某型航空發動機轉子不平衡故障的仿真分析

李書明 張永霖

摘要：航空發動機故障種類繁多，轉子不平衡故障是典型的振動故障之一，對航空發動機轉子進行不平衡故障的仿真分析可以為航空發動機的維修工作提供參考依據。本文針對某型航空發動機轉子建立簡化模型，運用有限元法進行不平衡故障的仿真分析。研究表明，低壓轉子或者高壓轉子上存在不平衡故障時，高壓渦輪盤振幅最大，其次為低壓渦輪四級輪盤；高壓轉子和低壓轉子同時存在不平衡故障時，轉子系統各部件振幅顯著增大。

關鍵詞：航空發動機；振動故障；不平衡故障；有限元

Keywords：aero-engine；vibration fault；unbalanced fault；finite element

0 引言

航空發動機是多系統的部件，具有十分復雜的結構，很多不可控因素的影響使航空發動機故障多發，航空發動機故障研究是一個十分重要的課題[1，2]。其中，轉子不平衡故障是航空發動機典型振動故障之一，由于轉子質量不平衡引起的振動會引起整個發動機的振動，造成嚴重危害[3]。轉子質量不平衡主要由兩個原因引起，一是在加工過程中因材質差異或裝配誤差等而產生，二是在后續運行或者維修工作中轉子出現缺陷、劃痕或者磨損等所致[4]。

本文針對某型航空發動機的轉子系統建立有限元模型，對其進行不平衡故障的仿真分析，包括低壓轉子不平衡故障、高壓轉子不平衡故障和高低壓轉子同時不平衡故障，以探究轉子系統部件的振幅情況。目的是通過不平衡故障分析，了解故障造成的影響，為航空發動機維修工作提供參考依據，對振幅較大位置嚴格規范工作，盡量減少故障的發生率。

1 有限元模型的建立

某型民用航空發動機結構如圖1 所示，低壓轉子由風扇、三級低壓壓氣機和四級低壓渦輪組成，高壓轉子由九級高壓壓氣機和一級高壓渦輪組成。

轉子支承方式如圖2所示，從左至右共5個軸承，編號依次為軸承1、軸承2、軸承3、軸承4和軸承5。低壓轉子通過軸承1、軸承2、軸承5與機匣連接，高壓轉子通過軸承3與機匣連接，同時通過軸承4與低壓轉子相連。軸承4也被稱為中介軸承，內圈連接低壓轉子，外圈連接高壓轉子，它的存在加強了高低壓轉子之間的耦合作用。

2 不平衡故障分析

綜合分析可知，低壓轉子或高壓轉子存在不平衡故障時，高壓渦輪盤振幅最大，其次為低壓渦輪四級輪盤，因此在航空發動機維修或生產加工過程中應嚴格控制這兩個部件的質量，盡量減少工藝誤差。高低壓轉子同時存在不平衡故障時，4個位置在相應不平衡量頻率下的振幅都有顯著增大，其中在不平衡量頻率為78Hz或者79Hz時增幅最大，在航空發動機維修或設計生產過程中應更加嚴格規范操作，避免同時存在不平衡故障。

3 結論

采用有限元法對航空發動機轉子系統進行了不平衡故障的仿真分析，得到結論如下：

1）低壓轉子或者高壓轉子上存在不平衡故障時，高壓渦輪盤振幅最大，其次為低壓渦輪四級輪盤。

2）高低壓轉子同時存在不平衡故障時，轉子系統各部件振幅顯著增大。

參考文獻

[1] S Liu，Y Ma，D Zhang，et al. Studies on Dynamic Characteristics of the Joint in the Aero-engine Rotor System [J]. Mechanical Systems & Signal Pro- cessing，2012，29（5）：120-136.

[2] B Daniel，M Christopher，R K Daniel，et al. Gas Turbine Engine with Tie Shaft for Axial High Pressure Compressor Rotor：US，20110219781[P]. 2011-9-15.

[3]陳予恕，張華彪.航空發動機整機動力學研究進展與展望[J].航空學報，2011，32（8）：1371-1391.

[4]段聰聰.航空發動機轉子建模與不平衡振動響應特性仿真研究[D]. 北京：北京化工大學，2018.

作者簡介

李書明，博士，教授，主要研究方向：航空發動機故障診斷、飛機發動機健康管理。

張永霖，碩士，主要研究方向：航空發動機振動。