航空发动机装配对振动的影响分析

航空发动机装配对振动的影响分析

吴迪 1 李季 2 陆林 2 胡楠 2

（ 1 中国航发哈尔滨东安发动机有限公司，哈尔滨市 150066）

（2 中国人民解放军93156部队，哈尔滨市 150066）

摘要：发动机工作状态的好坏直接影响飞机的安全性和可靠性，对于航空发动机运行状态的监测、评估主要依赖于气动热力参数及振动参数。其中振动监测具有快速、直接、敏感的特性倍受重视。发动机整机振动值超标的影响因素众多，其中装配过程对发动机整机振动有相当的影响，本文阐述了发动机装配过程中动平衡、转子同心度、轴承窜量及装配松动各环节对发动机振动的影响及相关控制措施。

关键词：发动机装配；振动

1 引言

航空发动机整机振动超标是现阶段我国航空发动机研制过程中面临的主要问题。整机振动过大会造成发动机发生故障，如：转子与静子间发生碰摩、轴承加速磨损及结构件快速疲劳失效等，严重威胁飞行安全。因此，如何将发动机振动值超标消除在萌芽状态，尤其是在装配过程中采取措施以减少装配过程不当对发动机整机振动的影响，对于保障航空飞机的安全可靠运行具有重大的意义。

2 发动机振动原因分析

发动机振动故障总体上可分为测量系统问题和发动机问题。其中发动机问题中，转子不平衡量、同心度、转静子刮磨、零件尺寸、轴承游隙、转子窜量及装配松动都与振动有关。发动机的常见振动故障及特征如下：

（1）转子不平衡引起的振动：转子不平衡振动的时域波形近似于正弦波，振动能量集中于基频，对转速变化较为敏感。

（2）轴承振动故障：轴承故障与滚动体接触所激发的振动基频紧密相关,特征频率将成为诊断轴承故障的重要依据。

（3）其他故障：如齿轮传动故障、支座连接松动和局部共振等。

发动机装配的关键过程，如转子动平衡、同心度、轴承游隙、转子窜量及装配松动，都与振动呈现一定相关度。本文选取其中三个进行分析：

（1）转子不平衡：转子不平衡主要是由转子的初始平衡状态被破坏，产生不平衡量导致，这是较常见的发动机振动故障，其直接表现为发动机整机振动过大，严重将导致转静子刮磨、轴承失效等。

（2）轴承游隙： 航空发动机支撑结构中使用的多为滚珠轴承和滚棒轴承,；轴承由于游隙值不合适导致的磨损导致发动机振动值异常故障最常见。

（3）装配松动：装配松动可能会引起转子碰摩、破坏发动机封严篦齿的结构，也可能使机匣发生较大的变形,引起整机振值超标。

3 装配关键过程对发动机振动的影响

3.1 转子不平衡量

转子剩余不平衡不合格是航空发动机整体振动的众多原因中最主要的一种。由于发动机工作过程中机匣热变形、涡轮轴承外环不压紧等因素，发动机每次装配试车时无法保证轴承滚动体均在同一跑道位置工作，轴承及轴颈的磨损，导致涡轮转子支点前后移动转子不平衡量变化大，易引起整机振动超标。以一涡扇发动机为例，发动机试车时径向振动偏高，主要影响因素为转子剩余不平衡量，该发动机每次装配前各转子均进行动平衡并去重，相邻转子按相邻校正面剩余不平衡量相错180°进行装配。但发动机每次试车后转子重新动平衡，各转子的剩余不平衡量均会变大。

据统计，该发动机一年度内共发生13起振动偏高问题，其中8起分解后发现有转子不平衡量变化至100g·mm以上，重新平衡后再次试车振动正常，故分析不平衡量变大是振动偏高的重要影响因素之一。

3.2 轴承游隙

轴承游隙的增大，在发动机工作过程中会导致涡轮叶轮与机匣之间的配合间隙减小。以一型涡扇发动机为例，当轴承游隙为0.025时，1级涡轮叶轮和2级涡轮叶轮的最大下沉量如图3所示，轴承游隙增大为0.06时，1级涡轮叶轮和2级涡轮叶轮的最大下沉量如图4所示。对比可以看出，游隙增大后，在冷态时1级涡轮叶轮单边间隙减小约0.024，2级涡轮叶轮单边间隙减小约0.03。

图1 轴承游隙为0.025时的转子下沉量

图
2 轴承游隙为0.06时的转子下沉量

发动机装配时，1级涡轮叶轮叶尖左侧间隙偏下限，发动机正常试车后叶轮叶尖与涡轮机匣组件石墨涂层即有轻微的刮磨，轴承游隙增大后，涡轮叶尖与涡轮机匣组件石墨涂层配合间隙进一步减小，叶尖与涂层的刮磨量增加，整机振动值超标。

3.3 装配松动

发动机结构复杂，支承松动导致发动机振动现象也是复杂多变的，装配原因导致支承连接部分拧紧力矩不够、不均匀；设计结构不合理和制造原因导致防松措施不利和配合间隙超差；状态劣化原因导致支承系统配合紧力消失、机匣变形、螺栓松动均可能导致振动值超标。采取紧固螺栓防松措施；按技术要求检修，及时更换失效部件；消除机壳和基础变形；按照要求力矩紧固螺栓等措施可有效控制装配过程对整机振动的影响。

6 结论

发动机工作状态的好坏直接影响飞机的安全性和可靠性，通过控制发动机装配过程中动平衡、转子同心度、轴承窜量及装配松动等环节，采取相关控制措施，可以有效控制发动机整机振动超标问题，保证发动机的安全运行。