转子热弯曲引起的振动故障特征与试验研究

郭小鹏，吴英祥，姜广义

(沈阳发动机设计研究所 第十三研究室，沈阳 110015)



转子热弯曲引起的振动故障特征与试验研究

郭小鹏，吴英祥，姜广义

(沈阳发动机设计研究所 第十三研究室，沈阳 110015)

从试验角度研究热弯曲对转子振动的影响和转子振动故障特征。在考虑温度场载荷工况下建立三维实体有限元模型。在热弯曲变形和初始变形条件下进行了某型发动机高压转子振动响应分析，并对在不同停车时间间隔下的启动过程中的高压转子振动情况进行了统计分析。结果显示：该型发动机高压转子临界转速范围为54.0%～56.1%N2，停车后25分钟内再启动时热弯曲对高压转子影响最大，300分钟后再启动时热弯曲对高压转子影响很小。热启动应该避开停车30分钟这一时间段，或者在这一时间段冷运转后再启动以减小热弯曲对瞬态振动的影响。研究为转子系统的优化设计提供了一定的理论基础和试验数据。

转子热弯曲；碰摩；整机振动；临界转速；有限元

航空发动机是在高速、高温和高负荷下工作的动力机械，这种复杂的旋转机械的压力、温度、转速和应力变化范围很大。由于航空发动机转子系统的工作环境非常恶劣，特别是在发动机起停过程中，明显地表现出温度分布不均及温度随停车时间变化对发动机高压转子的振动响应具有较大的影响。目前国内外学者广泛采用单一物理场转子动力学模型研究转子系统动力学特性，忽略转子温度场对动力学特性的研究。对于简单转子系统单一瞬态动力学的研究较广泛，对于复杂转子系统瞬态温度场下的瞬态热振动的研究很少[1-3]。因此，进行复杂热环境下的复杂转子系统的动力学行为研究具有重要的理论和工程意义。任平珍等人[4-5]研究了航空发动机转子系统稳态热弯曲下的稳态振动特性，未考虑瞬态温度场的影响。本文建立考虑温度场载荷工况下的三维实体有限元模型，计算了高压转子在温度场下的热弯曲变形和高压转子在具有初始变形的振动响应，并对某型发动机长试过程中不同停车时间间隔下再启动过程中高压转子的振动情况进行了统计分析。

1 振动故障特征和原因分析

转子热弯曲是指由于转子上、下温度不同，导致热膨胀伸长不一样，使得转子发生暂时性的弯曲，一旦温度均匀转子的热弯曲就会消失。

1.1 转子热弯曲现象和特征

转子热弯曲的最突出特点是在发动机热启动过程中或热启动将完成刚进入慢车转速时，发动机发生较大振动。当故障现象较轻时，压气机转子工作叶片轻微偏磨，前轴承滚子轻微擦伤，发动机效率降低；故障严重时，压气机转子前轴承滚子、保持架和内环“抱死”，外环严重损伤，轴承内环相对外环产生偏心，使压气机转子严重偏磨，有时引起压气机转子叶片与机匣以及转子封严篦齿与静子叶片封严环之间严重碰摩，严重时造成转子叶尖多处掉角和出现裂纹等后果[6-14]。国内外航空发动机研制部门非常重视对转子热启动问题的研究和验证工作。美国空军的涡轮发动机结构完整性大纲指出，从满足飞机战术要求来讲，应该将解决热启动问题列入修改结构或冷却流路等日程，并已将研究挠曲转子的起动问题列入新的设计和试验中[15]。航空发动机转子热弯曲故障常发生在压气机转子而不易发生在涡轮转子处。因为涡轮转子的涡轮轴外面通常有隔热屏包围，燃烧室的热量难以传到涡轮轴，再者涡轮级数少，距喷口近，通风条件好，所以发动机停车后热启动涡轮转子的热弯曲现象不严重，即使有一些热弯曲量，也因涡轮转子工作叶片叶尖间隙大而不易发生热弯曲故障。

热弯曲的转子旋转时，因质量离心力不平衡将引起较大振动，振动特征与转子不平衡引起的振动特征有相似之处，也有差别。转子热弯曲(a)与不平衡力(b)作用下两种振动的幅频线如图1所示。R为振幅，R0是转子原始弯曲挠度，e是转子不平衡偏心距。

图1 转子初始弯曲和不平衡时的幅频图

从图1可以看出，临界转速时振动最大；转子弯曲引起的振动在亚临界、低转速时的振幅比质量偏心时的大；在远超临界转速时转子弯曲引起的振幅要比转子不平衡引起的小。转子在低转速时振动较大，若是热启动后出现的，可以肯定是转子发生了热弯曲，转子在慢车转速期间发现振动过大就不会是转子热弯曲故障，很可能是起因于转子不平衡。如果不是热启动发现临界转速时振动过大，则肯定不是转子热弯曲，有可能是转子不平衡量过大引起。发动机在工作转速不会出现转子热弯曲，在飞机飞行中停车再启动也不会发生转子热弯曲故障，因为发动机在空中停车后，转子会被气流吹转使得转子沿圆周温度分布均匀，所以转子热弯曲发生在地面启动过程中。

1.2 转子热弯曲原因分析

航空发动机转子存在一个共振转速(即临界转速)，由于转子系统的不平衡量，轴颈不同心和转子初始弯曲等原因，特别是在航空发动机转子停车后，在冷却过程中因自然对流换热，发动机转子部件温度分布产生强烈变化，使转子的实际温度分布在各个轴段均不相同，转子发生热弯曲变形,如果在热弯曲变形过大情况下再次启动，会产生很大的振动。国内外曾多次发生发动机因转子热弯曲引发的振动明显增大问题。如奥林巴斯593发动机高压转子在发动机停车后产生了较严重的热弯曲，特别是在停车后1.5 h更加严重；某国产发动机压气机在5、8级外机匣上靠下左右两侧各装有放气活门，该发动机在地面试车中热启动后发生动、静件碰摩故障，造成很大损失。其中一次故障后检查发动机转子磨损情况，发现压气机转子都是同侧碰摩，叶片损伤结果如表1所示。

表1 某发动机压气机转子热弯曲碰摩各级叶片损伤数 片

从表1中可以看出，第8级转子叶片损伤比例最大，其次是5级，4、3、2、1级，最后为9、10级处。这是因为刚停车时压气机中各级气体温度后高前低，气门打开后进入的冷空气温度相同，第8级叶片温差比第5级的大，因此第8级叶片磨伤比例要比5级的磨伤比例高。从放气活门进入的冷空气向前流动，故5级前损伤比例逐级减少，9、10级叶片的温差不受放气活门进入的冷空气影响，因此损伤叶片比例较少。此次故障表明放气活门对该发动机热启动引起的碰摩故障起了重要作用。

2 高压转子有限元模型

2.1 计算模型

本文以某型航空发动机双转子系统中高压转子为研究对象，对实际高压转子轴系进行模化处理，在考虑温度场载荷工况下采用转子动力学有限元法进行振动响应分析。某型发动机高压转子系统模型如图2所示，有限元计算模型如图3所示，5个支点的刚度值如表2所示。计算边界条件为前轴颈端面施加轴向位移约束，2个轴承支点截面分别施加垂直方向位移约束，对模型的3个不同区域施加了不同的温度场，温度场形式见表3。

1-前轴颈断面；2-斜锥臂前拐点；3-三级盘；4-四级盘；5-五级盘；6-六级盘；7-七级盘；8-八级盘；9-九级盘；10-高压后封严盘；11-鼓筒中间截面；12-高涡一级盘；13-高涡二级盘；14-高涡封严盘；15-后轴颈断面

图2 某型发动机高压转子系统模型

图3 某型发动机高压转子有限元计算模型

支点号12345刚度/(N·m-1)2．1×1076．86×1075．54×10725×1071．25×107

表3 温度场的变化情况

2.2 计算结果

在如表3所示的温度场作用下，通过有限元计算得到转子系统的位移变化云图见图4，二、三支点的位移响应见图5,二、三支点速度响应见图6，图7为高压转子前四阶阵型，高压转子的临界转速和应变能分布见表4。

图4 温度场作用下的位移变形云图

图5 三支点的位移响应图

由图5和图6可以看出，二、三支点的最大响应出现在38 Hz，95 Hz，137 Hz和157 Hz等位置，峰值点附近位置响应受阻尼影响较大，离开峰值点的其他位置，主要是受热弯曲变形的影响。从图7及表4可以看出，前两阶临界转速远低于发动机慢车转速(73.6%)，因此不会引起大的振动，高压激振第3阶临界转速，振型为高压转子俯仰型，主要受高压压气机质量及3支点支承刚度的影响，3支点应变能占81.5%，高压转子应变能占14.5%，在发动机台架振动表现为中介机匣高压转速分量振动，对应下文中V测点，对高压转子前端不平衡量比较敏感。

3 试验结果

3.1 振动测点位置

某型航空发动机安装于某台架，发动机主支点在顺航向右侧，后吊挂为左侧。振动传感器安装位置如图8所示，其中V测点位于中介机匣后，安装边垂直正上方，此测点振动值反映了发动机三支点振动情况。

图6 三支点的速度响应图

图7 前四阶临界转速对应的振动模态

阶次临界转速/%Erotor/%E1/%E2/%E3/%E4/%E5/%115．574．10．250．260．360．4424．6238．890．57．420．391．450．050．21355．814．50．00140．3681．52．191．41464．271．70．164．6622．640．620．198

图8 振动测点安装位置

3.2 瞬态温度场对高压转子振动响应的影响

本文对某型航空发动机长试过程中不同停车时间间隔下再启动过程中高压转子的振动情况进行了统计和分析，得到了自然对流条件下不同停车时刻高压转子瞬态热启动过程中的振动响应。表5给出了不同启动时间高压转子在临界转速附近的整机振动响应，图9为不同启动时间高压转子的振动趋势图，图10为该发动机启动时V测点振动三维频谱图。

在高压转子停车后的冷却过程中因自然对流换热转子发生热弯曲变形。如果在热弯曲变形过大的情况下再次启动，会产生很大振动，因此本文对某型发动机长试过程中不同停车时间间隔下再启动过程中高压转子的振动情况进行了统计分析。从图9中可以看出，发动机在停车后25 min

表5 不同启动时间高压转子在临界转速时的振动响应

图9 不同启动时间高压转子V测点振动趋势图

图10 发动机启动时V测点振动三维频谱图

内再启动热弯曲对高压转子影响最大，此时V测点振动为27 mm/s，30～120 min内热弯曲对高压转子影响降低一些，此时V测点振动为20 mm/s左右，当300 min以后再启动热弯曲对高压转子影响很小，此时V测点振动为10 mm/s以下。从V测点振动三维频谱图中可以看出启动过程中振动频率成份主要为高压基频(N2)和倍频(2N2)，通过对高压转子的振动情况统计分析得到某型发动机高压转子临界转速范围为54.0%～56.1%N2，这与有限元计算得到的55.8%N2一致，高压转子停车后冷却过程中因自然对流换热，使转子发生热弯曲变形。如果在热弯曲变形过大的情况下再次启动，会产生很大的振动，通过本文试验统计得到发动机在停车后25 min内再启动热弯区对高压转子影响最大，热启动时应该尽量避开停车30 min这一时间段，或者在这一时间段冷运转后再启动减小热弯曲对瞬态振动的影响。

4 结论

(1)三支点峰值点附近位置响应的实际大小受阻尼影响较大，离开峰值点的其他位置，主要是受热弯曲变形的影响，速度响应除峰值点外，主要集中在10～30 mm/s之间，与试验数据得到的振动值偏差小于5%。

(2)通过对高压转子的振动情况统计分析得到某型发动机高压转子临界转速范围为54.0%～56.1%N2，有限元计算得到高压转子临界转速为55.8%N2，理论计算与试验得到高压转子临界转速偏差小于1.8%。

(3)发动机在停车后25 min内再启动热弯曲对高压转子影响最大，此时V测点振动为27 mm/s；30～120 min内热弯曲对高压转子影响降低一些，此时V测点振动为20 mm/s左右；当300 min以后再启动热弯曲对高压转子影响很小，此时V测点振动为10 mm/s以下，热启动时应该尽量避开停车30 min这一时间段，或者在这一时间段冷运转后再启动减小热弯曲对瞬态振动的影响。

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(责任编辑：宋丽萍 英文审校：刘红江)

Experimental investigation of rotor vibration fault caused by rotor thermal bending

GUO Xiao-peng，WU Ying-xiang，JIANG Guang-yi

(The 13thResearch Dept.,Shenyang Aeroengine Research Institute,Shenyang 110015,China)

The effect of thermal bending on rotor vibration and the fault characteristics of rotor vibration were studied from an experimental perspective.Three-dimensional finite element model was established according to the temperature load.The vibration response analysis of the high-pressure rotor of an aeroengine was completed under thermal bending deformation and initial deformation.The vibration characteristics of high-pressure rotor were statistically analyzed for different restart processes under different stopping time interval.The analytical results show that the critical speed of high-pressure rotor of the engine ranges between 54.0%～ 56.1%N2 and thermal bending has the greatest impact on high-pressure rotor when the aeroengine restarts 25 minutes after stopping.However,thermal bending can hardly have any effect on high-pressure rotor if the engine restarts 300 minutes after stopping.It is advised that hot start be avoided within 30 minutes after stopping,or restart after cold operation during this time range,to decrease the effect of hot bending on transient vibration.The study provides the theoretical and experimental data for the optimization design of rotor system.

rotor thermal bending;rubbing；whole-body vibration;critical speed;FEM

2014-12-13

国家重大基础研究资助项目(项目编号：国家973项目XXX)

郭小鹏(1982-)男，河北涞水人，工程师，主要研究方向:航空发动机强度、振动及噪声，E-mail:guoxiaopeng312@163.com。

2095-1248(2015)05-0026-06

V232.4

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2015.05.002

航空宇航工程