浅析航空发动机整机振动及控制

浅析航空发动机整机振动及控制

李聪孙业峻卢山王冬旭

沈阳兴华航空电器有限责任公司辽宁省沈阳市110144

摘要：整机振动故障是严重影响航空发动机性能的问题之一，在运行过程中过量的振动会增加磨损，造成疲劳损伤，甚至导致严重故障和系统损伤。为确保航空发动机的运行质量，相关技术人员人员需要加强对整机震动问题的研究和控制。本文简单分析了航空发动机整机振动故障，并探讨了相关的控制措施。

关键词：航空发动机；整机振动；控制

引言

航空航天发动机制造业属于世界最尖端的高端设备制造领域，具有技术密集型、资金密集型的特征，其核心技术长期被发达国家实施封锁。自中国加入WTO以来，航空航天发动机制造业勇于面对挑战，成绩不俗。航空发动机是一个高速旋转、结构复杂的机械装置，其工作在高温、高压、高应力及交变载荷的恶劣条件下，整机振动故障率通常较高。航空发动机的整机振动一直是制约着发动机发展的关键问题，极大地增强了发动机试车及维修成本。因此，采取有效控制手段，减少发动机振动故障，并制定合理措施有效排除振动故障，已经成为当前航空发动机研究工作的重要课题之一。

1航空发动机整机振动分析

航空发动机一般安装在飞机或试验台架上，形成一个无限多自由度的振动系统。所谓发动机的整机振动，在各种激振力作用下会产生的响应。发动机故障会产生独特的发动机整机振动，故障不同，振动特征也不同。发动机整机振动的主要故障类型包括以下几种：

1.1转子不平衡

在航空发动机中，转子材质的不均匀、设计的缺陷、热变形、制造装配的误差和转子在运行过程中有介质粘附到转子上或是有质量脱落等，使得实际转子的质心与形心不一致，因而使得转子出现质量不平衡。转子不平衡是导致航空发动机整机振动过大和产生噪音的重要因素，它不但会直接威胁到航空发动机安全可靠地运行，而且还容易诱发其他类型的故障。转子不平衡离心力所引起的振动，与其它原因引起的振动不同，具有固有特征，即动载荷与转速平方成正比，频率与转速相同。

1.2转子不对称

随着航空发动机对高推重比和高转速的追求，航空发动机的转子与机匣之间的间隙就变得越来越小，从而使转子的不对中故障引起转静子碰摩的可能性增加。航空发动机转子的不对中总体上来说，可以分为轴承不对中和联轴器的不对中。航空发动机的转子如果处于不对中的状态下进行运转，则会导致轴承磨损、联轴器偏转、轴挠曲变形以及转子与机匣，对航空发动机的稳定运行具有极大的危害。

1.3转静子摩擦

航空发动机转静子的碰摩可分为局部碰摩和全局碰摩，其中局部碰摩又可分为单点碰摩、多点碰摩和面碰摩。按转子类型可分为单转子碰摩和双转子碰摩。目前，双转子结构已被航空发动机普遍采用，高低压转子之间通过滚动轴承联结，构成航空发动机双转子—滚动轴承系统。双转子航空发动机由于有两个不同的激振源，当发生动静子碰摩故障时，除了出现两个转子旋转频率的振动外，还会出现旋转频率的多倍频和分数倍频率的振动，除此之外，也会出现两个转子旋转频率的各种组合频率的振动。

2航空发动机整机振动控制措施

2.1科学进行阻尼结构设计

在航空发动机中，增加系统阻尼、合理选择支承刚度能有效减小转子系统振动，提高系统稳定性，这通常用接触式弹性阻尼支承和非接触式电磁阻尼结构来实现。挤压油膜阻尼器是接触式弹性阻尼支承的典型的代表，其主要作用是减小转子共振时的振幅和支承外传力。非接触式电磁阻尼结构通过电磁效应给转子施加外力，以改变转子系统的动力特性，例如电涡流阻尼器。由于电涡流阻尼器具有无需流体介质、无机械接触、动力特性容易控制等优点，如能采用合理的结构来消除由旋转引起的不稳定，就可以发展成为一种具有良好动力特性的阻尼器。

2.2严格控制结构装配工艺

结构装配工艺是复杂的技术问题，如航空发动机结构螺栓连接结构涉及扭矩、剪切力、弯曲力、陀螺力、机械轴向力、气动压力、惯性力、热梯度、摩擦、装配干涉和螺栓预紧力等11种载荷，如何在保证其结构强度、寿命和性能的前提下，满足连接刚度在发动机工作转速范围内的动力学设计要求，这就是如何提出装配工艺要求。需考虑螺栓数和螺距的选取、拧紧力矩和步长、拧紧方向、环境温度、工作温度梯度等装配、工艺参数对结构动力学参数的影响，才能制定出科学的结构装配工艺规程。又如在轴承装配时，配合间隙的不确定性难以控制。而轴承的配合间隙又决定了轴承的支撑刚度，装配时是间隙配合还是紧度配合才能使支撑刚度达到合适范围，就需要分析清楚相关结构在装配环境温度和工作环境温度下的相对位置（或力学）关系，使其在发动机工作状态下也满足支承刚度设计要求。

2.3加强整机振动测试

整机振动测试就是在发动机运行过程中监视、识别和预测其运行状态变化情况，根据所测得的振动信号特征，查询故障发生的可能原因，以便采取相应决策，及时消除隐患和排除故障，提高发动机运行的可靠性和安全性。对航空发动机结构一般根据转速振动曲线寻找共振点，在共振点转速附近测试其支点之间的相位关系，即可获得其振动特性，也可利用非接触式位移传感器（电容式、电涡流式、微波式）检测转子轴向相位关系，获取转子振型。而对于弯曲转子振型则需要在转子轴上粘贴应变片，利用转子过临界时发生转向现象来判断其是否为弯曲振型，从而验证动力学设计是否避开弯曲振动及其支承振动特性。此外，由于发动机结构和环境复杂，需根据具体环境实施不同的测试方案。例如，利用动、静态大变形、大应变场测量系统的三维全场振动分析高速变形测量技术，进行风扇机匣沿轴向变形测试，可实现非接触、全场、大变形大应变测量。

2.4积极应用故障诊断技术

频谱分析是航空发动机故障诊断中使用得较广泛的现代信号处理方法之一。不同故障所对应的频率特征不同。例如转子不对中故障的频率为转子转频的二倍频或三倍频。通过频率特征就能够判断故障。某一特定的故障类型一定对应特定的频率特征，因此根据频谱分析结果能够初步确定故障类型以及故障程度。基于小波包和谐波小波的故障诊断技术都具有很好的时域和频域的分割能力，因而近年来有的学者将小波包和谐波小波应用到振动信号的分析中，进行谐波小波变换的过程中有自身的快速算法，克服了小波包的失真和信息丢失的缺点。因此，谐波小波变换具有任意分割频率、任意划分数据段并且具有良好的分辨率能力，而小波包具有运算速度快的优点。在故障真用中，结合实际的航空发动机振动信号，运用小波包和谐波小波这两种方法对振动信号分别进行了频谱分析和时频分析，根据频谱特征诊断出发动机的故障类型。此外，必须采用多种手段对信号进行处理，找到能合理反映机械系统状态的特征参量的变化规律，选择对工况状态最敏感的特征参量来实现发动机的机械设备的故障检测与故障诊断。

结束语

总而言之，航空发动机的工作可靠性直接关系到飞机的飞行安全，航空发动机整机振动控制对于防止飞行过程中事故发生、避免经济损失和促进飞机维修具有重要作用。因此，在航空发动机维护工作中要根据发动机整机振动特点，从设备结构、装配工艺、故障诊断等方面加强振动问题的研究，采取合适的整机振动的控制方法，提高发动机的稳定性。

参考文献：

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