航空发动机整机振动故障分析

马 乐

（安阳职业技术学院，河南安阳 455008）

0 引言

航空发动机是一种高度复杂和精密的热力机械，是航空飞行的动力核心，其工作状态稳定与否直接影响着飞行安全系数。经过百余年的发展，航空发动机已逐渐发展成为较为稳定可靠的产品，且依照航空飞行的不同动力需求，拥有涡轮喷气发动机、冲压式发动机等多种类型。航空发动机虽然能够满足航空飞行需求，但仍旧存在小概率的安全隐患。基于当前的航空飞行实践经验可知，在航空飞行中发动机整机振动故障时有发生，整机振动故障影响发动机工作，同时影响到整个航空飞行的各种附件、仪表等参数的准确性。一旦发生发动机整机故障就需要进行维修、替换，大批量的发动机提前返场，不仅仅提升了飞机的造价标准，增加维修费用，更导致社会资源的浪费，因此做好对航空发动机振动故障的排查和控制至关重要。

1 航空发动机整机振动故障原因分析

航空发动机整机振动故障的原因较为复杂，通常是多种综合因素下共同导致的结果。对此，理清航空发动机结构类型，梳理其整机振动的规律，对于寻求解决振动故障提供了直接有效的参考，也是当下航空飞机安全运行中发动机设备研发创新的重要任务。基于国内外航空发动机研究的相关文献，结合航空发动机运行的实际情况，阐述当前民航和军用航空飞机中较为常见几种航空发动机整机振动故障类型和故障原因。

1.1 转子故障

（1）转子不平衡故障。在航空发动机中，转子结构是指发动机内部轴承支撑着的旋转体，依照发动机运行原理主要是依托转子和轴承的相互关系。转子在较高频率的转速下会出现转子不平衡，如静不平衡、偶不平衡和动不平衡等。转子不平衡故障的检测技术主要是检测发动机的转速、频率、转速平方和航空飞机的载荷关系，当前者参数相同、后者参数呈正比，则表现转子出现不平衡故障。根据发动机的转子结构和运行作用可知，转子所采用的原材料性能不高或是制作工艺偏差等情况，其在具体的运行中都会出现质量偏差故障，引起发动机整机振动。

（2）转子不对中故障。航空发动机性能随着航空事业的发展而不断优化完善，在现阶段下航空发动机的转速和推重比呈现出高标准发展。当发生转子不对中故障时，所采用的检测技术主要是对发动机轴承对称性的分析判断，如发动机轴承发生非正常磨损，则可能是因为转子不对中所导致。在转子不对中的振动原因中，随着航空飞机飞行速度的提升，整机振动幅度呈现出上升趋势。

（3）转子积液。在鼓筒式结构的发动机中，发动机内部的轴承密封装置容易在发动机调试的时候出现漏油等问题。随着发动机轴承开始测试运作，这些积液会进入到鼓筒结构中，在航空发动机整机正式飞行过程中，带有鼓筒的转子随着转速越来越快，鼓筒内部的油液会形成油团。作为杂质存在的油团同转子的振动幅度、方向、频率等都不同，导致转子出现自激振动，这种振动幅度角度导致发动机内部密封结构的摩擦变大，发动机叶片出现非常规磨损，严重损坏发动机的重要元件性能，容易引发整机振动故障。

（4）转子支承松动。航空发动机内部转子是通过各种支承结构连接在轴承上面，转子支承出现松动会导致整个发动机轴承表面结构出现缝隙，发动机所应有的机械阻力降低；达到既定的转速和频率则会影响到发动机的整体结构，带来振动故障。转子支承松动的原因主要是发动机受到外力压力影响和所处的结构温度升高。

1.2 气流激振下的整机振动故障

气流激振会导致发动机运行结构出现自激振动反应。通常情况下，发动机在运行中转子和静子之间存在漏气，压气机的效率会受到影响。因此一般情况下，所有的航空发动机都会设置机械密封装置，但是也由此带来新的气流问题。如封闭腔中原有的气体会受到内部温度场等的影响，实现不规则的旋转运动导致整个封闭腔内部的压力分布不均匀，引发发动机整机振动故障。

1.3 航空发动机结构元件故障

航空发动机内部组成结构较为繁杂，且发动机运行的原理也涉及到多个理论知识。这些结构和原理在支持航空发动机稳定安全运行的同时，也会为其带来整机振动的故障情况。

（1）传动系统故障引起的振动。传动系统是带有齿轮耦合转子的复杂系统，运行依托于动力学特性，涉及齿轮动力知识和轴承动力知识。在实际的发动机运行系统中，传动系统的任一模块发生运行不顺畅的故障问题，都会引起整机振动故障。

（2）叶盘失谐引起的振动故障。叶盘是航空发动机内部重要的功能区域扇区，发挥着对发动机进行散热的作用。每型发动机内部都拥有多个叶盘，一旦出现叶盘失谐，则导致发动机的能耗和所产生的机械能量都集中在个别的叶片上，增大叶片振幅，引起叶片的疲劳磨损；甚至在高速的运作下，叶片积聚的能量过大，导致叶片出现破损或断裂。一旦磨损严重，发动的整体稳定性会受到影响，产生整机振动故障。

（3）航空机匣的自激反应。机匣是安装航空发动机的架子，承担着发动机外部框架的作用。机匣振动会带动发动机整机发生机械性振动，当前导致航空机匣振动的原因有飞机结构失去平衡、噪声、气流等的影响。

2 航空发动机整机振动控制方法

2.1 基于发动机整机动力学理论展开改造控制

导致航空发动机整机振动故障的最主要原因在于转子结构出现问题，转子出现各种问题的原因在于发动机结构的设计理论存在不足和偏差。通过发动机整机动力学理论展开对转子结构的优化改造，提高对转子稳定性、安全性的优化控制，避免由此引发整机振动故障。

（1）导入非线性振动设计，进行振动弥补。在传统设计理论下，转子等元件设备正常的结构设计都是基于线性研究构建的，对转子在各种运行状态下可能出现的动态变化考虑不周，如转子不对中等问题。对此导入非线性设计理论，对发动机的运行结构状态进行全面具体的分析，提前制定转子等零部件的加工和制造工艺，避免后期动态运行带来的整机振动故障问题。

（2）构建动力学设计模型，导入整机参数模型。分析航空发动机整机振动故障原因发现，不仅是发动机的相关结构问题带来振动故障，整个航空飞机的参数都会对发动机整机带来稳定性影响。基于动力学理论设计模型，将整机参数和各种结构变化都导入模型中，构建航空发动机的有限元模型，模拟研究发动机结构的振动规律，优化结构特征设计方案（图1）。

2.2 基于支承结构动柔度的动力学展开改造设计

在航空发动机设计中，支承机构柔性数据等对整体设计的参数选择具有重要意义，如支承结构动柔度参数决定了单位振动下各设备元件所能承受的承载程度。在正常的柔度范围内，发动机的转速、频率等参数都对发动机的整机结构设计优化控制具有重要意义。当前正是通过导入支承结构动柔度的动力学计算方式，对各种参数展开深度研究，为航空发动机整机振动的控制提供有力支持，如对航空发动机螺栓连接结构连接处做刚度和强度仿真模拟。

2.3 实现对航空发动机结构装配工艺控制管理

在机械制造加工中，装配工艺发挥着至关重要的作用。做好装配加工，保证发动机结构装配参数标准，可以减少发动机内部元件因机械故障带来的整机振动故障。不同航空发动机的使用场所不同，其各种参数设计也不相同。结合发动机生产制造的行业规范标准，设置发动机的各种结构参数，合理控制环境影响下的力学参数。例如，为了降低气流的相对速度，提高发动机扇叶的效率，可以采用掠形叶片，能够提高3%～5%的效率，增加3%～10%的空气流量。为了达到这一故障控制防范的目标，要求构建有限元模型，研究工艺参数在一定变化范围内的变化规律，探究工艺参数同动力学参数之间的联系，确保展开高质量装配工艺。

3 结论

航空发动机的性能和结构直接影响飞机的飞行安全和效率情况。随着航空事业的发展，加强航空发动机研发创造，有效规避发动机整机振动所导致的航空事故已然成为重中之重。分析航空发动机振动故障的原因机制可以发现，转子故障和气流问题是带来发动机整机故障的重要因素，发动机内部的各种元件损耗情况也在一定程度上导致整机振动故障发生。采取相应的整机振动控制措施，优化发动机结构，采用更加优质的发动机元件材料和零部件制造工艺，打造更高安全性、稳定性的航空发动机。