某型渦扇發(fā)動機高壓轉(zhuǎn)靜子碰摩故障研究

何俊杰，高曉果，姜廣義，劉 洋

某型渦扇發(fā)動機高壓轉(zhuǎn)靜子碰摩故障研究

何俊杰，高曉果，姜廣義，劉 洋

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽110015）

基于某型雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機高壓轉(zhuǎn)、靜子在工作中發(fā)生的碰摩現(xiàn)象，通過碰摩消除前后的整機振動響應(yīng)對比，總結(jié)了高壓轉(zhuǎn)、靜子碰摩的典型振動特征，結(jié)合碰摩特點及相關(guān)振動理論研究，建立了高壓壓氣機轉(zhuǎn)、靜子碰摩模型，應(yīng)用龍格庫塔(Rung-Kutta)法求解模型特定轉(zhuǎn)速下碰摩位置振動響應(yīng)的頻譜圖。計算與試驗結(jié)果表明：雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)發(fā)動機發(fā)生轉(zhuǎn)、靜子碰摩時靠近碰摩位置的機匣振動響應(yīng)會出現(xiàn)次諧波、高次諧波和組合諧波成分，且隨碰摩接觸面積的增加而增加。

碰摩；雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)；振動特征；高壓壓氣機；渦扇發(fā)動機；轉(zhuǎn)子；靜子

0 引言

轉(zhuǎn)、靜子碰摩是航空渦扇發(fā)動機常見的振動故障之一，如果轉(zhuǎn)子葉片經(jīng)常受到碰摩，長期受到?jīng)_擊作用，就可能導(dǎo)致斷裂，引發(fā)嚴(yán)重故障。因此，研究渦扇發(fā)動機轉(zhuǎn)、靜子碰摩振動特征，特別是早期碰摩特征，采取相應(yīng)的措施，避免嚴(yán)重碰摩故障和繼發(fā)性故障，對渦扇發(fā)動機的健康運行具有重要意義。目前,國內(nèi)外對轉(zhuǎn)、靜件之間碰摩問題的研究多局限于單轉(zhuǎn)子系統(tǒng)碰摩[1-6]，而對雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)碰摩故障研究較少。然而，對于航空渦扇發(fā)動機雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)碰摩的振動特性及故障診斷具有不同于常規(guī)單轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的顯著特點。在以往的雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)碰摩研究中，大都只是從理論層面描述碰摩現(xiàn)象和特征[7-15]，很少涉及到雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機實際碰摩現(xiàn)象和特征。

本文基于某型雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機高壓轉(zhuǎn)、靜子碰摩現(xiàn)象，從理論和試驗2方面研究了其發(fā)生碰摩時的典型振動特征。

1 臺架振動測點分布

某型渦扇發(fā)動機主機振動測試系統(tǒng)包含4個測點，分別位于進(jìn)氣機匣和中介機匣的垂直位置、渦輪后機匣水平和垂直位置，如圖1所示。各測點均采用加速度傳感器，其中測點1、3跟蹤低壓轉(zhuǎn)子1倍頻振動，測點2、4跟蹤高壓轉(zhuǎn)子1倍頻振動，同時各測點的譜圖顯示在測試系統(tǒng)界面內(nèi)。

圖1 振動測試系統(tǒng)測點位置

2 碰摩消除前后發(fā)動機的振動響應(yīng)曲線

2.1 時域振動對比

某臺份渦扇發(fā)動機高壓轉(zhuǎn)子葉片與靜子蜂窩之間由于間隙過小，在臺架試車中出現(xiàn)測點2振動值超限，3維譜圖頻率成分復(fù)雜的現(xiàn)象。發(fā)生碰摩時的振動曲線如圖2所示。

圖2 碰摩時的試車振動曲線

調(diào)整高壓壓氣機轉(zhuǎn)子葉片和靜子蜂窩之間的間隙后，再次進(jìn)行整機試車，測點2振動值沒再發(fā)生超限現(xiàn)象，各測點振動值均在限制值以內(nèi)，碰摩故障消除，其后的試車振動曲線如圖3所示。

圖3 碰摩故障消除后的試車振動曲線

2.2 頻域譜圖對比

發(fā)生碰摩時各測點的3維譜如圖4所示。

從圖中可見，測點2振動值超限時，各測點的3維譜都表現(xiàn)為高壓轉(zhuǎn)子1倍頻分量值最大，低壓轉(zhuǎn)子1倍頻分量值相對較??；但在測點2的3維譜上還有高壓轉(zhuǎn)子的0.5倍頻、2倍頻和高低壓轉(zhuǎn)子的組合頻（N1+N2和 2N1+N2）。

碰摩消除后發(fā)動機慢車到中間的3維譜如圖5所示。其中，測點2中只有幅值很小的高壓轉(zhuǎn)子1倍頻，高壓轉(zhuǎn)子的0.5倍頻、2倍頻和高低壓轉(zhuǎn)子的組合頻率沒再出現(xiàn)。其他測點主要為高低壓轉(zhuǎn)子的1倍頻，且振動值較小。

圖4 磨合試車碰摩振動大時的3維譜

圖5 排故試車時的3維譜

據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析和碰摩故障的經(jīng)驗，某型渦扇發(fā)動機高壓壓氣機轉(zhuǎn)、靜子碰摩具有以下4個典型特征：

（1）各測點都表現(xiàn)為高壓轉(zhuǎn)子1倍頻振動顯著，靠近碰摩位置的測點2處還有高壓轉(zhuǎn)子0.5倍頻、高壓轉(zhuǎn)子2倍頻和高低壓轉(zhuǎn)子的組合頻率（N1+N2和2N1+N2）。

（2）測點2振動信號中的高壓1倍頻隨轉(zhuǎn)速增大而增大，并且在達(dá)到最大轉(zhuǎn)速前超限。

（3）在碰摩消除后，測點2正常的振動譜中只有高壓轉(zhuǎn)子的1倍頻，且振動值很小。

（4）發(fā)生碰摩時，隨轉(zhuǎn)速增大，碰摩面積增加和部位增多，振動值隨之增大。

3 碰摩力方程

當(dāng)高壓壓氣機轉(zhuǎn)子葉片與靜子機匣蜂窩碰摩時，假設(shè)轉(zhuǎn)子與機匣的碰撞為彈性碰撞，Kc為靜子機匣與轉(zhuǎn)子葉片接觸時的徑向剛度，轉(zhuǎn)子葉片與機匣的摩擦符合庫倫定律，f為轉(zhuǎn)子與機匣接觸時的摩擦系數(shù)，α為碰摩點與x軸的夾角，ω為轉(zhuǎn)子角速度，碰摩力模型如圖6所示。

圖6 碰摩力模型

轉(zhuǎn)子軸心與機匣中心的相對位移為

式中：x1、y1分別為轉(zhuǎn)子中心位置坐標(biāo)；x2、y2分別為靜子機匣中心位置坐標(biāo)。

轉(zhuǎn)子與靜子機匣的非線性碰摩力可表示為

式中：PN為徑向摩擦力；PT為切向摩擦力；δ為轉(zhuǎn)、靜子初始間隙。

在x、y坐標(biāo)系中，摩擦力表示為

其中

碰摩力矩陣可以表示為

4 動力學(xué)方程

某型渦扇發(fā)動機轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析模型如圖7所示。

圖7 某型發(fā)動機轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析模型

基于結(jié)構(gòu)和模態(tài)相似理論對發(fā)動機支承結(jié)構(gòu)簡化，高壓壓氣機轉(zhuǎn)、靜子碰摩模型如圖8所示。圖中k1、c1、k2、c2、k3、c3、k4、c4、k5、c5、k6、c6、kr、cr分別為主安裝節(jié)、輔助安裝節(jié)、機匣、前支承、后支承、轉(zhuǎn)子的等效剛度和阻尼，F(xiàn)1、F2分別為低、高壓轉(zhuǎn)子不平衡量激振力。

圖8 雙轉(zhuǎn)子高壓壓氣機碰摩模型

雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學(xué)方程組為

選取不同的Ωt模擬不同的碰摩接觸面積，調(diào)整彈性恢復(fù)系數(shù)Kc來改變碰摩力的大小，對高壓壓氣機碰摩模型進(jìn)行各種碰摩面積和碰摩力的計算，從而獲得高壓壓氣機碰摩時的振動響應(yīng)特征。在計算中選取低壓轉(zhuǎn)速頻率f1=187 Hz、高壓轉(zhuǎn)速f2=210 Hz，Ω=2πf2，應(yīng)用龍格庫塔(Rung-Kutta)法對式（6）進(jìn)行計算，得到輕微碰摩和較重碰摩時碰摩位置響應(yīng)，分別如圖9、10所示。

圖9 雙轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)、靜件輕微碰摩振動響應(yīng)頻譜

圖10 雙轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)、靜件較重碰摩振動響應(yīng)頻譜

計算結(jié)果表明：

（1）雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)高壓轉(zhuǎn)、靜子碰摩時的機匣振動響應(yīng)會出現(xiàn)次諧波、高次諧波和組合諧波成分，其中高壓轉(zhuǎn)子1倍頻振動最為明顯。

（2）隨碰摩接觸面積的增加，機匣振動響應(yīng)幅值增大。

（3）諧波出現(xiàn)與接觸力和接觸面積有關(guān)。

5 結(jié)論

（1）雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機高壓壓氣機發(fā)生碰摩時，靠近碰摩位置的機匣振動響應(yīng)會出現(xiàn)較復(fù)雜的頻率成分，而遠(yuǎn)離碰摩位置的機匣響應(yīng)不明顯。

（2）在靠近碰摩位置測點的機匣振動響應(yīng)中碰摩轉(zhuǎn)子1倍頻最顯著，同時還伴隨有碰摩轉(zhuǎn)子的分頻、倍頻和2個轉(zhuǎn)子的組合頻，其他位置測點碰摩轉(zhuǎn)子1倍頻振動顯著。

（3）隨碰摩時間增加、轉(zhuǎn)速增大和開車次數(shù)增加，機匣振動響應(yīng)也增大。

[1]Zhang Y M，Wen B C，Liu Q L.Sensitivity of rotorstator systems with rubbing [J].Mechanics of Structures and Machines，2002，30（2）：203-211.

[2]Goldman P，Muszynska A.Chaotic behavior of rotor/stator system with rubs[R].ASME 1993-GT-387.

[3]Muszynska A，F(xiàn)ranklin W D，Hayashida R D.Rotor dynamic instability problemsinhighperformanceturbomachinery[R].NASA-1990-CP-3122.

[4]Turner K,Adams M,Dunn M.Simulation of engine blades tip rub induce vibration[R].ASME 2005-GT-68217.

[5]Kellenberger W.Spiral vibration due to the seal ring in turbogenerators themally induced interaction between rotor and stator[J].Journal of Mechanical Design,1980,102:177-184.

[6]倪振華.振動力學(xué)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1986：63-91.NI Zhenhua.Mechanical vibration[M].Xi'an：Xi'an Jiaotong University Press，1986：63-91（in Chinese）

[7]高艷蕾，李勇，王德友.轉(zhuǎn)子-機匣系統(tǒng)碰摩故障特征試驗研究[J].航空發(fā)動機，2002（4）：16-21.GAO Yanlei，LI Yong，WANG Deyou.Experimental study of rubbing fault of rotor-case system[J].Aeroengine，2002（4）：16-21.（in Chinese）

[8]王德友.旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)靜子碰摩特征 [J].航空發(fā)動機，1998（2）：37-41.WANG deyou.Rotating machinery rotor stator rubbing characteristics[J].Aeroengine，1998（2）：37-41（in Chinese）

[9]晏礪堂，王德友.航空雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機動靜件碰摩振動特征研究[J].航空動力學(xué)報，1998，13（2）：173-176.YAN Litang，WANG Deyou.Aviation dual rotor engine stator rubbing vibration characteristics of touch research[J].Journal of Aerospace Power，1998，13（2）：173-176.（in Chinese）

[10]王德友.發(fā)動機轉(zhuǎn)靜件碰摩振動特征的提取與理論研究[D].北京：北京航空航天大學(xué),1995.WANG Deyou.Extraction and theory research of engine rotor and stator rubbing vibration characteristics[D].Beijing：Beihang University.（in Chinese）

[11]孟越，李其漢.應(yīng)用整體傳遞系數(shù)法分析復(fù)雜轉(zhuǎn)子系統(tǒng)轉(zhuǎn)靜件碰摩振動特征[J].航空動力學(xué)報，2003，18（1）：146-150.MENG Yue，LI Qihan.Application of whole transfer coefficient method for the analysis of complicated rotor system with rubbing vibration characteristics[J].Journal of Aerospace Power，2003，18（1）：146-150.（in Chinese）

[12]單穎春，劉獻(xiàn)棟，何田，等.雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)碰摩有限元接觸分析模型及故障診斷[J].航空動力學(xué)報，2005，20（5）：789-794.SHAN Yingchun，LIU Xiandong，HE tian，et al.Dual rotor system with rub impact finite element contact analysis model and fault diagnosis[J].Journal of Aerospace Power，2005，20 （5）：789-794.（in Chinese）

[13]Lin F，Schoen M P，Korde U A.Numerical investigation with rub related vibration in rotating machinery [J].Journal of Vibration and Control,2001，7（6）：833-848.

[14]胡絢，羅貴火，高德平.反向旋轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子穩(wěn)態(tài)響應(yīng)計算分析與試驗[J].航空動力學(xué)報，2007，22（7）：1044-1049.HU Xuan，LUO Guihuo，GAO Deping.Numerical analysis and experiment of counter-rotating dual-rotor's steady response[J].Journal of Aerospace Power，2007，22（7）：1044-1049.（in Chinese）

[15]羅利軍.軸承-轉(zhuǎn)子-機匣系統(tǒng)碰摩的非線性動力學(xué)特性研究[D].石家莊：河北工業(yè)大學(xué)，2006.LUO Lijun.Study on nonlinear dynamics characteristics of box system bearing rotor rubbing [D].Shijiazhuang：Hebei University of Technology，2006.（in Chinese）

Rubbing Failure Study on High Pressure Rotor-Stator of a Turbofan Engine

HEJun-jie， GAO Xiao-guo， JIANG Guang-yi， LIU Yang
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China）

Based on the rubbing phenomenon occurs in the process of high pressure rotor-stator for a twin spool turbofan engine,the contrast response of engine vibration was analyzed before and after rubbing elimination.A typical vibration characteristic of high pressure rotor-stator rubbing was summarized.The rotor-stator rubbing model of high pressure compressor was built based on rubbing characteristics and relative vibration theory.The model under certain rotation spectrum of vibration response for friction touch position was solved by Runge Kutta method.The calculation and experimental results show that the rubbing location of dual-rotor engine near the casing vibration response will be harmonic,high harmonic and harmonic components,which increases with the rubbing contact area.

rubbing;twin spool system;vibration characteristics;high pressure compressor;turbofan engine;rotorp;stator

V263.6

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2015.01.013

2013-12-18

航空動力基礎(chǔ)研究項目資助

何俊杰（1981），男，碩士，工程師，從事航空發(fā)動機整機振動測試研究與試驗工作；E-mail：hwn201109@163.com。

何俊杰，高曉果，姜廣義，等.某渦扇發(fā)動機高壓轉(zhuǎn)靜子碰摩故障研究[J].航空發(fā)動機，2015,41（1）：66-69.HEJunjie，GAOXiaoguo，JIANG Guangyi，et al.Rubbingfailurestudy on high pressurerotor-stator of aturbofan engine[J].Aeroengine，2015,41（1）：66-69.

（編輯：沈廣祥）