航空发动机整机振动问题中的高低压耦合振动研究

任志远++韦周庆

摘 要：某航空发动机试验过程中出现振动大故障，通过试验过程中的频谱分析发现振动过程存在明显的高低压转子转速耦合频率，对发动机进行全面分解排查，查明振动原因是低压涡轮转子不平衡，低压涡轮转子不平衡的原因是平衡工艺存在不足，工艺过程中的重复拆装影响平衡质量，针对低压涡轮转子平衡工艺进行优化，保证低压涡轮转子的平衡质量，排除了振动故障。

关键词：航空发动机；整机振动；中介轴承；高低压耦合；平衡工艺

中图分类号：V231 文献标识码：A

为提高推重比，现代双转子涡扇发动机普遍采用高压转子后支点为中介轴承的支承方案，由于中介轴承的存在，使得高、低压转子的耦合效应对发动机振动特性存在影响，理论分析认为，低压转子不平衡会激起转子以组合频率振动，某航空发动机试验过程中出现振动大故障，频谱分析表明存在明显的高低压转子转速耦合频率，与理论分析结果符合，对后续的故障排查指明方向。

1.振动问题因素排查

1.1 故障现象

某航空发动机试验过程中，振动值超出控制要求，针对振动情况进行频谱分析表明，振动主要表现为高压转子基频振动，同时伴随较大的低压转子基频、（两倍高压转子-低压转子）频率、（高压转子+低压转子）频率、（高压转子-低压转子）频率等高低压转子转速耦合频率的幅值。

1.2 分解检查情况

对发动机进行分解检查，风扇转子、高压压气机转子、高压涡轮转子残余不平衡量均为装配要求的3～5倍，考虑平衡用模拟转子的装配误差和平衡机支撑系统的重复装配误差，认为该不平衡量变化属于正常范围，而对低压涡轮转子进行残余不平衡量检查时发现，低压涡轮转子盘端即后平衡面残余不平衡量异常，达到装配要求的15倍以上，表明低压涡轮转子在试验过程中出现了较大的不平衡量变化。

1.3 振动原因分析

由于工艺误差、装配误差以及发动机试验过程中温度和刚性的非线性变化，中介轴承的刚度会出现周向不均匀，考虑低压涡轮转子的不平衡时，低压盘的不平衡会导致转子以低压转速基频正进动，并激起高压转子以（2倍高压转子-低压转子）频率的正进动，同时会伴随高压转子基频+低压转子基频、高压转子基频-低压转子基频频率幅值的存在，本台发动机试验过程中，振动测试表现出明显的高低压耦合特征，且分解排查发现存在低压涡轮转子不平衡量异常变化的情况，认为低压涡轮转子的不平衡是本次振动故障的主要原因。

2.低压涡轮转子平衡工艺评估与优化

某航空发动机低压涡轮转子为两级涡轮，低压一、二级工作叶片均通过枞树型榫齿分别与低压一、二级盘联接，用盘前、后挡板及盘间封严环槽向固定，低压一、二级涡轮盘靠螺栓连在低压涡轮轴上，低压轴前端外花键套齿与风扇轴内花键套齿配合，用以将低压涡轮的扭矩传递到风扇轴上，低压涡轮转子后端通过滚棒轴承支撑在后支撑机匣上。

2.1 低压涡轮转子平衡工艺评估

低压涡轮转子采用卧式平衡机进行动平衡，前支撑位于低压涡轮轴前端，采用平衡工艺轴套支撑在平衡机滚轮上，并利用套齿结构连接平衡机传动机构进行传扭，后支撑位于轮盘中心位置，采用平衡工艺轴套支撑在平衡机滚轮上，此时两级转子之间的静子机匣不进行装配，平衡完成后，分解低压涡轮二级转子叶片，装配静子机匣，再次装配低压涡轮二级转子叶片，完成组件装配并进行整机装配。

针对现有低压涡轮转子平衡工艺进行评估，分析认为导致低压涡轮转子平衡量存在变化的原因有如下两项：

（1）由于低压涡轮转子轮盘、叶片均处于后支撑附近，转子的不平衡量测量对后支撑工艺轴套的形位公差比较敏感，低压涡轮转子重量约为150kg，假设与后支点轴承相比，工艺轴套形位公差存在e=0.005mm偏心量，估算转子组件会产生750g.mm的附加不平衡量，对装配状态及平衡状态的一致性造成影响。

（2）低压涡轮转子平衡完成后，需要分解低压涡轮二级转子叶片，进行静子机匣装配后对低压涡轮二级转子叶片恢复装配，虽然制定了严格按照叶片、平衡螺钉和锁片上的位置号原位装配的要求，但重复拆装不可避免地会造成不平衡量的变化，影响了低压涡轮转子的平衡状态，同时平衡前后也要对后支撑轴承进行分装，这种重复分装工作增加了操作者的工作量，增大了装配错误的概率。

2.2 低压涡轮转子平衡工艺优化及验证

为了保证低压涡轮转子平衡状态与装配状态的一致性，研究带轴承和静子机匣的低压涡轮转子平衡工艺方案进行研究，为了避免工艺轴承座结构刚性较差导致的不平衡量测量失真效应，采用结构刚性较强的框架结构平衡工装同时实现对后支点轴承和静子机匣的支撑。

平衡工装主要由焊接结构的定位套筒组件、前工艺机匣焊接组件、后工艺机匣组成，三者之间螺栓连接。前机匣上有转接环与低压涡轮一级前机匣连接，用于支撑低涡静子；轴前端通过定位套筒与平衡机传动联轴节相连，由前机匣前端的两个精密滚轮和后机匣上的轴承座装配后支点轴承并支撑低压涡轮转子。平衡过程中前后机匣上分别设有与平衡机支撑架配合的前后V型支撑座，用于支撑整个平衡系统。为加强支撑刚性，将前后支撑机匣间连接支撑杆两端焊加强筋处理。

由于转子前后支撑跨距较大，而平衡稳定性对支撑同心度要求较高，所以一方面在选择转子支撑形式时，后轴承作为一个支点，前段采用两个滚轮进行支撑，由于滚轮的表面为弧面即支撑转子时为线接触，降低了对同心度的要求，另一方面通过控制组件之间的连接止口处柱面跳动及端面跳动；连接螺栓孔位置度、与后轴承配合的工艺外环的粗糙度、圆柱度、相对基准的跳动值等要求提高工艺装备的精度，同时关键配合面以及螺栓连接孔等加工均采用组合加工来保证精度，并选取定位套筒后止口与机匣焊接组件配合处为组合加工基准。

对新的低压涡轮转子平衡工艺进行平衡准确性和平衡重复性验证，新工艺对修正面上的相应轻点位置加配重后的不平衡量采集比较准确，能够满足平衡准确性的要求，在平衡转速下，平衡重复性相比原平衡工艺有较大的提高。

采取低压涡轮转子带支点轴承和静子机匣平衡工艺方案后，平衡过程采用主支点轴承进行支撑，平衡状态与转子工作状态更加接近，避免了工装对不平衡量的带入影响，同时平衡工序前后不需要轴承和低涡转子叶片的重复拆装，避免了轴承和叶片重新分解装配造成的不平衡量的不可控变化，保证了转子平衡状态和装配状态的一致性，经平衡和装配试验验证，振动故障排除。

结语

振动是航空发动机永恒的话题，振动机理复查，影响因素众多，本次试验过程振动的排除实例可供相关技术人员借鉴：

（1）振动的频谱分析和相应机理的结合可以有效地指引发动机的振动排故，通过理论和实际的结合，可以明确振动原因和结构影响因素，为后续的装配控制提供方向。

（2）振动对不平衡量极其敏感，对于平衡工艺要加强评估，在平衡精度控制的基础上要注意裝配状态和平衡状态的一致性，避免装配操作产生附加的不平衡量。

参考文献

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