基于LMS Test.lab的航空發(fā)動機(jī)整機(jī)振動測量與分析

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

航空發(fā)動機(jī)整機(jī)振動問題是新機(jī)研制中的難題之一,而對整機(jī)振動進(jìn)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(guān)鍵。本文應(yīng)用LMS Test.lab對某型航空發(fā)動機(jī)整機(jī)振動臺架試驗(yàn)進(jìn)行了測量和分析。結(jié)果表明,LMS Test.lab對航空發(fā)動機(jī)整機(jī)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(guān)鍵字:CAE 航空發(fā)動機(jī) LMS Test.lab 整機(jī)振動 故障診斷

引言
航空發(fā)動機(jī)的可靠性直接影響到發(fā)動機(jī)的利用率、經(jīng)濟(jì)效益以及飛機(jī)的飛行安全,已成為世界各航空公司以及研究所所關(guān)心的主要問題。航空發(fā)動機(jī)是一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械,由于其工作在高溫、高壓、高應(yīng)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(jī)故障檢測和診斷是保證發(fā)動機(jī)安全工作,延長發(fā)動機(jī)使用壽命的一個(gè)重要的技術(shù)措施,對于增強(qiáng)飛機(jī)適航性、降低飛機(jī)維修費(fèi)用和減少飛行事故都具有十分重要的意義。
整機(jī)振動故障一直是航空發(fā)動機(jī)生產(chǎn)和使用中的主要問題之一。特別是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,航空發(fā)動機(jī)的推力、轉(zhuǎn)速、動強(qiáng)度等在不斷的提高,其工作過程及結(jié)構(gòu)形式也日趨復(fù)雜,導(dǎo)致發(fā)動機(jī)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(jī)整機(jī)振動特性,是發(fā)動機(jī)振動故障檢測和診斷的重要內(nèi)容。
Test.lab以最先進(jìn)的、目標(biāo)導(dǎo)向的軟件技術(shù)為基礎(chǔ),它提供了振動、噪聲工程試驗(yàn)最全面的解決方案,涵蓋了結(jié)構(gòu)試驗(yàn)、旋轉(zhuǎn)機(jī)械、聲學(xué)試驗(yàn)分析,報(bào)告生成和數(shù)據(jù)共享等應(yīng)用。可并行采集頻譜,階次譜,倍頻程譜和時(shí)域數(shù)據(jù)以及同步采樣階次分析,同步的信號時(shí)間歷程通程采集,三分之一倍頻程分析,可跟蹤發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行特征分析等功能。因此,本文選用現(xiàn)今最先進(jìn)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械試驗(yàn)系統(tǒng)LMS Test.lab進(jìn)行整機(jī)振動測量與分析。
1 航空發(fā)動機(jī)整機(jī)振動故障診斷
安裝在飛機(jī)或試驗(yàn)臺架上的航空發(fā)動機(jī),是一個(gè)無限多自由度的振動系統(tǒng),所謂發(fā)動機(jī)的整機(jī)振動,就是這一系統(tǒng)在各種激振力作用下的響應(yīng)。發(fā)動機(jī)故障會產(chǎn)生獨(dú)特的發(fā)動機(jī)整機(jī)振動,故障不同,其特征也不同。因此,可借助整機(jī)振動信號的分析與處理,診斷出發(fā)動機(jī)的故障(種類、嚴(yán)重程度及發(fā)生部位),這種技術(shù)稱為發(fā)動機(jī)的振動故障診斷。
1.1 航空發(fā)動機(jī)振動檢測和信號分析
航空發(fā)動機(jī)振動檢測和信號分析技術(shù)主要用于識別發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng),特別是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的機(jī)械狀態(tài)和故障。
航空發(fā)動機(jī)整機(jī)振動測試的基本內(nèi)容有:
(1)發(fā)動機(jī)系統(tǒng)振動基本參數(shù)的測量。測量壓氣機(jī)、渦輪、附件傳動機(jī)匣外部結(jié)構(gòu)上的振動位移、速度、加速度總量;在軸承的適當(dāng)位置測量軸承載荷及轉(zhuǎn)子振動加速度、速度、位移值,以及頻率、相位、外傳力等參數(shù)。
(2)發(fā)動機(jī)系統(tǒng)振動特征參數(shù)的測試。測量轉(zhuǎn)子—支承系統(tǒng)以及機(jī)匣等其它產(chǎn)生高頻振動和應(yīng)力的構(gòu)件的固有頻率、轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速、振型、剛度、阻尼等模態(tài)參數(shù)和物理參數(shù)。
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(gè)頻率成分,適宜分析航空發(fā)動機(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動信號。
1.2 航空發(fā)動機(jī)振動故障診斷
航空發(fā)動機(jī)整機(jī)振動故障診斷,就是在發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中監(jiān)視、識別和預(yù)測其運(yùn)行狀態(tài)變化情況,根據(jù)振動信號的特征值,在事故發(fā)生之前,及時(shí)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(yīng)決策,及時(shí)排除故障,消除隱患,提高發(fā)動機(jī)運(yùn)行的可靠性及安全性。故障診斷的關(guān)鍵在于找到發(fā)動機(jī)振動狀態(tài)參數(shù)與振動故障特征參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系。比較典型的航空發(fā)動機(jī)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(nèi)不等、4.次諧波共振、5.葉片碰磨、6.轉(zhuǎn)子或靜子松動、7.軸承內(nèi)外環(huán)損傷、8.工作葉片裂紋、9.失衡、振蕩燃燒、旋轉(zhuǎn)失速、臨界轉(zhuǎn)速、10.失穩(wěn)、11.結(jié)構(gòu)共振。
2 整機(jī)振動測量與分析實(shí)例
2.1 測點(diǎn)布置與測量系統(tǒng)
選擇某型航空發(fā)動機(jī)的5個(gè)典型截面的垂直和水平方向作為振動測點(diǎn),如圖1所示。5個(gè)典型截面為:

圖1 某型航空發(fā)動機(jī)整機(jī)振動測量點(diǎn)布置

    1-1截面 穿過風(fēng)扇前支點(diǎn)(①前水,②前垂)
    2-2截面 穿過中介機(jī)匣(③中水,④中垂)
    3-3截面穿過低壓渦輪支點(diǎn)(⑤后水⑥后垂)
    4-4截面 外置附件機(jī)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(jī)整機(jī)振動測量系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 某型航空發(fā)動機(jī)整機(jī)振動測試系統(tǒng)框圖

2.2 試驗(yàn)工況
    (1) 起動 (run up轉(zhuǎn)速 0~70%)
    (2) 爬臺階及下臺階 (每個(gè)臺階上為恒轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)速 70%~100%,100%~70%)
    (3) 加力 (恒轉(zhuǎn)速 100%)
    (4) 慢加速 (run up轉(zhuǎn)速70%~100%)
    (5) 慢減速(run down轉(zhuǎn)速100%~70%)
    (6) 發(fā)動機(jī)停機(jī) (run down轉(zhuǎn)速70%~0)
    (7) 急加速 (run up轉(zhuǎn)速70%~100%)
    (8)急減速 (run down轉(zhuǎn)速100%~70%)

2.3 測量結(jié)果及分析
本文對各種工況下發(fā)動機(jī)的整機(jī)振動信號進(jìn)行了分析,得到了發(fā)動機(jī)臨界轉(zhuǎn)速、振動頻譜與轉(zhuǎn)速的關(guān)系等特征。在發(fā)動機(jī)加、減速的過程中,多數(shù)測點(diǎn)的振動都表現(xiàn)出了與轉(zhuǎn)速n2有關(guān)的明顯的階次特征,如發(fā)動機(jī)起動過程中,前水測點(diǎn)的振動(如圖3所示)。但是在某些工況下,測點(diǎn)的振動并沒有表現(xiàn)出與轉(zhuǎn)速n2明顯有關(guān)的階次特征,如在發(fā)動機(jī)慢加速過程中前水測點(diǎn)的振動(如圖4所示)。

圖3 起動過程前水測點(diǎn)振動加速度

圖4 慢加速過程前水測點(diǎn)振動加速度

3 結(jié)論
(1)經(jīng)分析,可以準(zhǔn)確的確定航空發(fā)動機(jī)低壓轉(zhuǎn)子和高壓轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速。
(2)某型航空發(fā)動機(jī)在起動和停車的過程中存在兩個(gè)臨界轉(zhuǎn)速,這兩個(gè)臨界轉(zhuǎn)速大概為一階臨界轉(zhuǎn)速在N₂=3591rpm附近,二階臨界轉(zhuǎn)速在N₂=5985-6583rpm附近。
(3)某型航空發(fā)動機(jī)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(jù)分析,可能是發(fā)動機(jī)的局部共振,如機(jī)匣共振,整流支板共振的頻率等。
(4)不同狀態(tài)下發(fā)動機(jī)表現(xiàn)的振動現(xiàn)象雖然不同,但明顯存在共性,即各狀態(tài)下發(fā)動機(jī)振動較大的振動頻率均以轉(zhuǎn)子的一倍振頻為主要成分,且高壓轉(zhuǎn)子一倍振頻的能量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于低壓轉(zhuǎn)子,從而得出發(fā)動機(jī)振動的主要振源是高壓轉(zhuǎn)子。所以改善發(fā)動機(jī)高壓轉(zhuǎn)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(jī)振動大的主要路徑和研究方向。

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