某核心机振动异常问题分析与解决

许旭莹 ,周玉昭

中国航发沈阳发动机研究所 沈阳110015

摘要：针对核心机试验中出现的异常振动问题，开展了振动测试数据的频谱分析和轴向力试车拟合数据分析。根据轴承相关参数计算其故障频率及其与转速关系，定位了异常振动信号来源；通过对不同试车次轴向力数据的比较，找到了问题试车次轴向力轻载的原因。结果表明：更换高压涡轮转子叶片后流阻特性改变和地面供气压力过大是造成轴向力显著降低、轴承轻载打滑、振动测试频谱中出现异常振动信号的原因。

关键词：航空发动机；核心机；整机振动；轴向力

1引言

在航空发动机领域，整机振动超限或整机振动异常一直是困扰整机试验的重要问题，在型号研制中频繁发生，其成因复杂，解决措施周期长、成本高。例如，某航空发动机在研制试脸过程中出现了轴向异常振动, 该振动頻率与转子转速不成固定比例关系, 且幅值较大，为排除这个异常现象进行了一系列的试验、测试和分析工作, 最终找到了轴向力不足是引起振动异常的直接原因[1]。与上例相同的是，本文研究的也是某核心机进行加温加压试车过程中出现的异常振动问题，不同的是异常振动信号同时出现在水平和垂直测点中，且与发动机转速相关。为了确定问题原因，本文进行了深入分析。

2振动异常现象原因分析

2.1 振动测试数据分析

某核心机进行加温加压试车过程中，主机各振动测点频谱中均发现转子1倍频两侧出现对称的异常频率成分，水平测点比垂直测点表现明显，后支点水平测点表现最为明显。问题发生时，核心机进气温度为35～45℃、进气压力为110～120kPa，发动机物理转速在10560～10890rpm范围内。异常频率成分出现时振动频率幅值远大于转子1倍频幅值，对称频率成分为N±0.43N，同时频谱中还有相对明显的0.43N。初步分析异常频率为0.43N，与转子频率调制后出现N±0.43N的频率成分。整机振动监测值最大幅值为11mm/s，低于限制值，但随转速增加其幅值相应增大，有超限风险。该异常振动现象导致试验中断，所以必须进行振动原因分析并采取解决措施保障后续试验顺利进行。

2.2 异常振动的影响因素

在排查了测试信号问题、测试传感器安装问题、环境噪声影响、机匣附件转子振动、附件机匣齿轮啮合振动、泵工作频率影响、发动机转子不平衡、机匣振动、附件振动、管路振动、前支点振动和后支点振动等相关因素后，确定了异常振动信号的来源为前支点轴承组件。

根据轴承参数相关数据，计算主支点轴承组件在10860r/min物理转速下的轴承故障频率及其与转速关系。计算结果显示前支点保持架旋转频率为0.43，后支点保持架旋转频率为0.46，均与异常频率接近，前支点吻合度更高。但由于常温常压试车10500r/min以上主机频谱无异常，异常情况出现在后半段加温中，相同的转速常温常压试车振动频谱无异常，初步分析加温主要影响转子轴向力，而对相同转速轴承的工作温度、压力、润滑情况影响较小，即后支点滚棒轴承组件的可能性很小，前支点轴承组件的可能性很大。前支点轴承保持架故障特征频率与本次上台振动异常频率一致，即本次上台振动测试异常频率为前支点轴承保持架故障特征频率。

2.3振动机理分析

从典型振动故障机理上来看，对于外圈不转，内圈转的轴承，滚动体大小不均、内外圈偏心引起的振动会出现滚动体的公转频率（即保持架转速频率fc）,又有转轴的转动频率f，两者的组合效应产生的振动频率为f±nfc(n=1,2……)，对于外圈不转，内圈转的轴承实际工作中保持架的特征频率的经验公式为：

fc=（0.381～0.4）f

保持架特征频率计算公式为，其d为滚动体直径、D为节径、α为接触角、f为旋转速度。通过对前后轴承结构尺寸的计算得到前后支点保持架特征频率分别为(0.443～0.447)f和0.46f。

综合上述的分析认为此次振动异常频率是轴承保持架特征频率引起的可能性较大，但并不一定表示轴承保持架存在故障，很有可能与轴承工作过程中的不稳定相关，比如轴承存在倾角或者工作中外环和轴承座有相对滑动导致。前后支点保持架特征频率基本一致，但综合分析认为前支点的可能性更大。

2.4轴向力数据分析

异常频率出现在某加温加压试验过程中，轴向力为0.5KN左右，呈轻载状态。以往试车次在相同的试车状态轴向力在2KN左右，与本次试车表现存在差异。针对此问题，结合以往试车数据，得到以下三点现象：

1)本次试车轴向力较以往偏低，点状图1显示03、04次试车轴向力在相同状态时均高于05、06次试车轴向力（异常振动出现在06次试车中）；

2)本次试车轴向力变化规律较以往有所变化：点状图1显示03、04次试车轴向力随转速增加而增加，05、06次轴向力随转速增加先降低后增加；

3)点状图2显示加压会造成轴向力减小，但以往试车次高转速状态下加压轴向力变化更小。

上述现象说明，本次异常频率出现时轴向力异常偏低，因此找到轴向力较以往偏低的原因就是解决问题的关键。

    

图1 常温常压轴向力对比                     图2加温加压轴向力对比

3 轴向力偏低原因分析

3.1 轴向力数据分析

轴向力由两部分组成，F1是流道产生的轴向力，用截面总压的线性组合估算，F3是22个盘腔的轴向力之和，轴向力拟合结果逆气流方向为正。从总的轴向力数据对比上看，异常振动出现的试车次内腔轴向力较以往试车次降低较多，而相同状态下流道产生的轴向力变化较小，所以两次轴向力的差异主要来自于内腔轴向力的变化。

分别计算22个内腔轴向力变化量和变化率，得到换算转速在85%、90%和95%三个状态下的柱状图，发现对轴向力降低贡献最大的是C7、C11和C13三项，如图3所示。此三项相对自身绝对值的变化量约为6%，均与涡轮盘前腔压PK27相关，由于与之相关的腔面积较大，最终造成对轴向力减小的贡献最大。

图3 内腔轴向力占比情况（85%、90%、95%）

PK27腔压变化原因分析：装配了新冷却形式的双层壁高压涡轮工作叶片，新叶片流通能力无对比数据，但从试验结果推断较之前状态略有降低，造成流阻增大，从而使叶片供气腔腔压PK27略有增加。PK27每增加10kPa,轴向力减小约1.9kN。对比发现，异常振动出现的试车次PK27腔压较以往试车次增加12～20kPa，造成的轴向力减小量为2.28～3.8kN。

此外，C1和C3两项相对自身的变化率最大，约为40%，其中C1减小量在总量中的影响也占有较高的比例。与这两项相关腔压均为前支点封严腔腔压PK17，对比同状态下三次试车数据，异常振动出现的试车次PK17相对以往试车次高约60～70kPa，该处压力升高是由于地面供气压力PK79增加造成的，PK17提高70kPa造成轴向力减小约0.85kN。

轴向力变化相对较大的还包括C15，与之相关联的为涡轮盘后腔腔压PK71a，PK71a两次试车测量值变化不大，仅增加5 kPa左右，但关联面积较大，因此对轴向力的影响较大。通过对比发现其和P3的比例关系基本不变，故PK71a的变化主要是P3的变化造成而非异常升高。

综上所述，在相同状态下轴向力异常偏低的原因主要是以下三点：

1)换装新结构高压涡轮工作叶片造成供气腔腔压上升12～20 kPa，导致轴向力减小约3kN左右；

2)地面供气压力较以往高83～91kPa，导致前支点封严腔腔压上升60～70 kPa，造成轴向力减小约0.85kN；

3)涡轮盘后腔腔压受P3偏大影响较以往略大，造成轴向力减小1 kN左右。

3.2 小结

更换高压涡轮转子叶片后流阻特性改变和本次试车地面供气压力过大造成轴向力显著降低，导致在异常振动出现的转速、加温加压状态下轴承处于极度轻载状态，从而引起轴承轻载打滑，拖动力下降，保持架和滚珠的运行状态不稳，存在相互带动的可能，引起主支点轴动保持架工作状态异常，最终在核心机各振动测点频谱中出现保持架频率、保持架和转子的调制频率。

4 异常振动问题解决措施

为消除异常振动对后续试验的影响，试验前通过以下措施改善轴承试车环境，使轴承在合理的载荷下运行。

1)调整台架供气压力，降低PK17至150～160kPa范围；

2)调整试车程序，在高转速进行加压试验。

4.1  试车程序

初步形成的试车方案如下：

1)常温常压起动至慢车；

2)相对换算转速85%；

3)加温至45℃，压力不变；

4)升转至95%，温度压力不变；

5)升转至97%，加压至150kPa。

4.2  轴向力预估

现根据问题发生次试车轴向力计算结果预估在更高转速加压时的轴向力变化情况。从轴向力变化趋势上看，在更高的转速下轴向力有增加的趋势（流道轴向力增加更多），但由于采样试车次稳态仅开展过最高相对换算转速95%条件下的性能录取，缺少更高转速的试验数据，仍以相对换算转速95%时的轴向力进行预估，此时的轴向力为2.49kN，叶片供气腔腔压PK17调整后预估轴向力增加0.85kN，在相对换算转速97%加压至150kPa预估轴向力降低1.5kN，最终评估加压后的轴向力满足轴承承载要求。

5 结论

发动机研制过程中，核心机试验是对主机性能和结构设计水平最重要的检验环节，因此对核心机试验过程中发现的任何异常都不能放过。本次异常振动信号发生时，单一从限制值角度看其振幅不大，但其产生的原因却能影响试验数据的准确性。找到问题根源，理清试验状态，才能充分保证试验结果的真实性和数据的有效性。本次异常振动问题的排故经验可为类似问题提供以下几点参考借鉴。

1)频谱图出现异常振动信号是非常重要的数据异常现象，往往预示着发动机硬件状态变化、结构件损坏或使用条件改变，只有先排除异常现象才能保证试验结果准确有效，不能单一按各监控参数的限制值进行试验保障；

2)结合核心机多次试验的轴向力数据，通过定量计算的方法识别出影响轴向力变化的主要因素，最终定位了问题原因为更换高压涡轮转子叶片后流阻特性改变和本次试车地面供气压力过大；

3)核心机硬件的状态改变往往会带来系统变化，如流阻特性变化导致压力、温度、流量变化，叶片结构变化导致相关的腔温、腔压改变，腔压变化会导致核心机轴向力变化，进而影响轴承使用环境，造成其无法正常工作；

4)核心机试验往往需要各种台架设备保障，供气、供水、供油等试验环境压力、温度的参数虽然给定了使用范围，但为了保证不同试车次能够进行有效的数据比较，其数值尽量不要波动太大，应保持一定的连贯性。

参考文献：

[1] 赵黎、陈大力、刘金南等.某航空发动机轴向振动异常现象测量与分析.北京：第11届全国转子动力学学术讨论会（ROTDYN2014）论文集（下册）.2014