某航空发动机涡轮碰摩振动故障诊断.pdf

某航空发动机涡轮碰摩振动故障诊断袁宏，郭晓强，刘忠华( 西安航空发动机( 集团) 有限公司设计所西安7 1 0 0 2 1 )■要：本文介绍了某航空发动机由涡轮转子与静止部件碰摩引起的振动故障的诊断方法和实例分析．关■词：发动机：涡轮：碰摩：稳态：动态：频谱分析1 引言转子与静止件的碰摩引起振动超限是航空发动机常见故障在高转速的航空发动机中，为了追求高效率，往往把级间密封、叶片顶隙设计得较小，以减少气体泄漏但是，过小的间隙除了会引起流体动力激振之外，还会发生转子与静止部件的碰摩叶片与机匣之间的碰摩是机械失效的主要原因之一，轻者引起叶片与封严件的磨擦损伤，降低性能，重者造成严重事故因此，必须提高航空发动机碰摩故障的准确率、减少发动机分解检查部件的数量、避免事故的发生本文介绍了某双转子发动机常见的涡轮碰摩故障的诊断方法2 碰摩故障诊断的难点地面旋转机械的振动测试一般可以赢接测试转子的振动，航空发动机特别是批产发动机的振动测试，振动传感器往往只能安装在机匣外部，不能直接测试转子的振动，加之其结构复杂、外挂附件多、分解检查费用高、对振动故障诊断的准确性要求很高因此，如何提高振动故障的准确率是航空发动机振动故障诊断的难点。

3 振动传感器测点布置该发动机的涡轮由2 级低压涡轮转子、2 级高压涡轮转子、涡轮导向器机匣、导向叶片和高、低压涡轮轴承机匣组成高压涡轮轴承和低压涡轮后轴承采用弹性支承n( 1 ) 批产台架试车：3 个测撮传感器一个安装在低压压气机前安装边( 前支点) ；一个安装在喷嘴支架上( 中支点) ；一个安装在外函道低压涡轮滑油供油管接头上( 后支点) 2 ) 前、中、后支点的报警值分别为：5 lum 、6 3u m 、7 6 u m 3 ) 三个振动测试点对发动机振动的敏感程度：前支点振动传感器安装在低压压气机前安装边，对低压压气机和低压涡轮转子振动非常敏感2 5 9中支点振动传感器安装在喷嘴支架上，主要反映高压压气机和高压涡轮转子振动情况后支点振动传感器安装在外函道低压涡轮滑油供油管接头上，主要监测高压压气机和高低涡轮转子振动情况4 测试系统组成发动机振动测试分析系统如图1 圈1 发动机振动测试分析系统5 转子与静止件碰摩的故障特征5 ．1 局部动静件碰摩的故障特征当转子与静止件发生接触瞬间，转于刚度增大；被静止僻：反弹后脱离接触，转子剐度减小，并且发生自由振动( 大多数按一阶包振频率振动) 。

因此，转子刚度在接触和菲接触两者之间变化，变化的频率就是转子的涡动频率转子的强迫振动、碰摩自由振动和摩擦涡动叠加到一起，产生出复杂、特有的振动响应频率由于碰摩力是不稳定的接触正压力，时间上和空间位置上都是变化的，因而摩擦力具有明显的非线性局部摩擦引起的振动频率中包含不平衡引起的转速工频f ，同时摩擦振动是非线性振动，所以还包含2 ×、3 ×、4 ×、⋯等一些高次谐波和低次谐波振动，在频谱图上会出现低次谐波成分f ／n ，重摩擦时n = 2 、时域波形严熏削波，轻摩擦时n = 2 ，3 ，4 ，⋯、时域波形轻度削波次谐波的范围取决于转子的不平衡状态、阻尼、外载荷的犬小、摩擦副的儿何形状以及材料等因素，在阻尼很高的转子系统中可能不出现次谐波振动5 ．2 转静件整圈碰摩的故障特征当转子与静止件的碰摩接触弧度增大或发生全周的摩擦时，由于转子与静止件之间具有很大的摩擦力，转子处于完全失稳状态此时很高的摩擦力可使转子由正向涡动变成反响涡动同时在时域波形图上会发生单边波峰“削波”现象其发展过程如下：在刚开始发生碰摩时，由于转子不平衡，旋转工频成分幅值较高，高次谐波中的第二、第三次诣波一般并不高，但第二次谐波幅值必定高于第三次谐波。

随着转子摩擦接触弧度的增加，由于摩擦起到附加支承作用，使旋转工作频率幅值有所下降，第二、第三次谐波幅值由于附加的非线性作用而有所增大当转子在超过临界转速肘，如果发生大弧度或全周的摩擦接触．将会产生一个很强的摩擦切向力，引起转子的完全失稳这时转子的振动响应中具有很高的亚异步成分( 即次谐波) ，一般以转子发生摩擦时的一阶自振频率为主蜂( 与未摩擦时的转子一阶固有频率不同，因摩擦时相当于增加一个支承．自振频率会有所升高) ，此外，还会有基频和谐波之间的和差频成分，高次谐波则不处于共振状态而消失6 振动故障实例6 ．1 实倒1低压压气机转子、高压涡轮转子、低压涡轮转子3 个转子不平衡引起的碰摩故障6 ．1 ．1 振动故障现象后支点、前支点振动随发动机转速升高而增大，当离压转子转速平稳上升到1 1 2 8 6 r ／m i n以上时，后支点振动增幅较快，报警后拉停车6 ．1 ．2 振动测试及分析高压转速从慢车到1 2 3 8 7 r ／m i n 状态的升降速过程中，跟踪高压转子转速，同时测试前、中、后支点振动和低压转子转速从表1 、表2 的测试数据分析和圈2 、图3 中，可以看出各测点的主要振源特征：( 1 ) 高压转速高于7 6 5 8 r ／m i n 以后，前支点振动总量一直在3 3 ．8 I ／m ( p - p ) 和6 6 ．9 um ( p - p )之间，基本上随转速的升高而增大；后支点振动总量随转速的升高增幅很快。

2 ) 高压转速低于8 8 2 4 r ／m i n 咀下的振动是低压转子和高压转子不平衡伴有高低压部分的局部轻微转静碰摩，三个测点的振动以低压转子不平衡产生的振动为主 3 ) 高压转速在8 8 2 4 r ／m i n 至1 1 7 2 3 r ／m i n 之间时，前支点振动的振源是低压转子不平衡，并且伴有低压部分的局部重度转静碰摩和高压部分的局部轻微转静碰麾后支点振动的振源是高压转子和低压转子二者都不平衡产生的振动，由于离、低压转子不平衡量较大，将各自的碰摩产生的次谐波和高次谐波淹没( 见圈2 、图3 ) ) 中支点振动始终正常，说明高压压气机工作良好，高压部分的不平衡和转静碰摩故障应发生在高压涡轮部分6 ．1 ．3 诊断结论该故障的振源为低压转子不平衡、高压涡轮不平衡并且发生低压转子与静止件径向局部重度碰摩，高压转子与静{ 上件径向局部轻微碰摩2 6 l表I前、中、后支点振动总量随转速的变化6 4 6 52 6 6 52 0 ．L1 4 ．8Z 0 ．2衰2在前、中、后支点振动频谱圈中，备频率分量随转速的变化高压工频低压工频振动频率含量( H z ) ( 频率分量按幅值大小排序)f ．( H z )f 2 ( H o )前支点中支点后支点1 0 7 ．84 4 ．4f t 、f 1 、2 f , 、4 f ,f 2 、￡、2 f l厶、3 岛、2 f l1 2 7 ．65 2 ．9如f 2 、f _ 、2 f tf hf l1 4 7 ．16 0 ．6f ，，1 ／4f - 、2 f i 、3 f t 、2 f t 、5 f ,f l 、岛、2 岛E 、如、2 f I1 5 6 ．66 4 ．6f t 、l ／2 ^ 、2f t 、3f 。

f l 、f 2f I 、f 2 、2 f l1 6 2 ．86 7 ．51 ／2f I 、f I 、2 f J 、4f If ．、I ／2f 2 、1 ／3f ：、3 ／4 f zf 【1 ／3f t 、I ／4 f 2f ±、f 2 、已、l ／2 ^ 、 1 8 8 ．11 2 6 ．5f ni ／3 f 卜2f j 、 5 ／4 f ，、0 ．8 8 f - 、2 f , 、2 f -2 厶￡、2 f 2 、I ／2 f1 9 1 ．51 2 8 ．8f ±Ⅲf2 厶、2 f J 、I ／2 f { 、4 f 2f I 、厶 f 2 、2f I 、4f I 、f z 、f hI ／5 f n2 厶、I ／4 f 1 、f ㈨f1 9 3 ．61 3 0 ．3f l 、凡 2f 】、4 厶2 岛、2 ￡f ．、f 2 、t ／4f 1 9 5 ．41 3 1 ．31 ／2 f ¨f { 、f 1 ．2 f 2 、2 f l 、4 f ?f I Ⅲf1 ／2 f ： 2 岛、2f 振动报警停车左图为前支点振动，右圈为后支点擐动圈2 高压转速i 1 7 2 3 r i Ⅻ时，前支点和后支点振动时域波形、频谱圈左图为前支点振动．右圈为中支点振动圈3 高压转速1 1 7 2 3 r p m 时，前支点和中支点振动时域波形、频谱图6 ．i ．4 发动机分解检查低压压气机转子、高压涡轮转子、低压涡轮转子3 个转子初始不平衡量均超差，特别是低压压气机转子、低压涡轮转子初始不平衡量超差严重。

低压涡轮1 级转子叶片叶冠、凸边与低压1 级涡轮扇形封严件有明显的局部磨损痕迹，高压转子径向局部轻微碰摩6 ．2 实例2高压涡轮不平衡引起的碰摩振动超限故障a62 ．I 振动故障现象当高压转速在8 8 4 8 r ／m i n 左右时，中支点振动偏大、后支点报警；在8 8 4 8 r ／m i n 和1 1 9 9 6 r ／m i n 之间时，中、后支点振动值正常；当工作在高压转速的1 1 9 9 6 r ／m i n 以上时，后支点振动超限报警并且随转速的升高而振动增幅显著：前支点振动始终正常6 ．2 ．2 振动测试与分析高压转速从慢车到的1 2 3 8 7 r ／m i n 状态的升降速过程中，跟踪高压转子转速同时测试前、中、后支点振动和低压转子转速经分析该发动机的前、中、后测点振动具有以下特点：( 1 ) 后支点振动在高压转子工频的0 ．3 3 倍谐波分量在高转速状态下幅值很高( 4 0um峰值) ，详见0 ．3 3 倍频下的幅值一转速图( 图4 、图6 ) 2 ) 在发动机工作在高压转速的1 1 9 9 6 r ／m i n 以上．后支点振动主频率为高压工频的1 ／3左右且含有1 ／4 、1 ／2 次谐波，振源是高压涡轮转子与静止件碰摩( 详见图7 ) 。

3 ) 在1 倍频幅值一转速图中，中支点和后支点振动峰值均出现在高压转速的8 8 4 8 r ／m i n左右( 详见圈4 、图5 、图8 、图9 ) ，振源为高压转子不平衡园该发动机的临界转速在8 8 0 0 r ／m i n 左右( 见图1 0 ) ，当转子不平衡量超限时在该区域振动出现较大峰值 4 ) 前支点振动正常( 图略)圈4盾支点振动增速过程瀑布图图5中支点振动增速过程瀑布图4 0 ．目3 2 ．T2 4 ．S1 6 ．48 ．22 8 ．42 2 ．Tl 丁．o1 1 ．45 ．7图6 增速过程后支点振动0 ．3 3 倍频下，位移峰值一转速圈图7高压转速在1 2 0 4 5 转／分状态下，后支点振动位移峰值一频率图阶次辅速幅僚阶次转速幅值阶、戈转速幅值1 ．0 1 X躺瑚4 T ．0 74 T13 7 ．72 8 ．21 8 ．8g4躅8 增遽过程后支点振动l 倍频下，位移峰值一转速圈l0 l X8 9 2 02 B ．5 T2 6 ．62 I3l e ．01 0553图9 增速过程中支点振动1 倍频下，位移峰值一转速图IO O X∞4 3l qB 81 9 ．T1 571 1 ．8T ．鲁3 ．鲁图1 0 正常发动机后支点1 倍频下，位移峰值一转速图6 ．2 ．3 诊断结论高压压气机转子不平衡、高压涡轮转子与静子件碰摩。

6 ．2 ．4 发动机分解检查结果高压压气机转子及涡轮不平衡：高压涡轮转子叶片叶冠与封严件局部碰摩痕迹明显7 结论7 ．1 涡轮径向碰摩的振动症兆及分析涡轮径向碰摩是航空发动机的常见故障，并且大多数为径向局部碰摩在振动监测与诊断时，应同时跟踪高低压转子的转速、分别研究发动机各测点振动的时域波形、工频、高次谐波和低次谐波振动的组成、发展趋势和动静态规律，有条件的应同时监测X 和Y 方向的振动，分析轴心轨迹和进动情况，分析各点振动与高低压转子的相关性，才能更准确地诊断出振源7 ．2 可能造成涡轮径向盛摩的原因设计和制造原因导致的间隙偏小；装配原因导致转子与机。