航空发动机转子径向振动测试技术研究

张龙，薛秀生，韩鹏卓，徐春雷

(中国航发沈阳发动机研究所，沈阳110015)

航空发动机转子径向振动测试技术研究

张龙，薛秀生，韩鹏卓，徐春雷

(中国航发沈阳发动机研究所，沈阳110015)

建立了航空发动机转子径向振动模型，研制了一套专门用于航空发动机转子径向振动测量的测试系统。通过获取转子叶片叶尖间隙、叶片到达时间的信息，采用离散周期信号频谱分析方法，获得发动机压气机转子径向振动数据。结果表明，随着转速的升高，转子径向振动的幅值、频率及相位角度均增大。该结果对发动机的结构设计起指导作用，为转子径向振动主动抑制技术研究提供了基础数据。

涡轮发动机；转子；径向振动；叶尖间隙；叶片到达时间；测试技术；频谱

1 引言

振动过大一直是困扰航空发动机研制的技术难题，其中转子径向振动问题最为常见，严重制约发动机技术的发展[1]。目前，国外航空发动机技术先进国家已经将转子系统主动抑制技术应用到发动机设计过程中[2]，而国内还主要通过优化转子结构设计与试验验证来解决径向振动问题，对转子系统主动抑制技术的研究只停留在理论阶段[3-4]。由于优化发动机转子系统结构设计及利用转子系统主动抑振技术的前提，都是要准确测量转子径向振动信息，所以如何快速、准确、低成本地对发动机转子径向振动信号进行检测分析，就成为发动机转子故障诊断的关键[5]。

目前，国内在发动机转子径向振动测试领域还属于技术空白。为此，本文开展了转子径向振动测试技术的研究，首次建立航空发动机转子径向振动模型，设计、组建了一套专门用于航空发动机转子径向振动监视与分析的测试系统，并通过了试验验证，获得了某型发动机转子径向振动数据。该测试方法属于非接触式测量，与传统方法相比，具有不破坏被测物体，响应时间短、可实时直接测量和分析转子振动信息，以及适用发动机范围广、灵敏度高等优势[6]。

2 转子径向振动测试原理

工程实际中，发动机转子在机匣内做的是偏心转动，转子径向振动运动模型如图1所示。双点划线圆为机匣内壁的机匣圆，圆心为O点，半径为R；点划线圆为转子轮廓的转子圆，圆心为P点，半径为r。

假设振动传感器安装在机匣的A点，转子上的E点扫过形成实线圆，圆心为O点，半径为r′。直线AO与转子圆交于Q点，与实线圆交于D点。当转子顺时针转动角度α时，转子由于偏心圆心达到了P点，转子圆与实线圆内切于E点。此时，传感器测得的叶尖间隙值为：

式中：l0为机匣圆与实线圆半径差，l(α)为α的函数。

根据实际情况，解方程得：

发动机在某一状态稳定运行时，转子叶尖间隙值直流分量R-r、转子振动幅值r′-r均可视为常数，将公式(6)表达为离散周期函数形式，即：

式中：i为转子叶片序号，t为转子叶片到达时间(s)，f为转子振动频率(Hz)，φ为转子振动相位(rad)。

利用电容传感器测量叶片的叶尖间隙值和叶片的到达时间值。实际应用中，固定在机匣中的电容传感器构成电容的一个极，而叶片叶尖构成电容的另一电极。传感器与叶尖之间电容值是电极几何形状、两极间距离及两极间介质的函数。假设电极的几何形状和介质为常数，则电容值只是两极间距离的函数，即电容值变化与发动机叶尖间隙变化存在对应关系。利用叶片到达信号模型匹配技术及峰值点检测技术，获得叶片到达时间信息。

3 系统硬件结构与软件实现

3.1 硬件结构

系统硬件包括电容式测试探头，三层双屏蔽金属电缆，延长电缆，电容测量模块，以及数据采集、处理系统等。通过前端传感器抗干扰结构设计、专用数据电缆、抗干扰数据采集技术及硬件滤波技术的综合设计，解决了测试信号中存在复杂干扰信号的问题。

3.2 软件实现

系统软件基于LabVIEW自主开发的PXI转子径向振动测试系统，具有使用灵活、功能多样、专业性强等诸多优点[7]。软件中针对原始电压信号，可进行叶片叶尖间隙和叶片到达时间分析，进而对转子径向振动信息进行分析。此外，该软件开放性极强，可进行回放功能及相关参数分析功能的二次开发。软件开发过程中，还结合系统硬件，重点进行了信号滤波、模型匹配、间隙检测、叶片到达时间计算、锁相技术的软件编程设计，为转子径向振动提供基础数据。在此基础上，通过编写转子径向振动分析子程序，实现转子径向振动测量。

4 试验验证

某型发动机测试时，将两支振动测试传感器分别安装于压气机一级、二级机匣内，周向位置位于顺航向右侧。

试验过程中，发动机在最大状态停留30 s后拉回慢车状态；然后从相对换算转速nˉ=0.5状态开始，以固定转速为一个台阶逐步增速至nˉ=1.0状态；每个台阶稳定约60 s，共6个台阶转速。每个台阶分别录取一级、二级转子径向振动曲线，结果如图2所示。分析可得：该转速段随着发动机状态的升高，发动机一级、二级转子径向振动的幅值、频率、峰值点相位角度均呈上升趋势。

对发动机一级、二级转子各状态台阶转子径向振动曲线进行频率-幅度谱、频率-相位谱分析，其结果如图3、图4所示。通过两组试验数据，可得到一级、二级转子径向振动数据对比曲线。

图5分别给出了转子径向振动频率、幅值和相位随发动机状态的变化曲线。可见，发动机状态由0.5上升到1.0的过程中，一级、二级转子径向振动频率逐渐增加。发动机状态到达0.8以前，一级、二级转子径向振动相对幅值逐渐增大约0.20，且二级转子振动相对幅值略大于一级转子振动相对幅值约0.20；发动机状态到达0.8以后，一级转子径向振动相对幅值继续增大0.18，二级转子径向振动相对幅值反而减小0.16。一级转子径向振动相位角度增大约50°，二级转子径向振动相位角度增大约80°，且二级转子径向振动响应略滞后于一级转子。

5 结论

建立了某型发动机转子径向振动模型，提出了一种利用转子叶片叶尖间隙及叶片到达时间信息测量转子径向振动的测试方法，得到了该型发动机压气机转子径向振动数据。试验结果表明：

(1)随着发动机转速的升高，一级、二级转子径向振动频率逐渐增大，并始终与转速频率保持一致，说明发动机一级、二级转子径向振动主要为一阶振动；一级转子径向振动幅值一直增大，二级转子径向振动幅值先增大后减小，说明二级转子的一阶临界转速位于相对换算转速0.8状态附近；一级、二级转子径向振动相位角度逐渐增大，二级转子略滞后于一级转子。

(2)试验得到的转子径向振动变化规律，对优化该型发动机结构设计起到了指导意义。同时，该试验数据结果充分验证了测试系统的有效性，该测试系统完全可用于航空发动机转子径向振动测试。

[1]李国鸿，李飞行.STFT在航空发动机振动信号处理中的应用[J].测控技术，2013，32(4)：45—49.

[2]El-Shafei A，Hathout J P.Modeling and control of HSFDS for active control of rotor-bearing systems[J].ASME Jour⁃nal of Engineering for Gas Turbines and Power，1995，117 (4)：757—766.

[3]贺尔铭.转子系统振动主动控制系统的理论研究[D].西安：西北工业大学，1993.

[4]贺尔铭，顾家柳，陈新海.航空发动机转子振动主动控制系统的综合设计[J].西北工业大学学报，1996，14(3)：371—375.

[5]徐一鸣，刘精宇.发动机转子振动信号虚拟测试系统[J].中国民航学院学报，2004，22(S0)：154—156.

[6]蒋云帆，廖明夫，王四季.航空发动机转子扭振测量新方法[J].振动、测试与诊断，2013，33(3)：410—415.

[7]冯德虎，刘满银.基于LabVIEW的虚拟测试转子振动的研究[J].陕西科技大学学报，2006，24(5)：104—108.

Testing technology on rotor radial vibration for aero-engine

ZHANG Long，XUE Xiu-sheng，HAN Peng-zhuo，XU Chun-lei
(AECC Shenyang Engine Research Institute，Shengyang 110015，China)

The radial vibration model for aero-engine rotor was established,and a dedicated test system for the aero-engine rotor radial vibration measurement was set up.By obtaining rotor tip clearance,arrival time information,compressor rotor radial vibration data of an engine was obtained using discrete periodic signal spectrum analysis.The results show that as the speed increases,the rotor radial vibration amplitude,fre⁃quency and the vibration phase increase.The result is of guiding significance for an engine structure design, and provides the basic data for rotor radial vibration active suppression technology research.

turbine engine；rotor；radial vibration；tip clearance；blade arrival time；measuring technology；spectrum

V231.92

：A

：1672-2620(2017)01-0041-03

2016-04-16；

：2016-08-01

张龙(1986-)，男，辽宁铁岭人，工程师，硕士，主要从事发动机测试研究。