双转子涡扇发动机振动基准曲线的建立及应用*

郭海东，李国鸿，张永峰，陈 钊，许艳芝

(中国飞行试验研究院发动机所，陕西西安 710089)

0 引言

飞行试验中对发动机进行安全监控非常重要，其中发动机振动参数是必不可少的监控内容［1］。目前我国涡扇类发动机主要以发动机机匣振动速度总量作为发动机振动监视参数，且主要以某单一限制值作为发动机振动是否异常的判据［2］。这种振动监测方式未考虑发动机工作状态与发动机振动水平的关系及每台发动机振动情况的差异，具有一定局限性。

发动机振源很多，主要包括发动机转子转动、发电机转动、齿轮、轴承转动、流体激振、燃烧震荡、局部共振等［3－4］，但其中最主要的振源为发动机转子。对于双转子涡扇发动机而言，高、低压转子振动为主要振源，高、低压转子的振动信号能够直接反应发动机的工作状态，因此对发动机高、低压转子振动信号进行监测非常关键。以发动机高、低压转子振动基频作为对象，利用加装振动传感器参数建立发动机振动基准曲线，该基准曲线与发动机工作状态及发动机本征特性具有紧密关系，能够反应出发动机不同工作转速下的振动水平，可以更快更准的监视发动机工作状态，依此作为发动机振动监视限制参考对双转子涡扇发动机安全试飞具有重要意义。同时，加装振动传感器参数可以用于发动机振动特性及故障分析，大大改进了以往振动总量监测的局限性。

1 建立振动基准曲线

1.1 振动基准曲线的原理

发动机振动基准曲线(VBL)是指与发动机工作状态密切相关的转子物理转速nc与发动机振动值B之间的固有规律(见式(1))，与飞行环境、发动机故障等无关，是可以代表发动机健康状态的一组参考值［5］，可通过对多次试验和飞行数据的统计分析获得。在试飞过程中，可通过将发动机每一架次的振动值与其基准曲线进行比较来判断发动机的健康状况。

式中:N1为nc最小允许转速，N2为nc最大允许转速，BN为振动基准曲线上nc=N时的振动值。

一般需要专门安排装机试验录取基准振动基线VBL0，此外还需要安排专门的振动基线修正试验对VBL0进行修正，具体实施步骤如下。

(1)通过装机地面试验或飞行试验获得基准振动基线VBL0。

(2)安排4到5架次振动基线修正飞行试验，并对试验数据进行处理，获得VBLk。

(3)利用VBLk对VBL0进行修正(方法如式(2)、式(3)所示)，得到VBL。

振动基准曲线录取试验一般安排在发动机装机且完成全面试车后，振动基准曲线录取飞行试验和振动曲线修正飞行试验应尽可能的安排在最初的几次飞行试验时完成。试验点应覆盖所有可能的发动机状态，且nc试验步长一般为1%(但操作步长不限制，以试车员和飞行员易于操作为准)。

1.2 振动基准曲线的建立

以某型双转子涡扇发动机为试飞平台，针对该型发动机特点，安排试飞架次开展发动机振动基准曲线的录取。为保证数据的准确性，将振动基准曲线录取试飞架次安排在试飞前期、发动机状态良好的阶段进行。在飞机巡航高度和巡航速度下，调整被试发动机至慢车状态，稳定3 min后发动机高压转速以2%步长增加直到起飞状态，每个转速状态保持稳定2 min，录取发动机不同工作转速下不同测点的振动值。

被试发动机上共加装有7个加速度振动传感器，分别位于进气机匣(垂直振动)、分隔机匣(垂直、水平振动)、压气机机匣(垂直、水平振动)和涡轮机匣(垂直、水平振动)位置处。本文只选取压气机机匣垂直测点的试飞数据对发动机振动基准曲线的建立过程进行说明，其它测点方法相同。

利用试飞过程中压气机机匣垂直测点所录取的发动机振动值建立的振动基准曲线见图1所示。

图1 压气机机匣垂直振动基准曲线

由图1可知，发动机高、低压基频分量振动值随着高压转速的增大整体上趋于增大，局部转速下会出现转折，相比传统单一的振动限制值，建立振动基准曲线更能反应出发动机不同转速下振动值的变化特性。

2 事后离线振动监测

由于该型发动机试飞过程中未设置地面实时安全监控，为了保证飞行安全，每个架次飞完后，必须及时处理分析振动数据，利用所建立的振动基准曲线分析发动机的振动情况，判断发动机的健康状态，进而为后续安全飞行提供一定的参考。

由于发动机的振动除发动机高、低压转子主要振源外，还受外界不稳定气流等因素的影响，发动机振动值具有小范围的波动性，因此在所建立振动基准曲线上增加一定的裕度作为振动限制曲线来判断发动机振动是否正常。根据试飞前期多个架次振动数据的统计，可以确定出不同转速下振动值的波动范围，进而确定了振动基准曲线所需增加的裕度ΔB(低压转子基频分量:Nh≤90%时，ΔB=2，Nh＞90%时，ΔB=4;高压转子基频分量:ΔB=4)，即得到了振动限制曲线L=VBL+ΔB(低压转子基频分量:Nh≤90%时，L=VBL+2，Nh＞90% 时，L=VBL+4;高压转子基频分量:L=VBL+4)，此处不再阐述统计过程。对该型发动机试飞中某五个试飞架次的典型状态振动数据进行基于振动基准曲线的事后离线监测分析，分析结果见图2所示。

图2 基于振动基准曲线的事后离线振动监测(压气机垂直测点)

由图2可知，所分析试飞架次的振动数据均在所建立发动机振动基准曲线左右波动，且均在所建立的振动限制曲线以内，因此，认为试飞过程中发动机振动正常。

3 结论

通过对双转子涡扇发动机振动基准曲线的建立及应用，得到以下结论。

(1)介绍了双转子涡扇发动机高、低压转子基频分量振动基准曲线的建立过程及应用，利用基于振动基准曲线的事后离线监测方法为某型双转子涡扇发动机的安全飞行提供了保障，验证了基于振动基准曲线进行事后振动离线监测的有效性。

(2)双转子涡扇发动机在不同工作转速下具有不同的振动特性，基于振动基准曲线的事后离线监测方法弥补了传统单一振动限制值方法的缺点，对发动机振动具有更强的敏感性，能更好的反应发动机在不同工作转速下的振动特性。

(3)在飞行架次允许的条件下，应尽可能利用更多架次的试飞数据对振动基准曲线进行修正，从而提高振动基准曲线和限制曲线的准确性。

［1］ 张群岩，赵述元，李飞行.航空发动机试飞振动实时监测技术研究［J］.噪声与振动控制，2011，2(38):159－161.

［2］ 可成河，巩孟祥，宋文兴.某型发动机整机振动故障诊断分析［J］.航空发动机，2007，33(1):24－26.

［3］ 付才高.转子动力学及整机振动［M］.北京:航空工业出版社，2000.

［4］ 王海霞.航空发动机整机振动分析与故障排除［D］.大连:大连理工大学，2008.

［5］ 钟诗胜，崔智全，付旭云.Rolls－Royce发动机基线挖掘方法［J］.计算机集成制造技术，2010(10):1001－1011.