航空發動機整機振動故障分析

馬 樂

（安陽職業技術學院，河南安陽 455008）

0 引言

航空發動機是一種高度復雜和精密的熱力機械，是航空飛行的動力核心，其工作狀態穩定與否直接影響著飛行安全系數。經過百余年的發展，航空發動機已逐漸發展成為較為穩定可靠的產品，且依照航空飛行的不同動力需求，擁有渦輪噴氣發動機、沖壓式發動機等多種類型。航空發動機雖然能夠滿足航空飛行需求，但仍舊存在小概率的安全隱患。基于當前的航空飛行實踐經驗可知，在航空飛行中發動機整機振動故障時有發生，整機振動故障影響發動機工作，同時影響到整個航空飛行的各種附件、儀表等參數的準確性。一旦發生發動機整機故障就需要進行維修、替換，大批量的發動機提前返場，不僅僅提升了飛機的造價標準，增加維修費用，更導致社會資源的浪費，因此做好對航空發動機振動故障的排查和控制至關重要。

1 航空發動機整機振動故障原因分析

航空發動機整機振動故障的原因較為復雜，通常是多種綜合因素下共同導致的結果。對此，理清航空發動機結構類型，梳理其整機振動的規律，對于尋求解決振動故障提供了直接有效的參考，也是當下航空飛機安全運行中發動機設備研發創新的重要任務。基于國內外航空發動機研究的相關文獻，結合航空發動機運行的實際情況，闡述當前民航和軍用航空飛機中較為常見幾種航空發動機整機振動故障類型和故障原因。

1.1 轉子故障

（1）轉子不平衡故障。在航空發動機中，轉子結構是指發動機內部軸承支撐著的旋轉體，依照發動機運行原理主要是依托轉子和軸承的相互關系。轉子在較高頻率的轉速下會出現轉子不平衡，如靜不平衡、偶不平衡和動不平衡等。轉子不平衡故障的檢測技術主要是檢測發動機的轉速、頻率、轉速平方和航空飛機的載荷關系，當前者參數相同、后者參數呈正比，則表現轉子出現不平衡故障。根據發動機的轉子結構和運行作用可知，轉子所采用的原材料性能不高或是制作工藝偏差等情況，其在具體的運行中都會出現質量偏差故障，引起發動機整機振動。

（2）轉子不對中故障。航空發動機性能隨著航空事業的發展而不斷優化完善，在現階段下航空發動機的轉速和推重比呈現出高標準發展。當發生轉子不對中故障時，所采用的檢測技術主要是對發動機軸承對稱性的分析判斷，如發動機軸承發生非正常磨損，則可能是因為轉子不對中所導致。在轉子不對中的振動原因中，隨著航空飛機飛行速度的提升，整機振動幅度呈現出上升趨勢。

（3）轉子積液。在鼓筒式結構的發動機中，發動機內部的軸承密封裝置容易在發動機調試的時候出現漏油等問題。隨著發動機軸承開始測試運作，這些積液會進入到鼓筒結構中，在航空發動機整機正式飛行過程中，帶有鼓筒的轉子隨著轉速越來越快，鼓筒內部的油液會形成油團。作為雜質存在的油團同轉子的振動幅度、方向、頻率等都不同，導致轉子出現自激振動，這種振動幅度角度導致發動機內部密封結構的摩擦變大，發動機葉片出現非常規磨損，嚴重損壞發動機的重要元件性能，容易引發整機振動故障。

（4）轉子支承松動。航空發動機內部轉子是通過各種支承結構連接在軸承上面，轉子支承出現松動會導致整個發動機軸承表面結構出現縫隙，發動機所應有的機械阻力降低；達到既定的轉速和頻率則會影響到發動機的整體結構，帶來振動故障。轉子支承松動的原因主要是發動機受到外力壓力影響和所處的結構溫度升高。

1.2 氣流激振下的整機振動故障

氣流激振會導致發動機運行結構出現自激振動反應。通常情況下，發動機在運行中轉子和靜子之間存在漏氣，壓氣機的效率會受到影響。因此一般情況下，所有的航空發動機都會設置機械密封裝置，但是也由此帶來新的氣流問題。如封閉腔中原有的氣體會受到內部溫度場等的影響，實現不規則的旋轉運動導致整個封閉腔內部的壓力分布不均勻，引發發動機整機振動故障。

1.3 航空發動機結構元件故障

航空發動機內部組成結構較為繁雜，且發動機運行的原理也涉及到多個理論知識。這些結構和原理在支持航空發動機穩定安全運行的同時，也會為其帶來整機振動的故障情況。

（1）傳動系統故障引起的振動。傳動系統是帶有齒輪耦合轉子的復雜系統，運行依托于動力學特性，涉及齒輪動力知識和軸承動力知識。在實際的發動機運行系統中，傳動系統的任一模塊發生運行不順暢的故障問題，都會引起整機振動故障。

（2）葉盤失諧引起的振動故障。葉盤是航空發動機內部重要的功能區域扇區，發揮著對發動機進行散熱的作用。每型發動機內部都擁有多個葉盤，一旦出現葉盤失諧，則導致發動機的能耗和所產生的機械能量都集中在個別的葉片上，增大葉片振幅，引起葉片的疲勞磨損；甚至在高速的運作下，葉片積聚的能量過大，導致葉片出現破損或斷裂。一旦磨損嚴重，發動的整體穩定性會受到影響，產生整機振動故障。

（3）航空機匣的自激反應。機匣是安裝航空發動機的架子，承擔著發動機外部框架的作用。機匣振動會帶動發動機整機發生機械性振動，當前導致航空機匣振動的原因有飛機結構失去平衡、噪聲、氣流等的影響。

2 航空發動機整機振動控制方法

2.1 基于發動機整機動力學理論展開改造控制

導致航空發動機整機振動故障的最主要原因在于轉子結構出現問題，轉子出現各種問題的原因在于發動機結構的設計理論存在不足和偏差。通過發動機整機動力學理論展開對轉子結構的優化改造，提高對轉子穩定性、安全性的優化控制，避免由此引發整機振動故障。

（1）導入非線性振動設計，進行振動彌補。在傳統設計理論下，轉子等元件設備正常的結構設計都是基于線性研究構建的，對轉子在各種運行狀態下可能出現的動態變化考慮不周，如轉子不對中等問題。對此導入非線性設計理論，對發動機的運行結構狀態進行全面具體的分析，提前制定轉子等零部件的加工和制造工藝，避免后期動態運行帶來的整機振動故障問題。

（2）構建動力學設計模型，導入整機參數模型。分析航空發動機整機振動故障原因發現，不僅是發動機的相關結構問題帶來振動故障，整個航空飛機的參數都會對發動機整機帶來穩定性影響。基于動力學理論設計模型，將整機參數和各種結構變化都導入模型中，構建航空發動機的有限元模型，模擬研究發動機結構的振動規律，優化結構特征設計方案（圖1）。

2.2 基于支承結構動柔度的動力學展開改造設計

在航空發動機設計中，支承機構柔性數據等對整體設計的參數選擇具有重要意義，如支承結構動柔度參數決定了單位振動下各設備元件所能承受的承載程度。在正常的柔度范圍內，發動機的轉速、頻率等參數都對發動機的整機結構設計優化控制具有重要意義。當前正是通過導入支承結構動柔度的動力學計算方式，對各種參數展開深度研究，為航空發動機整機振動的控制提供有力支持，如對航空發動機螺栓連接結構連接處做剛度和強度仿真模擬。

2.3 實現對航空發動機結構裝配工藝控制管理

在機械制造加工中，裝配工藝發揮著至關重要的作用。做好裝配加工，保證發動機結構裝配參數標準，可以減少發動機內部元件因機械故障帶來的整機振動故障。不同航空發動機的使用場所不同，其各種參數設計也不相同。結合發動機生產制造的行業規范標準，設置發動機的各種結構參數，合理控制環境影響下的力學參數。例如，為了降低氣流的相對速度，提高發動機扇葉的效率，可以采用掠形葉片，能夠提高3%～5%的效率，增加3%～10%的空氣流量。為了達到這一故障控制防范的目標，要求構建有限元模型，研究工藝參數在一定變化范圍內的變化規律，探究工藝參數同動力學參數之間的聯系，確保展開高質量裝配工藝。

3 結論

航空發動機的性能和結構直接影響飛機的飛行安全和效率情況。隨著航空事業的發展，加強航空發動機研發創造，有效規避發動機整機振動所導致的航空事故已然成為重中之重。分析航空發動機振動故障的原因機制可以發現，轉子故障和氣流問題是帶來發動機整機故障的重要因素，發動機內部的各種元件損耗情況也在一定程度上導致整機振動故障發生。采取相應的整機振動控制措施，優化發動機結構，采用更加優質的發動機元件材料和零部件制造工藝，打造更高安全性、穩定性的航空發動機。