民机发动机部附件振动适航取证导则★

孔叔钫 ，时钟 ，谢丽梅 ，熊伊

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 511370；2.安全可靠软硬件性能与可靠性测评工业和信息化部重点实验室，广东 广州 511370）

0 引言

美国联邦航空条例（FAR）33.63 规定了发动机系统及部附件工作在其声明的飞行包线和转速、功率/推力范围内的振动要求。发动机部附件暴露在一定量级的振动条件下，其振动响应与部件结构、材料等特性和激振源、空气动力等环境条件相关。根据安装位置可以将发动机部附件大致分为内部部件和外部部件。对于转子和叶片等直接位于气流中的内部部件，影响因素有定子、转子、支柱的扰动、进气畸变、气动和阻尼等，叶片还可能处于失速和颤振等不稳定状态导致的振动环境中。外部部件则在转子不平衡及相关谐波频率下振动。

1 转子不平衡

由于转子制造和装配的质量不均匀，导致转子相对于旋转轴偏心引起转子不平衡。转子不平衡在某个转速上引发谐振，因此，必须确定转子不平衡范围。产品说明和发动机手册应明确可接受的转子不平衡范围。

测量转子允许最大振动量级时，发动机的低速、高速或中间转速的主要转子一定是不平衡的。例如：具有双转子系统的发动机达到最大不平衡时，高速转子应工作在允许的最大不平衡状态下；低速风扇和涡轮转子则工作在允许的低速转子转速下。除设计和维修导致的不平衡外，还要考虑飞行时可能遇到的结冰和冰积聚等环境条件。

评估发动机振动需要确定振幅等振动条件。确定发动机振动条件时应在预先声明的工作转速范围内的典型转子不平衡状态下进行。同时，为了确保发动机维护后仍能符合33.63 的要求，应在发动机手册中描述的典型转子不平衡状态下确定振动条件和验证其与33.63 的符合性。试验时，发动机应在最小转速至最大转速或允许转速之间慢加速和慢减速，包括声明的瞬态过程。每个加速或减速过程至少持续2 min。此外，还要考虑油门爆裂甚至破碎的情况。为了捕捉到具有代表性的振动特性，可能需要多次重复加速和减速过程，并对多台发动机进行调查。

2 发动机部附件振动

2.1 发动机部附件自身

评估发动机振动时，应考虑发动机部附件自身的影响：1）设计因素，如公差对部件的固有频率和幅值响应有明显的影响；2）生产、制造和发动机手册规定的维护，如振动试验或分析应在最大转子不平衡状态下进行，生产、制造和维护则影响转子不平衡；3）可能导致机翼损失等机械故障的发动机配置。

2.2 飞行包线和工作条件

必须考虑发动机在其声明的飞行包线和工作转速、推力/功率范围内的以下几种情况。

a）功率和推力为最大值，物理转速和修正转速为额定和最大值的情况

最大允许速度包括任一时刻的瞬时速度。外部部件仅对物理转速敏感，内部部件则对考虑了功率/推力相关的气流通道后的修正转速敏感。

式（1）中：NC——修正转速；

Nr——物理转速；

Tinlet——转子系统的进气温度（兰氏温度）。

影响振动的发动机操作或动作，包括：发动机起动、熄火、加速、减速、怠速和油门爆裂等。发动机振动条件试验过程中，急加速能突出脉冲导致的瞬态响应，慢加速和减速则提供了足够时间直至振动稳定达到峰值。

b）飞行包线参数

如海拔、大气温度或其他因素，大气温度会影响修正速度，修正速度又会影响振动幅响。

c）除转子设计、制造和维护外，其他影响转子不平衡的工作条件，如结冰和冰积聚等。

2.3 发动机振动应力

部附件持续或重复暴露在超过耐久极限的过应力会累积高周疲劳损伤甚至失效。对于其失效会引发严重发动机后果的部附件，不可因设计和工作限制累积高周疲劳损伤。必须证明在预先声明的工作包线（包括最大转速）内，发动机正常或典型操作，以及声明的飞行包线内可能出现的不利情况下，不会导致任何部附件经受过应力。

2.4 对飞机的振动影响

33.63 规定不可将过大的振动应力传递给飞机结构。由于传递给飞机的振动应力水平没有明确的等级划分准则，因此必须在发动机安装和工作手册中明确发动机传递给飞机的振动应力，至少应明确转子不平衡的振动，以证明发动机符合33 部的要求。此外，发动机振动符合性验证应尽量与飞机制造商协商。

2.5 可接受的符合性验证方法

可接受的符合性验证方法包括部件试验、分析或二者结合的方式。满足以下任一条件的部件应采用试验的方法：

1）关键部件；

2）在FAR 33.7 规定的工作极限转速附近有明显的谐振；

3）暴露在复杂的振动环境中，仅采用分析不够充分时。

第3 章和第4 章分别讨论了外部部件和内部部件的振动符合性验证。对于第3 章和第4 章未讨论到的部件，例如：机匣、框架、燃烧器和机身接口部件（发动机安装、排气喷嘴和逆推器）等，应采用类似方法。适用时，也可采信其他符合性验证试验的数据，如表1 所示。

表1 FAR 33 部规定的发动机部附件振动评估

对于服役时间足够长且振动条件已知的部件，如已暴露在频率范围更宽的其他发动机振动环境中，则可以根据经验分析验证。分析应预测部件所处的振动环境并评估部件响应，目的是证明不会经受过应力。分析方法应被其他试验证实有效。

3 外部部件振动符合性验证

外部部件振动符合性验证时要考虑转子不平衡的影响，避免因飞机安装和运行出现的不同瞬态或稳态应力引起振动差异，从而导致评估结果不同。验证时应尽可能地在系统级进行以考虑接口的影响。评估电气系统或发动机线束的振动条件时，还应考虑载荷的影响，如分析燃油管路谐振特性时应考虑燃油压力的影响。

外部部件振动试验可在发动机或实验室振动台上进行。根据振动条件是否已知和实验室能力选择全发动机试验、实验室试验或二者结合的方式。例如：对于振动条件未知的新研部附件，推荐进行全发动机试验；然而，对于固有频率和振动条件已知的部件仅需开展驻留耐久试验；对于新研发动机，应开展高速转子频率步进试验和低速转子频率驻留试验。

a）步进耐久试验

发动机步进耐久试验的目的是激发发动机系统和部件谐振，并在谐振点上驻留足够多的周期以确定部件的耐久性能。应在典型转子不平衡状态下开展覆盖全频率范围的步进耐久试验。试验包括加速和减速过程，应选择足够小的步长和足够充分的台阶驻留时间，以确保在每个频率上累积足够的周期。推荐高转速步长120 rpm，驻留时间是高速转子周期的105 倍。试验前后均需要检查部件的振动特性，若有不一致的情况应作出解释。

b）驻留耐久试验

驻留耐久试验适用于发动机部附件或步进耐久试验中未充分考核的频率。试验条件应根据发动机振动数据实测，步进耐久试验等其他试验或分析方法确定。振动激励应包括峰值频率和33.7 规定的工作极限转速附近的非峰值频率。驻留时间应至少为106 个周期。对于试验时间太长的低频振动，可以根据材料疲劳特性适当地增大试验应力或采用其他方式缩短驻留时间。

4 内部部件振动符合性验证

转子叶片、静子叶片、转子盘、隔圈和转子圈等内部部件既要验证其与33.83 的符合性，也要满足33.63 的规定，即不能因振动经受过应力。若这些部件没有按照33.83 开展试验，应在验证其与33.63 的符合性时予以说明。对于33.83 未考虑的公差、尖端间隙等影响模态和响应的发动机设计因素和工作环境，应按照33.63 进行验证。

飞行中结冰、降雨和冰雹，以及其他导致发动机重复或持续动作对可能影响叶片振幅或引发边缘颤振，如果此时的振动应力超过了33.83 振动试验的应力水平，应在验证其与33.63 的符合性时证明未经受过应力。

发动机风扇叶片和机匣之间的相互作用可能产生无法避免的破坏性振动，并带来严重的后果。该过程可能很迅速以至于振动传感器无法响应时间和加速度的变化。必须通过分析、试验或经验表明风扇叶片和机匣对二者之间的相互作用不敏感，并且不存在导致二者相互作用的可能。

5 试验实施

5.1 试验配置

发动机系统及部件的振动试验环境应能充分地代表发动机。试验时应考虑对发动机振动有影响的安装特性和接口等配置，例如：整流罩、发动机架、进气或出气结构等机身元件的重量、重心和刚度等均对其有影响。充液管路和软管等部件的试验配置应考虑压力、温度或其他参数对振动的影响。如果发动机的安装特性未知，必须按照33.5 提供的安装说明来评估其对振动的影响。

5.2 试验设备

整个试验过程中应有充足的振动监测仪器来监测试件振动。比较标称转子和不平衡转子的振动条件可以指示振动监测单元的灵敏度响应。传感器、加速度计或状态监测单元应布置在对转子系统不平衡敏感的部位，应布置在风扇机匣、压缩机机匣、燃烧室外壳、排气结构和附件变速箱上或附近，必要的话，可以直接布置在部件上或部件附近，以便能正确地监测到试件的振动响应量值。

5.3 试验顺序与合格判据

试验开始前应明确试验合格判据，合格判据可以是功能性能检查和振动量级；可接受的试验后部件内部检查项目，必须监测振动量值，监测方法的精度必须满足相关要求。

确定试验顺序时应确保找到重要的振动特性并供后续试验参考。例如：振动条件测试在步进和驻留试验之前进行，以确保步进和驻留试验时能考虑到振动条件测试中出现的所有的尖峰和明显的振动。

5.4 试验后检查

试验后应对试件的结构和功能进行必要的评估和检查。试验大纲应规定目视、非破坏性检查和功能测试等检查方法。对于高周疲劳引起的无法通过目视检查识别的损伤，必要时应拆下振动敏感部件进行彻底的检查。试验报告应对试验后检查发现的任何损伤、过应力或超出事先规定范围的磨损进行解释，并分析产生的影响。

6 结束语

本文分析了发动机部附件振动应力来源，介绍了验证发动机外部部件和内部部件振动符合性、试验实施应考虑的因素，对于发动机部附件振动适航取证具有指导意义。