航空发动机振动故障诊断技术及发展趋势

郑帅

摘要：在我国进入21世纪迅猛发展的新时期，随着发动机对性能要求的提高，先进的发动机涡轮工作叶片为满足气动性能要求，一般设计成薄而长的结构形式，这样的叶片构型由于刚性较低，容易引起叶片共振和颤振的危险。因此，工程上为提高展弦比较高的涡轮叶片的刚性，在叶片顶部均设计了带冠结构，该结构利用叶片的解扭和热膨胀变形，亦或是装配时产生的叶片预扭来保证叶冠之间工作面的相互抵紧，从而使叶冠形成一个环形的整体，将叶片由悬臂态转变为简支状态，提高了涡轮叶片的整体刚度，同时，相邻叶冠抵紧面之间的振动摩擦还可以形成阻尼，消耗叶片的振动能量，起到叶片减振效果。但是，叶冠与叶冠工作面之间的接触摩擦具有明显的非线性，因此，采用常规的带冠涡轮叶片模型获得的模态结果精度很难保证，这就给带冠叶片的振动设计带来了很大的困难。

关键词：航空发动机;振动故障;诊断技术;发展趋势

1概述

振动是航空发动机的一个重要监控参数，发动机在进行试验时，需要解决各种振动问题。发动机振动之所以特别重要，是因为振动直接影响发动机的正常工作和寿命，如果发动机出现振动异常而不及时加以检查排除，就有可能造成严重的后果。因此，航空发动机振动故障诊断一直都是航空发动机试验测试中的一个重要研究课题。

2航空发动机振动故障诊断技术及发展趋势

2.1管路防振设计分析

对于航空发动机管路的防振设计，一是检查管路的自振频率与发动机转速频率是否有共振，如有共振，需要进行调频设计;二是检查管路的振动应力，如果振动应力大于许用应力，就要改进管路的支承固定、改进有关的附件支承固定，或者采用各种减振措施，使管路的振动应力降到许用应力水平。

2.2共振故障诊断技术

对于亚音速收敛型尾喷管，一般为薄壁壳体构件，由于处在高温高压燃气环境中，工作环境极其恶劣，且尾喷管具有自身尺寸大、壁厚薄、刚性弱的特点，在发动机整机试验或外场飞行中易于出现振动大甚至局部开裂的故障，影响发动机整机的安全性、可靠性和结构的完整性。同时，过大的振动会影响发动机气流通道的形状、气体流动规律和部件性能效率，甚至会将大的振动传递给飞机，进而影响飞机的飞行品质和安全性，因此防止高频振动是薄壁尾喷管结构设计时的一项重要任务。国内外学者对发动机尾喷管开展了相关研究工作，对尾喷管的流动特性进行了数值计算和试验验证;用准线性公式获得了火箭喷管流动中的化学和振动区;对喷管整体结构模型进行了自由振动模态分析，获得了多阶自振频率和模态，为结构改进提供参考价值;对某固体发动机喷管结构进行了自由振动和模态分析，获得了喷管的多阶自振频率和模态;对尾喷管进行了热流固耦合分析，揭示了温度场、流场和结构之间的作用关系;对发动机尾喷口整流结构进行优化改进，采用三维外形参数化、CATIA软件二次开发等技术对三维后体尾喷管进行了多目标优化设计，较大幅度提升了综合性能。国内外学者虽对薄壁尾喷管开展了相关研究，但研究内容相对较少，且未对薄壁构件振动展开深层次分析研究。

2.3两级燃油泵耦合振动特性分析方法和流程

振动特性是指连续质量弹性体结构在无阻尼（或不考虑阻尼）自由振动时的振型和频率，振动特性分析的实质就是求解结构无阻尼自由振动时的振型和频率，并通过分析结构的工作情况，比如离心力等外载荷作用的时频特性等，使结构在实际工作中避开激振源，避免发生共振故障。结构振型和频率的获得通常有两种方法：（1）实验法，比如通过测量结构的频响函数、再进行模态参数识别可得;（2）计算法，可利用基本公式对形状复杂结构进行近似的数值求解，但通常只能用于求解基频;随着计算技术的发展，有限元法发展成工程上常用、可用于更复杂形状弹性体结构振动特性计算的方法。

2.4功率谱分析

在管路高阶频率在工作转速范围内的情况下，应保证管路能承受寿命周期内的振动，管路的振动应力应小于许用应力。为检查管路的振动应力，对管路进行功率谱分析。谱分析是将模态分析与谱联系起来计算结构振动响应的分析技术。功率谱密度是将对时域的振动描述转化为对频域的振动描述，反映了随机过程中统计参量均方值在频域上的分布，也就是振动能量的概率分布。

2.5载荷计算

当发动机转速发生变化时，燃油泵工况（自身转速、泵出燃油的压力和流量）也会发生变化。当飞机地面滑行时，发动机工作在慢车转速下，需油量最小，燃油泵功率最小，即此时燃油泵转速最小、承受的油液扭矩也最小;相反，当飞机最大功率起飞时，发动机在最大转速下工作，需油量最大，燃油泵功率最大，即此时燃油泵转速最大、承受的油液扭矩也最大。本文作者选取发动机慢车至最大起飞工作状态之间的若干工况下，两级燃油泵转动部件的离心力、油液扭矩载荷作为结构含预应力振动特性计算的初始条件。

2.6管路频率计算与调频分析

与原金属管路固有频率对比可知，增加金属软管管路的各阶频率均低于原管路，说明金属软管降低管路的刚度，使管路的固有频率明显下降;且随着阶次的升高，频率差值不断增大。根据标准，带金属软管的管路1、2阶及6～9阶频率均在危险范围内。为使改制后的帶金属软管的管路避开危险范围的频率，对管路进行调频设计。对管路调频时常用方法有调整管路的几何参数、增加卡箍及调整卡箍位置。由于关系工程实际问题，该管路走向是复杂的三维空间，是根据在发动机上的位置、受限空间等进行铺敷，金属钢管的壁厚、直径、弯曲半径、转角角度等尺寸参数无法再做比较大的调整，只能通过增加卡箍及调整卡箍位置进行调频。该管路弯管集中在管路右端，各弯管段较短且远离发动机机匣，无法增加卡箍，因此只能在左端的直线段增加卡箍。该发动机管路使用的卡箍为弹性支承卡箍，用弹性卡箍并垫聚四氟乙烯衬套，固定在弹性支架上，其特点是既能对导管起到支承作用，又具有减振阻尼效果，支承刚度为2×105 N·m。由于卡箍的体积、质量相对于管路都十分小，对于弹性卡箍，可以采用弹簧单元模拟其力学特征。在已有的有限元模型基础上，将弹簧单元添加在卡箍安装位置处的节点。为保证周向刚度均匀，一个卡箍采用2个弹簧单元进行模拟。

结语

航空发动机振动故障诊断技术是多学科知识的综合运用，在实际运用中，为了准确监测和分析发动机的振动特性，有效地诊断并预测发动机的振动故障，必须结合具体对象、目的和要求，选取合理适用的测试系统和处理方法。发展综合振动故障诊断技术，开展振动故障机理研究，是获得满意的监测和诊断效果的有效途径。

参考文献

[1]刘长福，邓明.航空发动机结构分析[M].西安：西北工业大学出版社，2006.

[2]廉筱纯，吴虎.航空发动机原理[M].西安：西北工业大学出版社，2005.