某渦軸發動機振動幅值波動故障分析

高梁

摘 要 某渦軸發動機試驗時，部分振動測點出現振動總量幅值波動現象，對振動數據進行頻譜分析，判斷動力渦輪軸系前端出現故障。發動機下臺分解的結果驗證了判斷，發動機重新裝配上臺試驗，未出現振動幅值波動的現象。本文為相關故障的排除提供了診斷經驗。

關鍵詞 渦軸發動機;幅值波動;頻譜分析

某渦軸發動機進行持久試車，試驗開始階段發動機振動情況良好，隨著持久試車的進行，在穩態下，發動機動力渦輪轉子基頻振動幅值出現波動的現象，雖然振動幅值還小于限制值，但基頻幅值波動的現象預示著發動機存在異常，有必要對數據進行分析以排除隱患，避免發動機狀態進一步惡化，確保發動機的安全。

1振動測試系統及測點布置

為測量某航空發動機整機振動情況，設置10個振動測點，測點代號及位置如下：

1#——渦輪機匣垂直測點;2#——渦輪機匣水平測點;3#——渦輪機匣軸向測點;4#——附件傳動機匣垂直測點;5#——附件傳動機匣水平測點;6#——附件傳動機匣軸向測點;7#——進氣機匣垂直測點;8#——進氣機匣水平測點;9#——進氣機匣軸向測點;10#——鼓風機垂直測點。

振動測試系統結構為：機匣振動通過壓電加速度振動傳感器轉變為電荷信號，經過高溫低噪聲電纜傳輸進入專用振動測試儀;經專用振動測試儀對電荷信號進行放大、濾波后，振動總量信號進入數采系統、通頻信號進入振動記錄分析儀，對發動機振動進行實時監測和試驗后數據回放分析處理[1]。

2試驗情況

某渦軸發動機進行持久試車，在最初階段，發動機運行狀態良好，當持久試車進行一段時間后，穩定狀態下某些測點振動總量出現不穩定現象，某些測點振動總量值出現類似正弦波規律的波動，雖然振動總量未超過限制值，但該現象的出現預示著發動機存在故障，故建議停止試驗，并對數據進一步分析。

3振動數據分析

對總量曲線波谷和波峰時刻振動頻譜圖進行分析，各測點振動頻譜成分以燃發轉子和動力渦輪轉子基頻為主，無異常頻率成分，但轉子基頻幅值大小有差異。

表1和表2為在總量曲線波谷與波峰時刻各個測點轉子動力渦輪轉子與燃發轉子基頻幅值與波動幅度[2]。

由表1可知，4#、5#、7#、8#、10#測點動力渦輪基頻波動幅值較大，其中4#測點已達到10.3mm/s，其余測點動力渦輪基頻幅值波動小于±3mm/s。由表2可知發動機上10個測點的燃發轉子基頻幅值波動幅度均小于±1mm/s。

由以上分析可知，在各測點振動總量幅值最小與最大時刻相比，燃發轉子基頻幅值幾乎無變化。動力渦輪轉子基頻幅值有5個測點波動幅度較大，4#、5#為附件機匣的垂直和水平位置，7#、8#為進氣機匣的垂直和水平位置，10#鼓風機垂直位置，從位置上看，這些測點均靠近發動機的前端，而1#、2#、3#測點為渦輪機匣測點，在發動機后端，6#、9#測點為軸向位置，幅值變化也較小。通過以上分析可定位故障位置在該渦軸發動機動力渦輪轉子軸系的前端，且動力渦輪轉子的徑向振動情況對該故障較為敏感。

4故障情況及其機理分析

基于以上分析，發動機停止試驗，下臺進行分解，發現發動機動力渦輪軸的前端1號軸承的壓緊螺母與軸承內環處于未壓緊狀態，在發動機運行過程中，前封嚴環組件和1號軸承內環均處于未壓緊狀態，產生相對滑動，從而導致前封嚴環組件和1號軸承內環接觸面有不同程度的磨損，前封嚴環組件與輸出軸的接觸面也有不同程度的磨損。

通過該發動機在試驗時出現的振動幅值的波動情況及分解檢查的結果，對出現該現象進行簡要分析。

任何轉動部件都存在殘余不平衡量，只是其大小和方向角的不同而已。在本文中，發動機動力渦輪軸和1號軸承前封嚴環組件均存在殘余不平衡量。動力渦輪軸系的總量不平衡為各部分不平衡量得矢量和，當發動機狀態良好時，封嚴環組件和動力渦輪軸無相對滑動，此時動力渦輪軸系的不平衡量為一定值，各測點動力渦輪轉子基頻幅值穩定。

當動力渦輪軸與封嚴環組件出現相對滑動時，由于矢量之間的角度發生變化，矢量和也發生變化，故軸系的不平衡量隨著動力渦輪軸與封嚴環組件的相對滑動而產生變化，因此故障發生在前端，且發動機機匣的徑向振動對轉子不平衡較為敏感，所以發動機前端的徑向測點動力渦輪轉子基頻幅值出現不穩、周期變化的情況，幅值變化的周期則為軸與封嚴環組件相對滑動的周期。

5結束語

振動數據是航空發動機試驗中非常重要的數據，振動的異常預示著發動機存在潛在故障，當振動出現異常時需要及時進行排除以確保發動機的安全。本文通過監測某航空發動機試驗中動力渦輪轉子基頻幅值的變化，判斷了動力渦輪軸系前端存在故障。發動機下臺分解的結果驗證了判斷的正確性，結合分解的結果進一步分析了出現該現象的理論機理，為同類故障的診斷提供了診斷經驗與技術支持。

參考文獻

[1] 熊帆，陳大力，鄧曉亮.基于振動分析的某軸頸斷裂故障診斷實例[J].自動化應用，2018（4）：78-79，87.

[2] 鄧曉亮，陳大力.振動分析在某航空發動機結構改進中的應用[J]. 電子世界，2019（1）：132-133.