張龍，薛秀生，韓鵬卓，徐春雷

(中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽110015)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)測試技術(shù)研究

張龍，薛秀生，韓鵬卓，徐春雷

(中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽110015)

建立了航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)模型，研制了一套專門用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)測量的測試系統(tǒng)。通過獲取轉(zhuǎn)子葉片葉尖間隙、葉片到達(dá)時(shí)間的信息，采用離散周期信號頻譜分析方法，獲得發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，隨著轉(zhuǎn)速的升高，轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)的幅值、頻率及相位角度均增大。該結(jié)果對發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起指導(dǎo)作用，為轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)主動(dòng)抑制技術(shù)研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)；轉(zhuǎn)子；徑向振動(dòng)；葉尖間隙；葉片到達(dá)時(shí)間；測試技術(shù)；頻譜

1 引言

振動(dòng)過大一直是困擾航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制的技術(shù)難題，其中轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)問題最為常見，嚴(yán)重制約發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展[1]。目前，國外航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)先進(jìn)國家已經(jīng)將轉(zhuǎn)子系統(tǒng)主動(dòng)抑制技術(shù)應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過程中[2]，而國內(nèi)還主要通過優(yōu)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證來解決徑向振動(dòng)問題，對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)主動(dòng)抑制技術(shù)的研究只停留在理論階段[3-4]。由于優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及利用轉(zhuǎn)子系統(tǒng)主動(dòng)抑振技術(shù)的前提，都是要準(zhǔn)確測量轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)信息，所以如何快速、準(zhǔn)確、低成本地對發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)信號進(jìn)行檢測分析，就成為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子故障診斷的關(guān)鍵[5]。

目前，國內(nèi)在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)測試領(lǐng)域還屬于技術(shù)空白。為此，本文開展了轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)測試技術(shù)的研究，首次建立航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)模型，設(shè)計(jì)、組建了一套專門用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)監(jiān)視與分析的測試系統(tǒng)，并通過了試驗(yàn)驗(yàn)證，獲得了某型發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)數(shù)據(jù)。該測試方法屬于非接觸式測量，與傳統(tǒng)方法相比，具有不破壞被測物體，響應(yīng)時(shí)間短、可實(shí)時(shí)直接測量和分析轉(zhuǎn)子振動(dòng)信息，以及適用發(fā)動(dòng)機(jī)范圍廣、靈敏度高等優(yōu)勢[6]。

2 轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)測試原理

工程實(shí)際中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子在機(jī)匣內(nèi)做的是偏心轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)運(yùn)動(dòng)模型如圖1所示。雙點(diǎn)劃線圓為機(jī)匣內(nèi)壁的機(jī)匣圓，圓心為O點(diǎn)，半徑為R；點(diǎn)劃線圓為轉(zhuǎn)子輪廓的轉(zhuǎn)子圓，圓心為P點(diǎn)，半徑為r。

假設(shè)振動(dòng)傳感器安裝在機(jī)匣的A點(diǎn)，轉(zhuǎn)子上的E點(diǎn)掃過形成實(shí)線圓，圓心為O點(diǎn)，半徑為r′。直線AO與轉(zhuǎn)子圓交于Q點(diǎn)，與實(shí)線圓交于D點(diǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)角度α?xí)r，轉(zhuǎn)子由于偏心圓心達(dá)到了P點(diǎn)，轉(zhuǎn)子圓與實(shí)線圓內(nèi)切于E點(diǎn)。此時(shí)，傳感器測得的葉尖間隙值為：

式中：l0為機(jī)匣圓與實(shí)線圓半徑差，l(α)為α的函數(shù)。

根據(jù)實(shí)際情況，解方程得：

發(fā)動(dòng)機(jī)在某一狀態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子葉尖間隙值直流分量R-r、轉(zhuǎn)子振動(dòng)幅值r′-r均可視為常數(shù)，將公式(6)表達(dá)為離散周期函數(shù)形式，即：

式中：i為轉(zhuǎn)子葉片序號，t為轉(zhuǎn)子葉片到達(dá)時(shí)間(s)，f為轉(zhuǎn)子振動(dòng)頻率(Hz)，φ為轉(zhuǎn)子振動(dòng)相位(rad)。

利用電容傳感器測量葉片的葉尖間隙值和葉片的到達(dá)時(shí)間值。實(shí)際應(yīng)用中，固定在機(jī)匣中的電容傳感器構(gòu)成電容的一個(gè)極，而葉片葉尖構(gòu)成電容的另一電極。傳感器與葉尖之間電容值是電極幾何形狀、兩極間距離及兩極間介質(zhì)的函數(shù)。假設(shè)電極的幾何形狀和介質(zhì)為常數(shù)，則電容值只是兩極間距離的函數(shù)，即電容值變化與發(fā)動(dòng)機(jī)葉尖間隙變化存在對應(yīng)關(guān)系。利用葉片到達(dá)信號模型匹配技術(shù)及峰值點(diǎn)檢測技術(shù)，獲得葉片到達(dá)時(shí)間信息。

3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件包括電容式測試探頭，三層雙屏蔽金屬電纜，延長電纜，電容測量模塊，以及數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)等。通過前端傳感器抗干擾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、專用數(shù)據(jù)電纜、抗干擾數(shù)據(jù)采集技術(shù)及硬件濾波技術(shù)的綜合設(shè)計(jì)，解決了測試信號中存在復(fù)雜干擾信號的問題。

3.2 軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件基于LabVIEW自主開發(fā)的PXI轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)測試系統(tǒng)，具有使用靈活、功能多樣、專業(yè)性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)[7]。軟件中針對原始電壓信號，可進(jìn)行葉片葉尖間隙和葉片到達(dá)時(shí)間分析，進(jìn)而對轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)信息進(jìn)行分析。此外，該軟件開放性極強(qiáng)，可進(jìn)行回放功能及相關(guān)參數(shù)分析功能的二次開發(fā)。軟件開發(fā)過程中，還結(jié)合系統(tǒng)硬件，重點(diǎn)進(jìn)行了信號濾波、模型匹配、間隙檢測、葉片到達(dá)時(shí)間計(jì)算、鎖相技術(shù)的軟件編程設(shè)計(jì)，為轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，通過編寫轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)分析子程序，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)測量。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

某型發(fā)動(dòng)機(jī)測試時(shí)，將兩支振動(dòng)測試傳感器分別安裝于壓氣機(jī)一級、二級機(jī)匣內(nèi)，周向位置位于順航向右側(cè)。

試驗(yàn)過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)在最大狀態(tài)停留30 s后拉回慢車狀態(tài)；然后從相對換算轉(zhuǎn)速nˉ=0.5狀態(tài)開始，以固定轉(zhuǎn)速為一個(gè)臺階逐步增速至nˉ=1.0狀態(tài)；每個(gè)臺階穩(wěn)定約60 s，共6個(gè)臺階轉(zhuǎn)速。每個(gè)臺階分別錄取一級、二級轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)曲線，結(jié)果如圖2所示。分析可得：該轉(zhuǎn)速段隨著發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的升高，發(fā)動(dòng)機(jī)一級、二級轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)的幅值、頻率、峰值點(diǎn)相位角度均呈上升趨勢。

對發(fā)動(dòng)機(jī)一級、二級轉(zhuǎn)子各狀態(tài)臺階轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)曲線進(jìn)行頻率-幅度譜、頻率-相位譜分析，其結(jié)果如圖3、圖4所示。通過兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得到一級、二級轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)數(shù)據(jù)對比曲線。

圖5分別給出了轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)頻率、幅值和相位隨發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的變化曲線?？梢?，發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)由0.5上升到1.0的過程中，一級、二級轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)頻率逐漸增加。發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)到達(dá)0.8以前，一級、二級轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)相對幅值逐漸增大約0.20，且二級轉(zhuǎn)子振動(dòng)相對幅值略大于一級轉(zhuǎn)子振動(dòng)相對幅值約0.20；發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)到達(dá)0.8以后，一級轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)相對幅值繼續(xù)增大0.18，二級轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)相對幅值反而減小0.16。一級轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)相位角度增大約50°，二級轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)相位角度增大約80°，且二級轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)響應(yīng)略滯后于一級轉(zhuǎn)子。

5 結(jié)論

建立了某型發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)模型，提出了一種利用轉(zhuǎn)子葉片葉尖間隙及葉片到達(dá)時(shí)間信息測量轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)的測試方法，得到了該型發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，一級、二級轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)頻率逐漸增大，并始終與轉(zhuǎn)速頻率保持一致，說明發(fā)動(dòng)機(jī)一級、二級轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)主要為一階振動(dòng)；一級轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)幅值一直增大，二級轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)幅值先增大后減小，說明二級轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速位于相對換算轉(zhuǎn)速0.8狀態(tài)附近；一級、二級轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)相位角度逐漸增大，二級轉(zhuǎn)子略滯后于一級轉(zhuǎn)子。

(2)試驗(yàn)得到的轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)變化規(guī)律，對優(yōu)化該型發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起到了指導(dǎo)意義。同時(shí)，該試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果充分驗(yàn)證了測試系統(tǒng)的有效性，該測試系統(tǒng)完全可用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)測試。

[1]李國鴻，李飛行.STFT在航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號處理中的應(yīng)用[J].測控技術(shù)，2013，32(4)：45—49.

[2]El-Shafei A，Hathout J P.Modeling and control of HSFDS for active control of rotor-bearing systems[J].ASME Jour?nal of Engineering for Gas Turbines and Power，1995，117 (4)：757—766.

[3]賀爾銘.轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)的理論研究[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，1993.

[4]賀爾銘，顧家柳，陳新海.航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1996，14(3)：371—375.

[5]徐一鳴，劉精宇.發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號虛擬測試系統(tǒng)[J].中國民航學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，22(S0)：154—156.

[6]蔣云帆，廖明夫，王四季.航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子扭振測量新方法[J].振動(dòng)、測試與診斷，2013，33(3)：410—415.

[7]馮德虎，劉滿銀.基于LabVIEW的虛擬測試轉(zhuǎn)子振動(dòng)的研究[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，24(5)：104—108.

Testing technology on rotor radial vibration for aero-engine

ZHANG Long，XUE Xiu-sheng，HAN Peng-zhuo，XU Chun-lei
(AECC Shenyang Engine Research Institute，Shengyang 110015，China)

The radial vibration model for aero-engine rotor was established,and a dedicated test system for the aero-engine rotor radial vibration measurement was set up.By obtaining rotor tip clearance,arrival time information,compressor rotor radial vibration data of an engine was obtained using discrete periodic signal spectrum analysis.The results show that as the speed increases,the rotor radial vibration amplitude,fre?quency and the vibration phase increase.The result is of guiding significance for an engine structure design, and provides the basic data for rotor radial vibration active suppression technology research.

turbine engine；rotor；radial vibration；tip clearance；blade arrival time；measuring technology；spectrum

V231.92

：A

：1672-2620(2017)01-0041-03

2016-04-16；

：2016-08-01

張龍(1986-)，男，遼寧鐵嶺人，工程師，碩士，主要從事發(fā)動(dòng)機(jī)測試研究。