基于LMS Test.lab的航空發動機整機振動測量與分析

2013-06-04  by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

航空發動機整機振動問題是新機研制中的難題之一,而對整機振動進行有效的測量和分析,建立故障模式和識別系統是解決減振排故問題的關鍵。本文應用LMS Test.lab對某型航空發動機整機振動臺架試驗進行了測量和分析。結果表明,LMS Test.lab對航空發動機整機振動測量與分析具有很好的適用性和有效性。

艾延廷 王志 沙云東
關鍵字:CAE 航空發動機 LMS Test.lab 整機振動 故障診斷

引言
航空發動機的可靠性直接影響到發動機的利用率、經濟效益以及飛機的飛行安全,已成為世界各航空公司以及研究所所關心的主要問題。航空發動機是一個高速旋轉的機械,由于其工作在高溫、高壓、高應力及交變載荷的惡劣條件下,故障率通常較高。航空發動機故障檢測和診斷是保證發動機安全工作,延長發動機使用壽命的一個重要的技術措施,對于增強飛機適航性、降低飛機維修費用和減少飛行事故都具有十分重要的意義。
整機振動故障一直是航空發動機生產和使用中的主要問題之一。特別是隨著科學技術的發展,航空發動機的推力、轉速、動強度等在不斷的提高,其工作過程及結構形式也日趨復雜,導致發動機零部件的振動載荷不斷增加,振動破壞的事例顯著增多。測量和分析航空發動機整機振動特性,是發動機振動故障檢測和診斷的重要內容。
Test.lab以最先進的、目標導向的軟件技術為基礎,它提供了振動、噪聲工程試驗最全面的解決方案,涵蓋了結構試驗、旋轉機械、聲學試驗分析,報告生成和數據共享等應用。可并行采集頻譜,階次譜,倍頻程譜和時域數據以及同步采樣階次分析,同步的信號時間歷程通程采集,三分之一倍頻程分析,可跟蹤發動機轉速進行特征分析等功能。因此,本文選用現今最先進的旋轉機械試驗系統LMS Test.lab進行整機振動測量與分析。
1 航空發動機整機振動故障診斷
安裝在飛機或試驗臺架上的航空發動機,是一個無限多自由度的振動系統,所謂發動機的整機振動,就是這一系統在各種激振力作用下的響應。發動機故障會產生獨特的發動機整機振動,故障不同,其特征也不同。因此,可借助整機振動信號的分析與處理,診斷出發動機的故障(種類、嚴重程度及發生部位),這種技術稱為發動機的振動故障診斷。
1.1 航空發動機振動檢測和信號分析
航空發動機振動檢測和信號分析技術主要用于識別發動機結構系統,特別是轉子系統的機械狀態和故障。
航空發動機整機振動測試的基本內容有:
(1)發動機系統振動基本參數的測量。測量壓氣機、渦輪、附件傳動機匣外部結構上的振動位移、速度、加速度總量;在軸承的適當位置測量軸承載荷及轉子振動加速度、速度、位移值,以及頻率、相位、外傳力等參數。
(2)發動機系統振動特征參數的測試。測量轉子—支承系統以及機匣等其它產生高頻振動和應力的構件的固有頻率、轉子臨界轉速、振型、剛度、阻尼等模態參數和物理參數。
FFT是典型的譜分析方法,其幅值和相位充分反映了信號的各個頻率成分,適宜分析航空發動機等旋轉機械的振動信號。
1.2 航空發動機振動故障診斷
航空發動機整機振動故障診斷,就是在發動機運行過程中監視、識別和預測其運行狀態變化情況,根據振動信號的特征值,在事故發生之前,及時做出診斷,查明故障發生的原因和可能發生的部位,以便采取相應決策,及時排除故障,消除隱患,提高發動機運行的可靠性及安全性。故障診斷的關鍵在于找到發動機振動狀態參數與振動故障特征參數之間的對應關系。比較典型的航空發動機故障有:1.密封碰磨、2.軸承間對中性不好、3.支承剛度在垂直與水平面內不等、4.次諧波共振、5.葉片碰磨、6.轉子或靜子松動、7.軸承內外環損傷、8.工作葉片裂紋、9.失衡、振蕩燃燒、旋轉失速、臨界轉速、10.失穩、11.結構共振。
2 整機振動測量與分析實例
2.1 測點布置與測量系統
選擇某型航空發動機的5個典型截面的垂直和水平方向作為振動測點,如圖1所示。5個典型截面為:

圖1 某型航空發動機整機振動測量點布置

    1-1截面 穿過風扇前支點(①前水,②前垂)
    2-2截面 穿過中介機匣(③中水,④中垂)
    3-3截面穿過低壓渦輪支點(⑤后水⑥后垂)
    4-4截面 外置附件機匣 (⑦外水,⑧外垂)
    5-5截面 減速器(只測水平方向)(⑨上水)
    發動機整機振動測量系統如圖2所示。

圖2 某型航空發動機整機振動測試系統框圖

2.2 試驗工況
    (1) 起動 (run up轉速 0~70%)
    (2) 爬臺階及下臺階 (每個臺階上為恒轉速 轉速 70%~100%,100%~70%)
    (3) 加力 (恒轉速 100%)
    (4) 慢加速 (run up轉速70%~100%)
    (5) 慢減速(run down轉速100%~70%)
    (6) 發動機停機 (run down轉速70%~0)
    (7) 急加速 (run up轉速70%~100%)
    (8)急減速 (run down轉速100%~70%)

2.3 測量結果及分析
本文對各種工況下發動機的整機振動信號進行了分析,得到了發動機臨界轉速、振動頻譜與轉速的關系等特征。在發動機加、減速的過程中,多數測點的振動都表現出了與轉速n2有關的明顯的階次特征,如發動機起動過程中,前水測點的振動(如圖3所示)。但是在某些工況下,測點的振動并沒有表現出與轉速n2明顯有關的階次特征,如在發動機慢加速過程中前水測點的振動(如圖4所示)。

圖3 起動過程前水測點振動加速度

圖4 慢加速過程前水測點振動加速度

3 結論
(1)經分析,可以準確的確定航空發動機低壓轉子和高壓轉子的臨界轉速。
(2)某型航空發動機在起動和停車的過程中存在兩個臨界轉速,這兩個臨界轉速大概為一階臨界轉速在N₂=3591rpm附近,二階臨界轉速在N₂=5985-6583rpm附近。
(3)某型航空發動機某些部件的固有頻率可能
在f₁ =209-319Hz附近,f₂ =837-947Hz附近,f₃=2743Hz附近。根據分析,可能是發動機的局部共振,如機匣共振,整流支板共振的頻率等。
(4)不同狀態下發動機表現的振動現象雖然不同,但明顯存在共性,即各狀態下發動機振動較大的振動頻率均以轉子的一倍振頻為主要成分,且高壓轉子一倍振頻的能量要遠遠大于低壓轉子,從而得出發動機振動的主要振源是高壓轉子。所以改善發動機高壓轉子的本身剛性,提高裝配工藝水平以及各部件的完美匹配是減小發動機振動大的主要路徑和研究方向。

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