机场环境对某型民用飞机辅助动力装置振动的影响研究

吕金华，张发富，张强

(中国商用飞机有限责任公司 上海飞机设计研究院，上海 200120)

0 引言

目前我国航空事业的飞速发展，除了可直接为飞机提供动力的主发动机外，还涌现出以辅助动力装置(auxiliary power unit,APU)为代表的各种新型航空动力装置。从原理上来说，辅助动力装置相当于一台小型的燃气涡轮发动机，主要功能有：地面起动主发动机、飞机地面运转或维护时提供电源、为飞机环控系统提供压缩空气源、驱动飞机的液压系统、空中停车时提供应急电源或起动主发动机等，其技术复杂程度与飞机主发动机相当。航空辅助动力装置主要作用是给主发动机提供起动时所需要的功率，尤其当飞机的主发动机在高空运行时发生故障，航空辅助动力装置能够提供主发动机快速起动所必需的液压、电源等辅助能源，有力地保障了飞机的飞行安全[1-2]。

对于航空辅助动力装置而言，振动是一个非常重要的监控参数，振动信号的大小可以反映出航空辅助动力装置运行情况的好坏。在工程应用中，航空辅助动力装置绝大部分故障的产生首先都是因为发生了振动故障。振动异常除了会使零件损坏之外，还透露了航空辅助动力装置中潜在故障的信息，如不及时加以检查、排除，就有造成严重恶果的可能[3]。辅助动力装置振动不仅与其本身转子设计有关，还受到其使用环境如温度、侧风等因素的影响。

国外主机供应商如霍尼韦尔通过环境模拟试验研究温度、海拔高度等环境因素对辅助动力装置振动的影响，但是由于各国对航空辅助动力装置的振动研究还处于保密阶段，相应的技术文献资料较少。目前国内主要通过仿真分析环境因素对航空发动机转子振动的影响，如艾书民通过热-结构耦合模型研究温度场对转子系统振动特性的影响[4-5]，但是缺少试验研究。本文通过实机地面试验研究机场风向、温度对辅助动力装置振动能量的影响。

1 传感器布置

本文采用在辅助动力装置机匣布置压电加速度计的方式测量辅助动力装置的振动。根据某型辅助动力装置结构，在其齿轮箱顶部加装3个加速度计以测量前轴承处转子轴向、垂向和侧向的振动。由于空间位置的限制，在涡轮机匣上部只能布置1个加速度计，以测量后轴承处转子径向的振动[6]。

加速度计采样率为8192Hz，满足Shannon采样定理，可以有效采集辅助动力装置的振动数据[7]。

2 振动数据处理

机械振动可以用振动位移、速度、加速度3个互相关联的参数表示，其中速度反映物体的振动能量，加速度反映物体的振动惯性力[8]。本文使用振动速度方均根值(有效值VRMS)反映辅助动力装置的振动能量，同时使用辅助动力装置工作转速下的加速度值反映辅助动力装置的转子激振力。

2.1 振动速度有效值

振动速度有效值VRMS为速度对时间的平均，计算公式如式(1)所示，其数值大小可以恰当地评价转子的平衡质量和运转状态的好坏。

(1)

式中：VRMS为振动速度有效值；Vi为每个采样点的振动速度；n为每0.1s的采样点数[9]。

2.2 傅里叶变换

基于傅里叶变换的频域分析是目前比较成熟且使用最广泛的航空发动机振动信号处理方法，可以将复杂的非平稳时域信号转换为稳定和清晰的频域信号。对于时域信号x(t)，若x(t)满足狄氏条件，在(-∞，+∞)上可积，则x(t)的傅里叶变换为

(2)

式中:F(ω)为傅里叶变换后的频域信号；x(t)为振动时域信号[10]。

2.3 振动数据处理流程

本文对加速度传感器采集得到的振动信号处理流程如图1所示。

图1 振动信号处理流程

在计算振动速度有效值之前需要先对加速度传感器采集的原始信号进行低通滤波、数值积分以及高通滤波处理。低通滤波保留2500Hz以下的振动信号，是为了避免高频噪声的影响。离散数值积分的目的是将加速度信号转换为速度信号。高通滤波是为了消除离散数值积分引起的低频噪声。本文关心的是转子激振力，转子激振力由转子运动引起，主要成分为转子工作转速下的力。所以本文在傅里叶变换后，需根据辅助动力装置每秒的平均转速选取此转速对应的加速度值。

齿轮箱轴向、垂向、侧向和涡轮机匣径向振动大小各不相同，绝对值无法有效、准确反映机场风向、温度对辅助动力装置各处振动的影响。因此本文用每个加速度传感器在不同风向(温度)下的最大振动值进行归一化处理。

3 机场风向对振动的影响

3.1 机场风向对振动能量的影响

假设飞机逆风，且机场风向与飞机轴线完全平行时为0°。在某型号飞机辅助动力装置的齿轮箱和涡轮机匣上分别安装振动传感器，在锡林浩特机场将飞机分别放置在与机场风向成90°、180°和270°的位置上，如图2所示。空载运行辅助动力装置2min，测量其振动情况，重复进行2次试验，取2次试验的平均值。

图2 飞机与机场风向相对位置

对于采集的振动数据按图1方法处理后得到辅助动力装置在不同机场风向下的振动速度有效值，如图3所示。从图中可以看出，齿轮箱轴向振动速度有效值在顺风180°下最大，在90°侧风下最小，两者振动均值相差27.2%；齿轮箱侧向振动速度有效值也是在顺风180°下最大，在90°侧风和270°侧风下的差异很小，振动均值相差最大为9.3%。齿轮箱垂向振动和涡轮机匣径向振动在180°顺风、90°侧风和270°侧风下差异较小，振动均值相差最大仅为4.2%。因此，辅助动力装置在顺风下的振动能量最大，在90°侧风、270°侧风下除了齿轮箱轴向振动能量差异明显外，其余3个方向振动能量差异很小。这可能与辅助动力装置的进气畸变有关，本文所测试的辅助动力装置布置在飞机尾部中轴线附近，因此90°侧风和270°侧风下进气畸变差异很小，但是在顺风下，辅助动力装置进气会受到进气风门的阻挡，容易导致进气畸变的变大。

图3 辅助动力装置在不同机场风向下的振动速度有效值

3.2 机场风向对转子激振力的影响

辅助动力装置在不同机场风向下的转子频率对应的加速度值如图4所示。从图中可以看出，对于齿轮箱轴向振动，顺风180°下的加速度值最大，侧风90°下的加速度值最小，加速度平均值相差58%；对于齿轮箱侧向振动，在，侧风90°下的加速度值最大，侧风270°下的加速度值最小，平均值相差27%；对于齿轮箱垂向振动和涡轮机匣径向振动，两者都是侧风90°下的加速度值最大，顺风180°下的加速度值最小，加速度平均值最大相差33%。因此本文辅助动力装置的轴向激振力在顺风下较大，在径向激振力在侧风下较大。这说明辅助动力装置转子振动可能受到了同方向尾椎运动的影响。

图4 辅助动力装置在不同机场风向下的振动加速度

4 机场温度对振动的影响

4.1 机场温度对振动能量的影响

在某型号飞机辅助动力装置的齿轮箱和涡轮机匣上安装振动传感器，在吐鲁番机场高温(35℃±5℃)环境、敦煌机场常温环境(10℃±5℃)、西安环境实验室低温环境(-10℃±5℃)下，分别空载运行辅助动力装置2 min，测量其振动情况，重复进行2次试验，取2次试验的平均值。

辅助动力装置在不同温度下的振动速度有效值如图5所示。从图中可以看出：齿轮箱轴向、垂向、侧向和涡轮机匣径向振动速度有效值都是在高温下最大，在低温下最小；齿轮箱侧向振动速度有效值的平均值相差最大为46.8%，涡轮机匣径向振动速度有效值的平均值相差最小为29%。因此，在-10℃～35℃范围内，辅助动力装置的振动能量随着温度升高而增大。

图5 辅助动力装置在不同机场温度下的振动速度有效值

4.2 机场温度对转子激振力的影响

辅助动力装置在不同温度下转子频率对应的加速度值如图6所示。从图中可以看出：对于齿轮箱轴向振动，高温下的加速度最大，常温下的加速度平均值仅比低温下的加速度平均值大0.006%；对于涡轮机匣径向振动，常温下的加速度最大，低温下的加速度最小，两者加速度平均值相差48%；对于齿轮箱垂向、侧向振动，都是高温下的加速度最大，低温下的加速度最小，两者加速度平均值相差最大为64%。因此，在-10℃～35℃范围内，辅助动力装置在前轴承的转子激振力随着温度升高逐渐增大，在后轴承处的转子激振力在常温下最大，在低温下最小。

图6 辅助动力装置在不同机场温度下的振动加速度

辅助动力装置的振动能量和激振力在高温下较大，在低温下最小，这可能与辅助动力装置通风冷却有关。在高温下，辅助动力装置散热效果差，易导致转子轴承间隙、转子与机匣间的间隙减小，进而导致振动变大。

5 结语

本文基于实机地面试验研究机场复杂环境对某型辅助动力装置振动的影响，得出如下结论：

1) 辅助动力装置在顺风下的振动能量最大，在90°侧风、270°侧风下除了齿轮箱轴向振动能量差异明显外，其余3个方向的振动能量差异很小，这可能与辅助动力装置的进气畸变有关；

2) 辅助动力装置轴向转子激振力在顺风下较大，径向转子激振力在侧风下较大，这说明辅助动力装置转子振动可能受到尾椎运动的影响；

3) 在-10℃～35℃范围内，辅助动力装置的振动能量和激振力在高温下较大，在低温下最小，这可能与辅助动力装置通风冷却有关。

由于试验条件的限制，本文仅针对1种型号的辅助动力装置进行研究，风向角度只选择3个极端值，低温值也远未达到我国某些机场冬天的极端温度。因此若想将本文结论推广，还需做进一步的研究。同时本文仅通过试验得出机场风向、温度对辅助动力装置振动的影响，但对于其内部机理仍需做进一步分析研究。