基于LMS Test.lab的航空發(fā)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(fā)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(tǒng)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(fā)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(fā)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(fā)動機 LMS Test.lab 整機振動 故障診斷

引言
航空發(fā)動機的可靠性直接影響到發(fā)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(fā)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(fā)動機故障檢測和診斷是保證發(fā)動機安全工作,延長發(fā)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(fā)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(fā)展,航空發(fā)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(fā)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(fā)動機整機振動特性,是發(fā)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?？刹⑿胁杉l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(fā)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(tǒng)LMS Test.lab進行整機振動測量與分析。
1 航空發(fā)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(fā)動機,是一個無限多自由度的振動系統(tǒng),所謂發(fā)動機的整機振動,就是這一系統(tǒng)在各種激振力作用下的響應。發(fā)動機故障會產生獨特的發(fā)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(fā)動機的故障(種類、嚴重程度及發(fā)生部位),這種技術稱為發(fā)動機的振動故障診斷。
1.1 航空發(fā)動機振動檢測和信號分析
航空發(fā)動機振動檢測和信號分析技術主要用于識別發(fā)動機結構系統(tǒng),特別是轉子系統(tǒng)的機械狀態(tài)和故障。
航空發(fā)動機整機振動測試的基本內容有:
(1)發(fā)動機系統(tǒng)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(fā)動機系統(tǒng)振動特征參數的測試。測量轉子—支承系統(tǒng)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(tài)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(fā)動機等旋轉機械的振動信號。
1.2 航空發(fā)動機振動故障診斷
航空發(fā)動機整機振動故障診斷,就是在發(fā)動機運行過程中監(jiān)視、識別和預測其運行狀態(tài)變化情況,根據振動信號的特征值,在事故發(fā)生之前,及時做出診斷,查明故障發(fā)生的原因和可能發(fā)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(fā)動機運行的可靠性及安全性。故障診斷的關鍵在于找到發(fā)動機振動狀態(tài)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(fā)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(huán)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(wěn)、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(tǒng)
選擇某型航空發(fā)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(fā)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(fā)動機整機振動測量系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 某型航空發(fā)動機整機振動測試系統(tǒng)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(fā)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(fā)動機的整機振動信號進行了分析,得到了發(fā)動機臨界轉速、振動頻譜與轉速的關系等特征。在發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)動機低壓轉子和高壓轉子的臨界轉速。
(2)某型航空發(fā)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(fā)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(fā)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(tài)下發(fā)動機表現的振動現象雖然不同,但明顯存在共性,即各狀態(tài)下發(fā)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(fā)動機振動的主要振源是高壓轉子。所以改善發(fā)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(fā)動機振動大的主要路徑和研究方向。

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