航空发动机盘腔积油振动故障分析

(中国航发沈阳发动机研究所，沈阳 110015)

1 引言

航空发动机出于减重考虑，转子常做成中空结构。但由于设备装配或密封问题，常常会有滑油流入转子的旋转盘腔内，形成积油转子。而积油转子系统在一定转速下会失稳并产生强烈的自激振动，不但会给支承结构带来较大的载荷力，也会使旋转机械腔体产生较大变形，从而导致转静件碰磨，引起机械结构破坏。

自从Stewartson[1]建立起液体动力学和转子动力学相互耦合的系统振动方程，以及Kollmann[2]在试验中观察到部分积液转子的不稳定现象后，已有学者对积液转子开展了相关研究。Kaneko等[3]通过试验研究发现，在失稳转速极限值时，低黏度流体的旋转，会出现滞后现象；Ota 等[4]研究了主临界转速时的共振曲线以及在不稳定转速区域内充液比例、黏度、质量的影响；祝长生[5-7]在二维无黏旋转流体模型的基础上，详细分析了支承刚度各向异性部分充液转子系统的稳定性问题；姜广义等[8]对航空发动机盘腔积油故障进行了分析；金业壮等[9]采用ADAMS软件平台建立了积油转子系统的仿真模型，并对其动力学特性进行了仿真研究；许涛等[10]以单盘积油转子作为研究对象，运用流体仿真和实验验证，分析了积油形态变化规律和积油转子系统的动力学特性。

本文在已有研究成果基础上，以某型大涵道比航空发动机高压压气机盘腔积油故障为例，分析了因盘腔积油造成的自激振动的故障机理和特征，其结论、经验可供相关故障诊断人员参考。

2 故障现象

某型大涵道比发动机台架试车过程中，起动过程各个参数均正常，起动完成后发动机声音异常(嗡鸣声)，同时高压压气机二级光导信号全部消失，前腔金属屑末报警，发动机随后喘振紧急切停，切停前排气温度下降。该发动机振动测点位置如图1 所示。

图2 示出了一支点轴承座、中介机匣和涡轮后机匣等振动测点的等高线图，图3 为一支点轴承座测点的频谱图和瀑布图。从图中可见，在发动机起动到慢车阶段(即图2中的时间点m)之前，发动机振动情况正常，频率成分主要为低压转子基频fn1和高压转子基频fn2；在慢车运行7 s后(即图2中的时间点o)，发动机突然有嗡鸣声响起，所有振动测点频谱中除fn1和fn2外，均出现了一个102.5 Hz的特征频率ft及其倍频成分。该特征频率迅速成为频谱中的主频，其振幅远大于高、低压转子基频的振幅，且振幅不断增大(图3(a))，在转速下拉前瞬间ft的振幅已达到fn2振幅的24 倍(图3(b))；嗡鸣声响起后4 s(即图2 中的时间点n)，发动机开始转速下拉，下拉过程中，当fn2频率由160.0 Hz降为100.0 Hz时，ft频率由102.5 Hz降低为97.5 Hz，两者频率无线性关系且ft振幅下降缓慢，存在明显的滞后性。

图2 发动机各振动测点的等高线图Fig.2 Contour plot of vibration measuring points

图3 一支点轴承座振动测点的频谱图和瀑布图Fig.3 Waterfall diagram and spectrum diagram of No.1 bearing pedestal vibration

3 故障诊断

图4 示出了常见的航空发动机谐波振动故障树。由于故障特征频率与转频无固定线性关系且故障特征频率振幅存在明显的滞后性，判断该故障应为自激振动造成。航空发动机常见的自激振动主要有气流激振和盘腔积油两种。产生气流激振主要原因有叶顶间隙不均匀、密封间隙不均匀、转子偏心等，而造成盘腔积油的主要原因一般为轴承滑油腔密封存在不足，导致滑油进入盘腔内。分析发动机本次试验结构变动时发现，发动机高压压气机三级盘轴处进行了测试改装，对原密封引气设计进行了调整，导致滑油腔密封气压不足，存在漏油隐患。结合此结构变动及该型发动机振动故障特征，判断本次自激振动故障大概率由高压转子盘腔积油造成。随后对发动机进行了分解检查，检查中发现中介机匣前封严座后部有滑油滴出，核心机从水平翻转至竖直状态时，有滑油从核心机前部成股流出(总量约150 ml)，高压压气机三级叶片上有油迹。分解检查结果证实了本次发动机振动故障为高压压气机盘腔积油引发的自激振动。

图4 常见的航空发动机谐波振动故障树Fig.4 Vibration fault tree of typical aero-engine

4 故障分析与排除

4.1 机理分析

由相关文献可知，只有非线性关系的转子-支承系统才会失稳发生自激振动，其根本原理是转子进动时受到一个与径向振动位移相垂直的切向力(一般称之为不稳定力)。当转速上升到某个临界点时转子失稳，该临界点转速高于转子-支承系统的一阶或多阶临界转速[11]。转子失稳后的进动频率为转子-支承系统的某阶临界转速[12]，失稳后转子的轴心轨迹以指数螺旋线增长，但由于系统中的非线性影响随振幅增加而增加，耗散振动能量，导致进动振幅最后达到一个稳态极限环，如图5所示。

图5 自激振动中的转子运动轨迹图Fig.5 The trajectory of rotor in self-excited vibration

一旦转子失稳产生强烈的亚异步振动，持续的大振幅不会像转子系统过临界转速那样，越过后振动迅速下降并趋于平稳，即使转速降至不稳定区的下边界以下振幅也下降极少，存在一定的滞后性[11～13]。

积油转子自激振动原理与转子失稳原理相近，如图6所示。当油体流入转子旋转腔内形成积油转子时，在低转速下腔内流体被均匀地甩向旋转腔体内壁。随着积油量的增加和转轴出现弯曲变形，液体在旋转过程中会逐渐偏向转子重心，空腔旋转表面与液体之间存在的摩擦拉着这部分液体沿旋转方向向前拉一定角度，这样作用在液体上的离心力就存在一个切向不稳定分力。按照上述原理，这个不稳定分力会导致转子失稳从而产生亚异步进动的自激振动[14]。

图6 积油转子受力示意图Fig.6 Force diagram of the oil leakage rotor system

4.2 故障分析

图7 第4阶临界转速振型Fig.7 Mode shapes of the fourth order critical speed

使用MSC/PATRAN建立发动机转子-支承系统分析模型进行振动分析和后处理，得到测试改装后的转子-支承系统的高压激振临界转速(不含积油)，其中第4 阶临界转速为6 900 r/min，振型如图7 所示。该临界转速频率115.0 Hz比特征频率102.5 Hz大10%左右。由于航空发动机结构复杂，计算临界转速时刚度选取难度很大，一般情况下计算和实测的临界转速均有误差，加之充液转子的临界转速较非充液转子的临界转速低，且不同转速下临界转速也有差异[15]，故认为102.5 Hz 即为慢车转速下发动机转子-支承系统的高压激振的第4阶临界转速。

设发动机转速为ω，第4阶临界转速为ωn4，不稳定区的上/下边界即为发动机退出/出现自激振动的转速与第4 阶临界转速的比值，由计算可得积油转子的不稳定区边界为：

由于转子转速并未超过慢车转速，故不稳定区的上边界未知。

图8 发动机自激振动故障的坎贝尔图Fig.8 Campbell diagram of aero-engine self-excited vibration

根据试验和计算结果作出的高压转子工作过程的坎贝尔图如图8 所示，图中蓝色实线为高压转子协调正进动频率，红色实线为发动机转子-支承系统高压激振第4 阶临界转速，紫色实线为积油转子不稳定区的上下边界，绿色虚线为不同转频下滞后区不稳定切向力的等效激振力，红色虚线为不同转频下不稳定区不稳定切向力的等效激振力——此等效激振力的斜率随转频变化，使得激振力频率始终与发动机转子-支承系统高压激振第4 阶临界转速重合。

一支点轴承座测点故障特征频率伯德图如图9所示，故障特征频率的频率随转速的变化如图10所示。结合图8～图10 可知，发动机在起动过程中无特征频率出现，此时转速较低，高压转子做单频同步的正进动，进动频率等于高压转子转频，但高压压气机盘腔内已逐渐有滑油漏入、累积。当转速达到慢车转速时，此时已经积油的高压转子转速达到不稳定区下边界，积油所带来的不稳定切向力的频率接近发动机转子-支承系统的高压激振第4 阶临界转速的对应频率，激起发动机转子-支撑系统自激振动，高压转子的进动轨道由协调的正进动轨道变为非协调的亚异步轨道，且该进动所带来的振动幅值较大，导致转静子之间有多处严重碰磨，这也使得各振动测点存在多阶该特征频率的倍频。当转速下拉时，该特征频率的频率略微降低，这是因为航空发动机转子-支承系统的临界转速受陀螺力矩等影响随转速变化，且自激振动系统的滞后因素对非线性共振频率有影响等复杂因素造成[15～18]。特征频率幅值降低较慢，可见当转子-支承系统进入自激振动后，转速逐步降低至低于不稳定区的下边界时，如转频仍大于自激振动频率，则不稳定切向力仍促使转子-支承系统的自激振动继续进行，使自激振动存在明显的滞后性。

图9 特征频率伯德图Fig.9 Bode diagram of characteristic frequency

图10 特征频率随转速变化瀑布图Fig.10 Waterfall diagram of the change of characteristic frequency with speed

4.3 故障排除

根据发动机故障特点，在发动机再次装配上台后引入台架气源，增强滑油腔的气密压力。后续试验中，发动机各测点振动表现正常，故障特征频率消失，问题得到解决。

5 结论

通过分析某型大涵道比发动机盘腔积油引发的自激振动故障信号特征和积油转子自激振动机理，得出以下几点结论：

(1)积油转子在进入不稳定区之前在频谱上并无明显的故障频率特征，当进入不稳定区自激振动后出现特征频率，且振幅成指数倍增长，迅速成为频谱中的主频；特征频率为低于当前转频的某阶转子-支承系统的临界转速，本文故障为第4阶。

(2)当积油转子进入自激振动后，转速逐步降低至低于不稳定区下边界时，特征频率的振幅降低缓慢，存在明显的滞后性。

(3)本文出现盘腔积油自激振动故障的航空发动机在高压压气机二级盘前后鼓筒均采用了甩油孔结构，但仍无法完全避免因积油产生的自激振动，应在漏油的根源上解决问题，加强对滑油系统的密封，避免或减少滑油进入压气机盘腔的可能性。