某型航空发动机转子不平衡故障的仿真分析

李书明 张永霖

摘要：航空发动机故障种类繁多，转子不平衡故障是典型的振动故障之一，对航空发动机转子进行不平衡故障的仿真分析可以为航空发动机的维修工作提供参考依据。本文针对某型航空发动机转子建立简化模型，运用有限元法进行不平衡故障的仿真分析。研究表明，低压转子或者高压转子上存在不平衡故障时，高压涡轮盘振幅最大，其次为低压涡轮四级轮盘；高压转子和低压转子同时存在不平衡故障时，转子系统各部件振幅显著增大。

关键词：航空发动机；振动故障；不平衡故障；有限元

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

0 引言

航空发动机是多系统的部件，具有十分复杂的结构，很多不可控因素的影响使航空发动机故障多发，航空发动机故障研究是一个十分重要的课题[1，2]。其中，转子不平衡故障是航空发动机典型振动故障之一，由于转子质量不平衡引起的振动会引起整个发动机的振动，造成严重危害[3]。转子质量不平衡主要由两个原因引起，一是在加工过程中因材质差异或装配误差等而产生，二是在后续运行或者维修工作中转子出现缺陷、划痕或者磨损等所致[4]。

本文针对某型航空发动机的转子系统建立有限元模型，对其进行不平衡故障的仿真分析，包括低压转子不平衡故障、高压转子不平衡故障和高低压转子同时不平衡故障，以探究转子系统部件的振幅情况。目的是通过不平衡故障分析，了解故障造成的影响，为航空发动机维修工作提供参考依据，对振幅较大位置严格规范工作，尽量减少故障的发生率。

1 有限元模型的建立

某型民用航空发动机结构如图1 所示，低压转子由风扇、三级低压压气机和四级低压涡轮组成，高压转子由九级高压压气机和一级高压涡轮组成。

转子支承方式如图2所示，从左至右共5个轴承，编号依次为轴承1、轴承2、轴承3、轴承4和轴承5。低压转子通过轴承1、轴承2、轴承5与机匣连接，高压转子通过轴承3与机匣连接，同时通过轴承4与低压转子相连。轴承4也被称为中介轴承，内圈连接低压转子，外圈连接高压转子，它的存在加强了高低压转子之间的耦合作用。

2 不平衡故障分析

综合分析可知，低压转子或高压转子存在不平衡故障时，高压涡轮盘振幅最大，其次为低压涡轮四级轮盘，因此在航空发动机维修或生产加工过程中应严格控制这两个部件的质量，尽量减少工艺误差。高低压转子同时存在不平衡故障时，4个位置在相应不平衡量频率下的振幅都有显著增大，其中在不平衡量频率为78Hz或者79Hz时增幅最大，在航空发动机维修或设计生产过程中应更加严格规范操作，避免同时存在不平衡故障。

3 结论

采用有限元法对航空发动机转子系统进行了不平衡故障的仿真分析，得到结论如下：

1）低压转子或者高压转子上存在不平衡故障时，高压涡轮盘振幅最大，其次为低压涡轮四级轮盘。

2）高低压转子同时存在不平衡故障时，转子系统各部件振幅显著增大。

参考文献

[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，张华彪.航空发动机整机动力学研究进展与展望[J].航空学报，2011，32（8）：1371-1391.

[4]段聪聪.航空发动机转子建模与不平衡振动响应特性仿真研究[D]. 北京：北京化工大学，2018.

作者简介

李书明，博士，教授，主要研究方向：航空发动机故障诊断、飞机发动机健康管理。

张永霖，硕士，主要研究方向：航空发动机振动。