何俊杰，高晓果，姜广义，刘 洋

某型涡扇发动机高压转静子碰摩故障研究

何俊杰，高晓果，姜广义，刘 洋

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015）

基于某型双转子涡扇发动机高压转、静子在工作中发生的碰摩现象，通过碰摩消除前后的整机振动响应对比，总结了高压转、静子碰摩的典型振动特征，结合碰摩特点及相关振动理论研究，建立了高压压气机转、静子碰摩模型，应用龙格库塔(Rung-Kutta)法求解模型特定转速下碰摩位置振动响应的频谱图。计算与试验结果表明：双转子结构发动机发生转、静子碰摩时靠近碰摩位置的机匣振动响应会出现次谐波、高次谐波和组合谐波成分，且随碰摩接触面积的增加而增加。

碰摩；双转子系统；振动特征；高压压气机；涡扇发动机；转子；静子

0 引言

转、静子碰摩是航空涡扇发动机常见的振动故障之一，如果转子叶片经常受到碰摩，长期受到冲击作用，就可能导致断裂，引发严重故障。因此，研究涡扇发动机转、静子碰摩振动特征，特别是早期碰摩特征，采取相应的措施，避免严重碰摩故障和继发性故障，对涡扇发动机的健康运行具有重要意义。目前,国内外对转、静件之间碰摩问题的研究多局限于单转子系统碰摩[1-6]，而对双转子系统碰摩故障研究较少。然而，对于航空涡扇发动机双转子系统碰摩的振动特性及故障诊断具有不同于常规单转子系统的显著特点。在以往的双转子系统碰摩研究中，大都只是从理论层面描述碰摩现象和特征[7-15]，很少涉及到双转子发动机实际碰摩现象和特征。

本文基于某型双转子涡扇发动机高压转、静子碰摩现象，从理论和试验2方面研究了其发生碰摩时的典型振动特征。

1 台架振动测点分布

某型涡扇发动机主机振动测试系统包含4个测点，分别位于进气机匣和中介机匣的垂直位置、涡轮后机匣水平和垂直位置，如图1所示。各测点均采用加速度传感器，其中测点1、3跟踪低压转子1倍频振动，测点2、4跟踪高压转子1倍频振动，同时各测点的谱图显示在测试系统界面内。

图1 振动测试系统测点位置

2 碰摩消除前后发动机的振动响应曲线

2.1 时域振动对比

某台份涡扇发动机高压转子叶片与静子蜂窝之间由于间隙过小，在台架试车中出现测点2振动值超限，3维谱图频率成分复杂的现象。发生碰摩时的振动曲线如图2所示。

图2 碰摩时的试车振动曲线

调整高压压气机转子叶片和静子蜂窝之间的间隙后，再次进行整机试车，测点2振动值没再发生超限现象，各测点振动值均在限制值以内，碰摩故障消除，其后的试车振动曲线如图3所示。

图3 碰摩故障消除后的试车振动曲线

2.2 频域谱图对比

发生碰摩时各测点的3维谱如图4所示。

从图中可见，测点2振动值超限时，各测点的3维谱都表现为高压转子1倍频分量值最大，低压转子1倍频分量值相对较小；但在测点2的3维谱上还有高压转子的0.5倍频、2倍频和高低压转子的组合频（N1+N2和 2N1+N2）。

碰摩消除后发动机慢车到中间的3维谱如图5所示。其中，测点2中只有幅值很小的高压转子1倍频，高压转子的0.5倍频、2倍频和高低压转子的组合频率没再出现。其他测点主要为高低压转子的1倍频，且振动值较小。

图4 磨合试车碰摩振动大时的3维谱

图5 排故试车时的3维谱

据试验数据分析和碰摩故障的经验，某型涡扇发动机高压压气机转、静子碰摩具有以下4个典型特征：

（1）各测点都表现为高压转子1倍频振动显著，靠近碰摩位置的测点2处还有高压转子0.5倍频、高压转子2倍频和高低压转子的组合频率（N1+N2和2N1+N2）。

（2）测点2振动信号中的高压1倍频随转速增大而增大，并且在达到最大转速前超限。

（3）在碰摩消除后，测点2正常的振动谱中只有高压转子的1倍频，且振动值很小。

（4）发生碰摩时，随转速增大，碰摩面积增加和部位增多，振动值随之增大。

3 碰摩力方程

当高压压气机转子叶片与静子机匣蜂窝碰摩时，假设转子与机匣的碰撞为弹性碰撞，Kc为静子机匣与转子叶片接触时的径向刚度，转子叶片与机匣的摩擦符合库伦定律，f为转子与机匣接触时的摩擦系数，α为碰摩点与x轴的夹角，ω为转子角速度，碰摩力模型如图6所示。

图6 碰摩力模型

转子轴心与机匣中心的相对位移为

式中：x1、y1分别为转子中心位置坐标；x2、y2分别为静子机匣中心位置坐标。

转子与静子机匣的非线性碰摩力可表示为

式中：PN为径向摩擦力；PT为切向摩擦力；δ为转、静子初始间隙。

在x、y坐标系中，摩擦力表示为

其中

碰摩力矩阵可以表示为

4 动力学方程

某型涡扇发动机转子动力学分析模型如图7所示。

图7 某型发动机转子动力学分析模型

基于结构和模态相似理论对发动机支承结构简化，高压压气机转、静子碰摩模型如图8所示。图中k1、c1、k2、c2、k3、c3、k4、c4、k5、c5、k6、c6、kr、cr分别为主安装节、辅助安装节、机匣、前支承、后支承、转子的等效刚度和阻尼，F1、F2分别为低、高压转子不平衡量激振力。

图8 双转子高压压气机碰摩模型

双转子系统的动力学方程组为

选取不同的Ωt模拟不同的碰摩接触面积，调整弹性恢复系数Kc来改变碰摩力的大小，对高压压气机碰摩模型进行各种碰摩面积和碰摩力的计算，从而获得高压压气机碰摩时的振动响应特征。在计算中选取低压转速频率f1=187 Hz、高压转速f2=210 Hz，Ω=2πf2，应用龙格库塔(Rung-Kutta)法对式（6）进行计算，得到轻微碰摩和较重碰摩时碰摩位置响应，分别如图9、10所示。

图9 双转子转、静件轻微碰摩振动响应频谱

图10 双转子转、静件较重碰摩振动响应频谱

计算结果表明：

（1）双转子结构高压转、静子碰摩时的机匣振动响应会出现次谐波、高次谐波和组合谐波成分，其中高压转子1倍频振动最为明显。

（2）随碰摩接触面积的增加，机匣振动响应幅值增大。

（3）谐波出现与接触力和接触面积有关。

5 结论

（1）双转子涡扇发动机高压压气机发生碰摩时，靠近碰摩位置的机匣振动响应会出现较复杂的频率成分，而远离碰摩位置的机匣响应不明显。

（2）在靠近碰摩位置测点的机匣振动响应中碰摩转子1倍频最显著，同时还伴随有碰摩转子的分频、倍频和2个转子的组合频，其他位置测点碰摩转子1倍频振动显著。

（3）随碰摩时间增加、转速增大和开车次数增加，机匣振动响应也增大。

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Rubbing Failure Study on High Pressure Rotor-Stator of a Turbofan Engine

HEJun-jie， GAO Xiao-guo， JIANG Guang-yi， LIU Yang
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China）

Based on the rubbing phenomenon occurs in the process of high pressure rotor-stator for a twin spool turbofan engine,the contrast response of engine vibration was analyzed before and after rubbing elimination.A typical vibration characteristic of high pressure rotor-stator rubbing was summarized.The rotor-stator rubbing model of high pressure compressor was built based on rubbing characteristics and relative vibration theory.The model under certain rotation spectrum of vibration response for friction touch position was solved by Runge Kutta method.The calculation and experimental results show that the rubbing location of dual-rotor engine near the casing vibration response will be harmonic,high harmonic and harmonic components,which increases with the rubbing contact area.

rubbing;twin spool system;vibration characteristics;high pressure compressor;turbofan engine;rotorp;stator

V263.6

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2015.01.013

2013-12-18

航空动力基础研究项目资助

何俊杰（1981），男，硕士，工程师，从事航空发动机整机振动测试研究与试验工作；E-mail：hwn201109@163.com。

何俊杰，高晓果，姜广义，等.某涡扇发动机高压转静子碰摩故障研究[J].航空发动机，2015,41（1）：66-69.HEJunjie，GAOXiaoguo，JIANG Guangyi，et al.Rubbingfailurestudy on high pressurerotor-stator of aturbofan engine[J].Aeroengine，2015,41（1）：66-69.

（编辑：沈广祥）