代雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機(jī)普遍采用高壓轉(zhuǎn)子后支點為中介軸承的支承方案，由于中介軸承的存在，使得高、低壓轉(zhuǎn)子的耦合效應(yīng)對發(fā)動機(jī)振動特性存在影響，理論分析認(rèn)為，低壓轉(zhuǎn)子不平衡會激起轉(zhuǎn)子以組合頻率振動，某航空發(fā)動機(jī)試驗過程中出現(xiàn)振動大故障，頻譜分析表明存在明顯的高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速耦合頻率，與理論分析結(jié)果符合，對后續(xù)的故障排查指明方向。

1.振動問題因素排查

1.1 故障現(xiàn)象

某航空發(fā)動機(jī)試驗過程中，振動值超出控制要求，針對振動情況進(jìn)行頻譜分析表明，振動主要表現(xiàn)為高壓轉(zhuǎn)子基頻振動，同時伴隨較大的低壓轉(zhuǎn)子基頻、（兩倍高壓轉(zhuǎn)子-低壓轉(zhuǎn)子）頻率、（高壓轉(zhuǎn)子+低壓轉(zhuǎn)子）頻率、（高壓轉(zhuǎn)子-低壓轉(zhuǎn)子）頻率等高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速耦合頻率的幅值。

1.2 分解檢查情況

對發(fā)動機(jī)進(jìn)行分解檢查，風(fēng)扇轉(zhuǎn)子、高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子、高壓渦輪轉(zhuǎn)子殘余不平衡量均為裝配要求的3～5倍，考慮平衡用模擬轉(zhuǎn)子的裝配誤差和平衡機(jī)支撐系統(tǒng)的重復(fù)裝配誤差，認(rèn)為該不平衡量變化屬于正常范圍，而對低壓渦輪轉(zhuǎn)子進(jìn)行殘余不平衡量檢查時發(fā)現(xiàn)，低壓渦輪轉(zhuǎn)子盤端即后平衡面殘余不平衡量異常，達(dá)到裝配要求的15倍以上，表明低壓渦輪轉(zhuǎn)子在試驗過程中出現(xiàn)了較大的不平衡量變化。

1.3 振動原因分析

由于工藝誤差、裝配誤差以及發(fā)動機(jī)試驗過程中溫度和剛性的非線性變化，中介軸承的剛度會出現(xiàn)周向不均勻，考慮低壓渦輪轉(zhuǎn)子的不平衡時，低壓盤的不平衡會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子以低壓轉(zhuǎn)速基頻正進(jìn)動，并激起高壓轉(zhuǎn)子以（2倍高壓轉(zhuǎn)子-低壓轉(zhuǎn)子）頻率的正進(jìn)動，同時會伴隨高壓轉(zhuǎn)子基頻+低壓轉(zhuǎn)子基頻、高壓轉(zhuǎn)子基頻-低壓轉(zhuǎn)子基頻頻率幅值的存在，本臺發(fā)動機(jī)試驗過程中，振動測試表現(xiàn)出明顯的高低壓耦合特征，且分解排查發(fā)現(xiàn)存在低壓渦輪轉(zhuǎn)子不平衡量異常變化的情況，認(rèn)為低壓渦輪轉(zhuǎn)子的不平衡是本次振動故障的主要原因。

2.低壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡工藝評估與優(yōu)化

某航空發(fā)動機(jī)低壓渦輪轉(zhuǎn)子為兩級渦輪，低壓一、二級工作葉片均通過樅樹型榫齒分別與低壓一、二級盤聯(lián)接，用盤前、后擋板及盤間封嚴(yán)環(huán)槽向固定，低壓一、二級渦輪盤靠螺栓連在低壓渦輪軸上，低壓軸前端外花鍵套齒與風(fēng)扇軸內(nèi)花鍵套齒配合，用以將低壓渦輪的扭矩傳遞到風(fēng)扇軸上，低壓渦輪轉(zhuǎn)子后端通過滾棒軸承支撐在后支撐機(jī)匣上。

2.1 低壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡工藝評估

低壓渦輪轉(zhuǎn)子采用臥式平衡機(jī)進(jìn)行動平衡，前支撐位于低壓渦輪軸前端，采用平衡工藝軸套支撐在平衡機(jī)滾輪上，并利用套齒結(jié)構(gòu)連接平衡機(jī)傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳扭，后支撐位于輪盤中心位置，采用平衡工藝軸套支撐在平衡機(jī)滾輪上，此時兩級轉(zhuǎn)子之間的靜子機(jī)匣不進(jìn)行裝配，平衡完成后，分解低壓渦輪二級轉(zhuǎn)子葉片，裝配靜子機(jī)匣，再次裝配低壓渦輪二級轉(zhuǎn)子葉片，完成組件裝配并進(jìn)行整機(jī)裝配。

針對現(xiàn)有低壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡工藝進(jìn)行評估，分析認(rèn)為導(dǎo)致低壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡量存在變化的原因有如下兩項：

（1）由于低壓渦輪轉(zhuǎn)子輪盤、葉片均處于后支撐附近，轉(zhuǎn)子的不平衡量測量對后支撐工藝軸套的形位公差比較敏感，低壓渦輪轉(zhuǎn)子重量約為150kg，假設(shè)與后支點軸承相比，工藝軸套形位公差存在e=0.005mm偏心量，估算轉(zhuǎn)子組件會產(chǎn)生750g.mm的附加不平衡量，對裝配狀態(tài)及平衡狀態(tài)的一致性造成影響。

（2）低壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡完成后，需要分解低壓渦輪二級轉(zhuǎn)子葉片，進(jìn)行靜子機(jī)匣裝配后對低壓渦輪二級轉(zhuǎn)子葉片恢復(fù)裝配，雖然制定了嚴(yán)格按照葉片、平衡螺釘和鎖片上的位置號原位裝配的要求，但重復(fù)拆裝不可避免地會造成不平衡量的變化，影響了低壓渦輪轉(zhuǎn)子的平衡狀態(tài)，同時平衡前后也要對后支撐軸承進(jìn)行分裝，這種重復(fù)分裝工作增加了操作者的工作量，增大了裝配錯誤的概率。

2.2 低壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡工藝優(yōu)化及驗證

為了保證低壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)與裝配狀態(tài)的一致性，研究帶軸承和靜子機(jī)匣的低壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡工藝方案進(jìn)行研究，為了避免工藝軸承座結(jié)構(gòu)剛性較差導(dǎo)致的不平衡量測量失真效應(yīng)，采用結(jié)構(gòu)剛性較強(qiáng)的框架結(jié)構(gòu)平衡工裝同時實現(xiàn)對后支點軸承和靜子機(jī)匣的支撐。

平衡工裝主要由焊接結(jié)構(gòu)的定位套筒組件、前工藝機(jī)匣焊接組件、后工藝機(jī)匣組成，三者之間螺栓連接。前機(jī)匣上有轉(zhuǎn)接環(huán)與低壓渦輪一級前機(jī)匣連接，用于支撐低渦靜子；軸前端通過定位套筒與平衡機(jī)傳動聯(lián)軸節(jié)相連，由前機(jī)匣前端的兩個精密滾輪和后機(jī)匣上的軸承座裝配后支點軸承并支撐低壓渦輪轉(zhuǎn)子。平衡過程中前后機(jī)匣上分別設(shè)有與平衡機(jī)支撐架配合的前后V型支撐座，用于支撐整個平衡系統(tǒng)。為加強(qiáng)支撐剛性，將前后支撐機(jī)匣間連接支撐桿兩端焊加強(qiáng)筋處理。

由于轉(zhuǎn)子前后支撐跨距較大，而平衡穩(wěn)定性對支撐同心度要求較高，所以一方面在選擇轉(zhuǎn)子支撐形式時，后軸承作為一個支點，前段采用兩個滾輪進(jìn)行支撐，由于滾輪的表面為弧面即支撐轉(zhuǎn)子時為線接觸，降低了對同心度的要求，另一方面通過控制組件之間的連接止口處柱面跳動及端面跳動；連接螺栓孔位置度、與后軸承配合的工藝外環(huán)的粗糙度、圓柱度、相對基準(zhǔn)的跳動值等要求提高工藝裝備的精度，同時關(guān)鍵配合面以及螺栓連接孔等加工均采用組合加工來保證精度，并選取定位套筒后止口與機(jī)匣焊接組件配合處為組合加工基準(zhǔn)。

對新的低壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡工藝進(jìn)行平衡準(zhǔn)確性和平衡重復(fù)性驗證，新工藝對修正面上的相應(yīng)輕點位置加配重后的不平衡量采集比較準(zhǔn)確，能夠滿足平衡準(zhǔn)確性的要求，在平衡轉(zhuǎn)速下，平衡重復(fù)性相比原平衡工藝有較大的提高。

采取低壓渦輪轉(zhuǎn)子帶支點軸承和靜子機(jī)匣平衡工藝方案后，平衡過程采用主支點軸承進(jìn)行支撐，平衡狀態(tài)與轉(zhuǎn)子工作狀態(tài)更加接近，避免了工裝對不平衡量的帶入影響，同時平衡工序前后不需要軸承和低渦轉(zhuǎn)子葉片的重復(fù)拆裝，避免了軸承和葉片重新分解裝配造成的不平衡量的不可控變化，保證了轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)和裝配狀態(tài)的一致性，經(jīng)平衡和裝配試驗驗證，振動故障排除。

結(jié)語

振動是航空發(fā)動機(jī)永恒的話題，振動機(jī)理復(fù)查，影響因素眾多，本次試驗過程振動的排除實例可供相關(guān)技術(shù)人員借鑒：

（1）振動的頻譜分析和相應(yīng)機(jī)理的結(jié)合可以有效地指引發(fā)動機(jī)的振動排故，通過理論和實際的結(jié)合，可以明確振動原因和結(jié)構(gòu)影響因素，為后續(xù)的裝配控制提供方向。

（2）振動對不平衡量極其敏感，對于平衡工藝要加強(qiáng)評估，在平衡精度控制的基礎(chǔ)上要注意裝配狀態(tài)和平衡狀態(tài)的一致性，避免裝配操作產(chǎn)生附加的不平衡量。

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