双转子系统转子间碰摩故障研究*

何俊杰，郭小鹏，吴元东，乔保栋

(沈阳发动机设计研究所，辽宁沈阳 110015)

0 引言

碰摩是发动机最常见的故障之一，碰摩主要发生在转子叶片和静子涂层之间、静子叶片和鼓筒封严篦齿之间以及转子轴密封等处，目前国内外对碰摩的研究主要针对具有转静件碰摩故障的转子系统［1－4］，还未见对具有转－转子碰摩系统复杂动力学的研究。因此研究双转子间碰摩的振动特征和表现形式，对发动机的故障诊断和健康管理具有重要的意义。

1 高低压转子碰摩力方程的建立

当双转子发动机转子间发生碰摩时，假设高压转子与低压转子的碰撞为弹性碰撞，忽略摩擦引起的热效应。将高、低压转子简化为两端固支的Jeffcott转子，参考了文献［2］中的碰摩力模型，简化后的碰摩力模型如图1所示。设高压转子的轴心O1与低压转子的轴心O2在x方向相差δx，在y方向相差δy，则碰摩力方程可以表示为:

图1 碰摩力模型图

式中:μ为高低压转子接触时的摩擦系数，kc为高低压转子接触时的径向刚度，r=为碰摩时作用在高压转子上的径向力，Fτ1为碰摩时作用在高压转子上的周向力，FN2为碰摩时作用在低压转子上的径向力，Fτ2为碰摩时作用在低压转子上的周向力。

将高低压转子受到的四个力在x、y坐标系内投影后得到:

2 运动微分方程的建立

设高压转子质心在x、y方向的位移为x1、y1，低压转子质心在x、y方向的位移为x2、y2。为研究方便，忽略重力的影响，则简化后的双转子碰摩系统运动微分方程可以表示为:

对式(3)进行无量纲化处理，令:

则方程(3)可以无量纲化为:

为方便求解，令 Δx和 Δy均为 0，μ=0．1，ξ=0．1，φ=π/3，ac=1，ae=1．2，ak=2，aΩ从1．2 开始取值，以0．1 为间隔，取值到 3，用龙格库塔(Rung－Kutta)法对方程(4)进行求解，根据计算结果做出低压转子位移量随aΩ的变化曲线如图2所示。

图2 低压转子位移量随aΩ变化曲线图

由图2可看出随着aΩ增大，低压转子位移量先减小再增大，到达峰值后再次减小，即随着转速升高，低压转子位移量先增大，再减小，然后再缓慢上升。位移峰值表明转子在某个转速段出现较严重的碰摩。

3 试验验证

某发动机整机装配过程中4支点轴承外环与高压涡轮后轴配合尺寸超差，试车时转速上推过程中高低压转子存在振动同步突增、突降现象，下台分解发现4支点轴承外环有轻微划痕，即高低压转子间发生了碰摩。该发动机整机试车主机振动测试系统包含5个测点，分别位于进气机匣水平和垂直位置、中介机匣垂直位置、涡轮后机匣水平和垂直位置，具体测点位置如图3所示。

图3 测点位置图

该发动机装配后试车过程中，状态从慢车上推至中间状态过程中，5个振动测点同时出现振动值突增的异常现象。该次试车振动曲线如图4所示。

从图4中可看出，不仅上推过程经过某转速段时各测点振动值同步增大，而且下拉经过该转速段时各测点振动值也有小幅增大。从振动值大转速的谱图看，振动频率成份前两个测振截面相对比较简单，只有高低压转子1倍频，而后截面两个测点均出现了振动谱图成份复杂的现象。振动异常时刻4测点和5测点的谱图如图5所示，该发动机前一次装配后台架试车通过此转速附近正常的振动谱图如图6所示。

图4 振动异常试车次各测点的振动曲线

图5 转子间碰摩时4测点和5测点的谱图

图6 该发动机其它次试车振动正常时的谱图

从图5中可看出4测点和5测点的谱图上不仅有高低压转子的1倍频 N2和 N1，还有低压转子的0．5 倍频(0．5N1)、2 倍频(2N1)，同时在低压转子的0．5倍频左右还出现了对称的未知频率F1和F2。而振动正常的试车谱图(见图6)中只有高低压转速的1倍频N2和N1。

由高低压转子间发生碰摩的振动数据分析结果与以往振动正常时的数据分析结果对比可知本次高低压转子间发生碰摩的特征主要有以下三点:

(1)各个测点都表现为经过某个转速段时高低压转子振动超限现象。

(2)发生碰摩时靠近碰摩位置的测点4和测点5振动谱图成份复杂，频率成份一致。

(3)发生碰摩时靠近碰摩位置的测点4和测点5振动谱图成份表现为为高低压转子的1倍频N2和N1，0．5 倍频(0．5N1)、2 倍频(2N1);而没有发生碰摩时谱图上主要表现为高低压转子的1倍频N2和N1。

4 结论

根据理论计算分析结果和某发动机高低压转子碰摩振动数据分析结果可得出以下结论。

(1)理论计算表明双转子间的碰摩与转速比有一定的关系，即在某个转速比下会出现振动峰值。

(2)双转子间碰摩的试验中各个振动测点都表现为经过某个转速段时振动值超限现象。

(3)双转子间碰摩的试验中碰摩时靠近碰摩位置的振动测点谱图成份复杂，频率成份一致，谱图中频率成份主要表现为高低压转子的1倍频N2和N1，0．5 倍频(0．5N1)、2 倍频(2N1)。

［1］ Muszynska A，Franklin W D，Hayashida R D．Rotor－to－stator Partial Rubbing and its Effects on Rotor Dynamic Response［J］．Rotor Dynamic Instability Problems in High Performance Turbo－machinery，NASA CP3122，1990，345－362．

［2］ 王德友．旋转机械转静子碰摩振动特性［J］．航空发动机，1998(2):37－41+36．

［3］ 孟 越，李其汉．应用整体传递系数法分析复杂转子系统转静件碰摩振动特征［J］．航空动力学报，2003，18(1):146－150．

［4］ 郑旭东，张连祥．航空发动机整机振动典型故障分析［J］．航空发动机，2013(1):34－37．