APP下载

某型弹用涡扇发动机振动故障建模与分析

2015-11-19王海飞廖仲坤

航空发动机 2015年2期
关键词:倍频机匣压气机

王海飞,陈 果,廖仲坤,张 璋

(1.南京航空航天大学民航学院,南京210016;2.北京动力机械研究所,北京100074)

0 引言

弹用涡扇发动机由于装配控制精度不够,易发生转子不平衡、支承松动、转子不对称、临界转速共振以及转静碰摩等故障,从而导致整机振动超标,极大地影响弹用涡扇发动机的可靠性和安全性。

为了弄清转子系统各种故障机理,国内外学者对整机建模以及故障仿真[1-8]做了大量研究工作。航空发动机故障仿真与实际排故存在较大差异,理论分析缺乏与实际振动数据的对比和验证,因此分析结果难于应用于实际情况。国内针对试车数据也做出大量分析[9-15],但是缺乏理论分析。

本文针对某型弹用航空发动机试车数据在28000~30000r/min之间出现振动超标的情况进行排故分析。r/min

1 试车数据分析

某试车增、减速过程如图1所示。其中,转速V1=24000 r/min,V2=26200 r/min,V3=30000 r/min,V4为试车减速过程。从图中可见,由V2增至V3过程中,机匣加速度振动幅值陡增。

图1 某试车增、减速过程

某试车数据水平测点1~4倍频随转速的变化曲线如图2所示。测点为压气机支承对应的机匣水平方向的测点。从图中可见,在转速升高的过程中,1倍频增加。从水平方向的振动值来看,在转速28000r/min下,1倍频振幅为7g;在转速30000r/min下,1倍频振幅为18g,相比1倍频,其他高倍频分量很小。因此,初步判断振动超标是由于在30000r/min附近出现了临界转速和过大的不平衡量所致。然而,由不平衡激励机理可得,不平衡量激发的响应与转速平方成正比。因此,如果在转速28000r/min下,1倍频振幅为7g;在转速30000r/min下,1倍频振幅应为7(300002/260002)=9.5g<18g。由此可见,该发动机在30000r/min附近出现了临界转速,为找到其原因需进行整机振动仿真分析。

2 航空发动机整机动力学模型

2.1 某型弹用航空发动机模型

某型弹用航空发动机的转子-支承-机匣模型如图3所示。其中,P1、P2、P3、P4、P5分别为风扇盘、电机盘、压气机盘、涡轮盘1、涡轮盘2;C1、C2分别为中介机匣、燃烧室机匣;G1、G2、G3分别为风扇轴与传动轴套齿联轴器、传动轴与压气机轴套齿联轴器、压气机轴与涡轮轴套齿联轴器;S1、S2、S3、S4分别为风扇支点、压气机前支点、压气机后支点、涡轮支点;I1、I2分别为前、后安装节;kg为齿轮泵啮合刚度;kf1、kf2、kf3、kf4为转子-机匣支承刚度;kc为机匣-基础连接刚度。

图3 某型弹用航空发动机的转子-支承-机匣模型

2.2 动力学建模

2.2.1 转子系统的动力学模型

有限元转子动力学模型如图4所示。其中转子节点上的力和力矩分别为整机中部件之间的耦合力和力矩,设转子的自由度为

图4 有限元转子动力学模型

则转子系统的运动方程为

式中:Ms、Cs、Gs、Ks、Qs分别为系统的质量矩阵、阻尼矩阵、陀螺力矩矩阵、刚度矩阵和所承受的载荷。

采用比例阻尼,即Cs=α0Μs+α1Ks,得到第i 阶阻尼比为

通过转子任意2阶固有频率和阻尼比,求解α0,α1和Cs。

2.2.2 机匣模型

本文假设机匣为不旋转的梁,得到其运动方程为

式中:Mc、Cc、Kc、Qc分别为机匣的质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵和承受的载荷,具体见表1~3。

表1 转子与机匣单元数

表2 转子参数

表3 机匣参数

2.3 转子-机匣间的支承连接

设mwi为滚动轴承外圈质量;mbi为轴承座质量;kti、cti分别为轴承外圈与轴承座之间的连接刚度和阻尼;kfi,cfi分别为机匣与轴承座之间的连接刚度和阻尼。转子-机匣支承如图5所示。图中FyRi和FxRi为转子所支承的外力;FyCi和FxCi为机匣所承受力。

本文设定轴承内、外圈分别固定在转轴和轴承座上。当转子第m个节点位移为xRm和yRm,令x=xRm-xwi,可以得到转子作用于第i个支承的轴承力

图5 转子-机匣支承

式中:Cb为赫兹接触刚度,由内外圈和滚珠的赫兹接触弹性分析得到;H(·)是亥维塞函数,当函数变量大于0时,函数值是1,否则为0;θj为第j个滚珠处的角度位置其中Nb为滚珠个数;ωCage为保持架旋转速度,设外、内滚道半径为R 和为转轴旋转角速度;ro为轴承间隙。

因此,滚动轴承外圈的运动微分方程为

式中:Fdxi和Fdyi为阻尼力,若考虑为黏性阻尼,则

滚动轴承和转子-机匣支承参数分别见表4、5。

2.4 转子-机匣间的弹性连接

设转子和机匣第i、j个节点采用弹性连接,径向刚度为kgx、kgy,径向阻尼为cgx、cgy,角向刚度为kgα、kgα,角向阻尼为cgα、cgα。设转子的第i 节点的位移为xri、yri、φri、ψri速度为设机匣的第j 节点的

表4 滚动轴承参数

表5 转子-机匣支承参数

位移为xri、yri、φri、ψri速度为,则作用在转子节点i 上的力和力矩Fxi,Fyi,Mxi,Myi,作用在机匣上的节点j 上的力和力矩Fxj,Fyj,Mxj,Myj为

转子-机匣连接参数见表6。

表6 转子-机匣连接参数Tg

2.5 转子-转子间的联轴器连接以及机匣-基础间连接

左、右转子之间的联轴器连接参数见表7,机匣与基础间的连接参数见表8,具体力学关系参考文献[8]。

表7 转子-转子连接参数

表8 机匣-基础连接参数

2.6 时域数值求解方法

本文采用传统和改进的Newmark-β 法(新型显示积分法-翟方法)求解,流程如图6所示。

图6 转子-支承-机匣动力学求解流程

3 临界转速影响因素分析

为研究压气机支承刚度对整机振动的影响,改变其前、后支承刚度,分析机匣横向临界转速。

不同压气机前支承刚度下机匣横向加速度振幅-转速曲线如图7所示。在后支承刚度为1.5×108N/m条件下,4种不同刚度下的第1阶临界转速均为21000r/min;第2阶临界转速分别为27000r/min、31000r/min、32000r/min、34000r/min。

图7 不同前支承刚度下机匣横向加速度振幅-转速曲线

不同压气机后支承刚度下机匣横向加速度振幅-转速曲线如图8所示。在前支承刚度为1.5×108N/m下,4种不同刚度下的第1阶临界转速均为21000r/min;第2阶临界转速分别为28000、34000、32000、33000r/min。

图8 不同后支承刚度下机匣横向加速度振幅-转速曲线

不同临界转速下的振型如图9所示。其中,(a)为第1阶临界转速21000r/min下的涡轮转子的俯仰振型;(b)为第2阶临界转速31000r/min下的压气机转子的弯曲振型。从图中可见,在第2阶临界转速下,由于前后转子变形较大,故压气机前、后支承的刚度对转子的振型影响显著。

图9 不同临界转速下的振型

对比实际试车数据得到的临界转速,并且由压气机前、后支承刚度对其临界转速影响分析可得,压气机前、后支承刚度均为1.5×108N/m,仿真模型和实际航空发动机相近。

仿真与试验得到的水平测点的1倍频随转速的变化曲线如图10所示。测点为压气机支承对应的机匣横向测点。从图中可见,在转速升高的过程中,1倍频增加。从水平方向的振值可见,在转速为28000r/min下,1倍频振幅为6.5g;在转速30000 r/min下,1倍频振幅为19.5g。因此,仿真结果与试车数据具有良好的一致性。

图10 机匣横向加速度振幅-转速曲线

4 结论

(1)针对某弹用涡扇发动机,建立了整机振动有限元动力学模型,模型中考虑滚动轴承的非线性,及转子与机匣之间的弹性连接。

(2)由于压气机前、后支承刚度对转子的临界转速影响较大,所以需要控制好主要影响因素——支承刚度。

(3)从试车与仿真数据对比分析得出,在临界转速附近的1倍频的振幅变化具有良好的一致性,为控制其产生共振提供理论依据。

[1]Chu F L,Zhang Z S.Periodic,quasi-periodic and chaotic vibrations of a rub-impact rotor system supported on oil f i lm bearings[J].International Journal of Engineering Science,1997,35(10/11):963-973.

[2]马辉,汪博,太兴宇,等.基于接触分析的转定子系统整周碰摩故障模拟[J].工程力学,2013,30(2):365-371.MA Hui,WANG Bo,TAI Xing-yu,et al.Full rubbing simulation of a rotor-stator system based on contact analysis [J].Engineering Mechanics,2013,30(2):365-371.(in Chinese)

[3]张楠,刘占生,姜兴渭.高速转子轴承系统碰摩故障仿真研究[J].振动与冲击,2010,29(9):77-81.ZHANG Nan,LIU Zhansheng,JIANG Xingwei.Simulation study on rub-impact fault of high-speed rotor-bearing system [J].Journal of Vibration and Shock,2010,29(9):77-81.(in Chinese)

[4]马辉,李焕军,刘杨,等.转子系统耦合故障研究进展与展望[J].振动与冲击,2012,31(17):1-11.MA Hui,LI Huanjun,LIU Yang,et al.Review and prospect for research of coupling faults in rotor systems[J].Journal of Vibration and Shock,2012,31(17):1-11.(in Chinese)

[5]刘杨,太兴宇,赵倩,等.转子系统不对中-碰摩耦合故障的动力学特性[J].东北大学学报(自然科学版),2013,34(4):564-568.LIU Yang,TAI Xingyu,ZHAO Qian,et al.Dynamic characteristics of misalignment-rubbing coupling fault for rotor system [J].Journal of Northeastern University(Natural Science),2013,34(4):564-568.(in Chinese)

[6]刘献栋,何田,李其汉.支承松动的转子系统动力学模型及其故障诊断方法[J].航空动力学报,2005,20(1):54-59.LIU Xiandong,HE Tian,LI Qihan.Dynamic model of rotor system with support loosening and its diagnosis method [J].Journal of Aerospace Power,2005,20(1):54-59.(in Chinese)

[7]冯国全,周柏卓,林丽晶,等.内外双转子系统支撑轴承不对中分析[J].振动与冲击,2012,32(7):142-147.FENG Guoquan,ZHOU Baizhuo,LIN Lijing,et al.Misalignment analysis for support bearing in an inner-and-outer dual rotor system[J].Journal of Vibration and Shock,2012,32(7):142-147.(in Chinese)

[8]陈果.航空发动机整机振动耦合动力学模型及其验证[J].航空动力学报,2012,27(2):242-254.CHEN Guo.A coupling dynamic model for whole aeroengine vibration and its verification[J].Journal of Aerospace Power,2012,27(2):242-254.(in Chinese)

[9]姜广义,王娟,姜睿.航空发动机风扇机匣振动故障分析[J].航空发动机,2011,37(5):38-44.JIANG Guangyi,WANG Juan,JIANG Rui.Aeroengine fan casing vibration fault analysis[J].Aeroengine,2011,37(5):38-44.(in Chinese)

[10]郑旭东,张连祥.航空发动机整机振动典型故障分析[J].航空发动机,2013,39(1):34-37.ZHENG Xudong,ZHANG Lianxiang.Typical failure analysis of aeroengine vibration [J].Aeroengine,2013,39(1):34-37.(in Chinese)

[11]杨东,刘忠华.某航空发动机转子弹性支承松动振动故障诊断研究[J].测控技术,2007,26(4):7-13.YANG Dong,LIU Zhonghua.Diagnosis of vibration fault generated by the loose of elasticity backup bearing on aeroengine's rotor[J].Measurementand Control Technology,2007,26(4):7-13.(in Chinese)

[12]黄庆南,杨养花,申秀丽,等.某型发动机涡轮转子前、后挡板连接螺钉松动故障分析[J].航空发动机,2004,30(4):45-47.HUANG Qingnan, YANG yanghua, SHEN Xiuli, et al.Troubleshooting of loosened front/rear retainer bolts in a typical aeroengine[J].Aeroengine,2004,30(4):45-47.(in Chinese)

[13]可成河,巩孟祥,宋文兴.某型发动机整机振动故障诊断分析[J].航空发动机,2007,33(1):24-26.KE Chenghe,GONG Mengxiang,SONG Wenxing.Fault diagnosis analysis of an aeroengine vibration[J].Aeroengine,2007,33(1):24-26.(in Chinese)

[14]杨玲,王克明,张琼.某型航空发动机整机振动分析[J].沈阳航空工业学院学报,2008,25(5):9-15.YANG Ling,WANG Keming,ZHANG Qiong.Vibration analysis of a turbofan aeroengine[J].Journal of Shenyang Institute of Aeronautical Engineering,2008,25(5):9-15.(in Chinese)

[15]高艳蕾,李勇,王德友.转子-机匣系统碰摩故障特征试验研究[J].航空发动机,2002(4):16-21.GAO Yanlei,LI Yong,WANG Deyou.Experimental investigation of rotor-to-casing rubbing fault[J].Aeroengine,2002(4):16-21.(in Chinese)

猜你喜欢

倍频机匣压气机
某型号航空发动机风扇机匣优化设计
航空发动机叶片/机匣碰摩热致变形与应力研究
轴流压气机效率评定方法
基于光电振荡环路的三分之四倍频系统
重型燃气轮机压气机第一级转子叶片断裂分析
航空发动机机匣包容性试验研究
压气机紧凑S形过渡段内周向弯静子性能数值计算
基于微波倍频源太赫兹频段雷达散射截面测量
波兰MSBS Radon步枪
高压比离心压气机设计及试验验证