PW4000发动机典型振动故障及排故方法

2021-09-05吴小光

航空维修与工程 2021年5期

摘要：发动机的振动故障是发动机较为常见的一种故障，在飞行过程中会对飞机造成安全影響，甚至导致空难。在发动机维修与试车过程中，振动故障的排除一直是难题。本文根据生产经验，总结了PW4000发动机试车中常见的振动故障及相应的排故方法。

关键词：航空发动机；振动；频谱分析

Keywords：aero-engine；vibration；spectrum analysis

0 引言

航空发动机为飞机的飞行提供动力，被称作飞机的心脏。在发动机在翼使用及发动机在厂维修试车过程中，振动故障是较为常见的一种故障。发动机试车过程中对振动故障的分析较为复杂，需要考虑诸多因素，需要进行大量的排故工作，轻者需要平衡风扇转子，严重的甚至需要发动机返厂重新分解组装。本文根据生产经验，对PW4000发动机试车中常见的振动故障及相应的排故方法进行总结。

1 PW4000发动机振动情况

振动是自然界最普遍的现象之一。物体相对于平衡位置所做的往复运动称为机械振动，简称振动。振动三要素为振幅、频率、相位。

PW4000发动机为双转子轴流式发动机，100%N1转速为3600rpm（60Hz），100%N2转速为9900rpm（165Hz），因此PW4000发动机的振动属于中低频振动，一般用振动位移（mil）或振动速度（IPS）来描述振动强度。按照转速（频率）又分为 N1、N2、BB（总量，矢量和）振动。

PW4000发动机本身的振动传感器位于风扇机匣A安装边；在试车台进行试车时，还需在排气机匣P安装边加装另外一个试车传感器。发动机的N1转速是由位于中介机匣内的N1速度传感器发送给EEC的，N2转速是由安装在齿轮箱上的N2速度传感器发送给EEC的；相位角信号来自发动机内部的齿轮脉冲，涡轮轴连接器前端具有转速表齿轮，该齿轮上有一个短齿，每转一圈可提供一个脉冲。

振动信号由振动传感器采集，通过推力架上的线缆传输到试车台MPI32计算机，经过进一步的信号处理，得出最终的振动值。主要的处理装置包括放大器、滤波器、模数转换、控制程序、数字信号处理器等。振动传感器产生的振动信号是时域的。这种信号显示的是很多不同振动源的复合振动。频谱分析是将时域波形通过傅里叶变换（FFT）转换为频域波形，忽略各个不同波形的初始相位，只考虑其频率和幅值，相当于将一个复杂的振动波形按其激振源分列开来，这些波形的频率为基准波形的整数倍，如图1所示。最终的BB、N1、N2振动值将通过相应试车界面显示在屏幕上，并可以通过平衡计算程序计算出修正N1不平衡量所需安装配重的件号和位置。

PW4000的AMM手册及EM手册中给出的振动极限是振动测试的验收标准，AMM振动极限：BB为1.80IPS，N1为1.51IPS，N2为1.25IPS；EM振动极限：BB为0.9IPS，N1为0.65IPS，N2为0.8IPS。当客户有更加严格的要求时，甚至会要求按照EM振动极限的70%出厂。

2 PW4000发动机典型振动故障及排故措施

当发生振动故障时，首先应判断振动传感器及其传输线缆以及试车设备是否存在故障，若存在故障需先予以排除，以获得发动机真实的振动值。此外，引起发动机振动的原因可能包括转子本身不平衡、压气机或涡轮叶片损坏、轴承损坏、附件失效、传动系统故障、单元体不匹配、N1倍频共振等。

2.1 转子本身不平衡引起的振动

转子本身不平衡引起的振动是最常见的振动故障，其振动表现为N1或N2转子振动较高，从而引起BB总量也较高。此类振动故障通常采取的排故措施是在风扇转子毂前端增加配重，配重的重量和位置由平衡程序根据转子不平衡量和相位角得出。此种平衡方式是最常见最普遍的修正振动方式，但只对N1转子A安装边的振动效果较为明显，对N1转子P安装边的振动也有一定的平衡作用，却并不一定能完全平衡N1转子P安装边的振动。对风扇的平衡，配重总和不能超过EM手册极限的50oz-in，若在50oz-in范围内无法平衡N1振动，需考虑调整风扇叶片顺序或更换风扇叶片。同时，平衡风扇对N2转子振动的影响较小，通常无法修正N2转子的振动故障。因此，针对N1转子P安装边振动高或N2转子振动高，用风扇平衡方式无法修正的情况下，通常发动机需要返厂，对相应的LPT、HPC、HPT等单元体进行孔探，甚至重新分解、平衡和组装。

图2～图4所示的振动故障案例为典型的风扇不平衡引起的振动故障。该发动机按照平衡程序的计算结果安装配重后，振动故障得以排除。

另外，若相位角出现故障或平衡程序无法计算出配重重量及位置时，可以采用三圆法平衡方式（Sommervaille Three Weight Method）来进行平衡。三圆法需要发动机进行四次试运转，一次“观察”运转和三次带配重块的“测量”运转；所有运转中测量的振动值均为在选定N1转速点的低压振动幅值；通过矢量运算的方法，确定不平衡量的重量和位置。具体操作步骤可以参考PW4000EM手册相应章节。

2.2 N1倍频共振引起的振动

N1倍频共振引起的振动是另一种较为常见且非常具有迷惑性的振动故障。此种故障的通常表现为N1、N2振动值均较低，但BB总量较高。此种故障的发生是由于某一转速下，N1的倍频（可能是2倍频、3倍频或6倍频等）与发动机其他部件产生共振，从而导致振动总量较高。倍频引起的振动故障需通过改变N1转子固有频率来消除共振的影响，但仅仅平衡风扇通常无法消除倍频共振，更有效的方法是更换风扇叶片或调整风扇叶片顺序。判断振动故障是否是由N1倍频引起的，首先需确保振动传感器系统工作正常，并检查确认发动机外部件均紧固，没有引起BB异常高振动的可能，再通过频谱分析来进行判断。

图5～图8所示的案例是典型的N1转子2倍频振动故障。从振动图可以看出，N1、N2的振动均一直处于较低状态，但BB风扇振动在起飞功率下异常，已接近极限0.9IPS。为进一步分析振动故障，在起飞功率下进行频谱分析，可以发现N1（3415rpm）、N2（9348rpm）所对应的振动都很低，高振动是由6825rpm引起的，而此转速（频率）正好十分接近于2倍的N1转速，因此判断此发动机为N1转子2倍频振动故障。最终，通过调整风扇叶片排序，使振动故障得以排除。

更具有迷惑性的是N1转子3倍频振动故障。由于N2的轉速与N1转速的3倍较为接近，因此当出现N1转子3倍频振动故障时，该振动峰值可能会被N2振动图捕捉到，从而造成N2转子振动高的假象。如果不进行频谱分析并仔细甄别，误以为N2转子本身振动高，导致发动机返厂排除N2故障，就会误入歧途。图9～图12的案例是较为典型的N1转子3倍频振动故障，从图中可以看出，N1转子振动较低，但BB振动总量和N2转子振动在N2转速9000rpm附近出现峰值。如果不深入进行频谱分析，单从振动曲线着手，很容易误以为N2转子振动异常。但通过振动高点频谱分析发现，振动主要来自于9187.5rpm转速，但此时N2转速为8895.4rpm，进一步计算发现9187.5rpm十分近似于N1转速3063.9rpm的三倍，因此判断此发动机的振动故障并不是N2转子本身的振动故障，而是由于N1转子3倍频所导致的。最终，通过调整风扇叶片的顺序而排除了故障。

2.3 单元体性能不匹配

单元体气动性能不匹配也可能引起振动异常，这种情况较为少见，通常需要对单元体进行分解、检查、装配，甚至更换单元体。某发动机进行试车时，N1转子振动较低，但BB振动总量和N2转子振动直线上升超过振动极限。通过频谱分析发现，振动确实是由N2转子本身引起的，因此发动机返厂排故。但三次返厂、分解检查中，发动机各单元体及零件均无异常。第一次返厂，改变HPC与HPT单元体的对接角度，振动故障依旧；第二次返厂，对HPT单元体进行分解、平衡、组装，振动故障依旧；第三次返厂，更换HPT单元体后，振动故障排除。

3 总结

PW4000发动机引起振动故障的原因多种多样，但只要掌握分析方法，各种问题将迎刃而解。首先，确定振动传感器及相关设备均无异常，且外部件对振动没有影响，将振动问题集中到发动机本身。若N1转子振动高，需对风扇进行平衡，甚至调整风扇叶片或LPT单元体，以实现N1转子振动达到较低状态。N1转子振动达到较低状态后，若N2转子振动较高，此时需进行频谱分析，以确定是N2转子本身振动高还是N1转子3倍频引起的振动高；若N2转子本身振动高，需返厂孔探、分解、检查、装配，甚至更换单元体；若N1转子3倍频引起的振动高，需调整风扇叶片。若N1、N2转子振动均较低，但BB振动总量较高，需进行频谱分析，通常是由N1转子倍频引起的高振动，需调整风扇叶片。