航空发动机整机振动分析与控制

摘 要：航空发动机工作过程中较为普遍发生的和严重的故障就是发动机整体振动是，同时由于其复杂性，也在一定程度上增加了控制的难度。本文对常见的发动机整机振动类型进行了阐述，并对引起航空发动机整机振动的原因的进行了分析，同时总结了常用的控制方法，以期为解决航空发动机整机振动的问题提供参考。

关键词：航空发动机；整机振动；类型；原因；控制

发动机整机振动会严重影响发动机的性能，特别是在飞行过程中的整机振动，会增加磨损，导致系统故障，造成不可预知的后果。为此，振动故障类型的准确把握，原因的细致分析，控制技术的熟练掌握显得十分重要，这不仅可以极大地提高航空发动机的安全性和可靠性，而且也可以增强其适应性，减少维护保养费用。这也是发动机研发时需要探索的重要课题。

1 常见的发动机整机振动类型

整理相关资料发现，目前较为常见的故障类型主要包括：转子不平衡、转动件与静子件之间的摩擦、转子弯曲、同心度问题、主轴承故障、附件轴承和齿轮损坏、油膜振荡、转轴开裂、不均匀的气流涡动等等。找准故障类型，是进行故障原因分析，并找到解决办法的前提。

2 引起航空发动机整机振动的原因

2.1 转子发生故障

（1）转子不平衡。转子不平衡是航空发动机整体振动的众多原因中最主要的一种。它不仅可以产生噪音，诱发其他类型故障，更会对发动机的安全运行造成巨大威胁。识别转子不平衡，并采取有效措施降低其发生频次，是减少发动机整体振动发生的重要措施。相对于其他原因引起的振动，转子不平衡有着较为明显的特征，那就是载荷与转速平方成正比，转速和频率相同。通过研究发现，引起转子不平衡的原因有很多，比如转子的材质不达标、设计不合格、热变形、制作误差等等，都可以造成转子在运行过程中出现质量不平衡的现象。

（2）转子不对中。随着航空事业的发展，对航空发动机的转速和推重比要求越来越高，而由轴系不对中引起的振动故障也呈现出上升趋势。如果航空发动机的转子不对中的话，极易造成轴承磨损、转子和机匣摩擦等故障，对发动机的稳定性造成极大威胁。一般情况下，我们可以将转子不对中分为联轴器不对中和轴承不对中两种。联轴器不对中又可分为角度不对中、平行不对中、角度平行不对中三种。轴承不对中主要是由于轴承支座的变形和安装误差等原因造成的，同時也会对转子稳定性造成危害。多项研究表明，由转子不对中引起的发动机整体振动幅度会因为转速的提高而加大。

（3）转静子摩擦。一般转静子摩擦可以分为局部摩擦和全局摩擦，局部摩擦又可以分为单点、多点、面摩擦三种。按照转子类型也可将其分为单转子和双转子摩擦两种。目前对航空发动机摩擦故障的机理研究一般都是通过Jeffcott因子建立韩摩擦故障的转子系统。航空发动机多采用双转子结构，用滚动轴承将高压转子和低压转子连接起来，构成了双转子-滚动轴承系统。双转子航空发动机有两个激振源，当转静子摩擦发生时，一方面两个转子旋转频率发生振动，灵体方面两个转子的组合频率也会振动。

（4）转子积液。由于航空发动机的压气机采用的是鼓筒式结构，其前后支承地方额封严装置经常在发动机调试的时候出现漏油，因此在鼓筒内会出现积油。带有鼓筒的转子虽然是刚性的，但实际上它是介于刚性和柔性之间的，当转速超过限度时，他也是会发生弯曲的。在转子内存在积油的情况下，如果转速超过临界值时，积液就会形成油团，由于油团的频率跟转子不同，就导致了转子自激振动，这种振动的振幅一般较大，既增加了滚动轴承的负担，也会造成叶片与机匣的摩擦，严重损害发动机的结构，造成危险。研究发现，只要转子内存在积液，不管数量多少，都会明显感觉到振动。

（5）转子支承松动。由于转子支承松动，支承系统联系面存在缝隙，导致转子机械阻力降低，发动机振动故障。产生支承松动的主要是受到外力和温度升高的影响。

2.2 气流原因

（1）叶栅尾流。叶栅尾流造成的振动主要是由于静子叶片的存在，叶片下游气压和流速会降低，当转子到达这个区域时，其所承受的气流动力也会发生变化，从而导致振动。

（2）封闭气流。由于压气机转子和静子之间有漏气，影响压气机效率，因此我们必须选择封闭装置。气体在封闭腔内旋转滞后于转子运动，造成压力分布不均匀，这也将引发振动。为了减少气流振动，我们通常会采取加装烦预旋装置、周围遮挡、阻尼密封等三种手段减小气流在封闭腔内的流速。这三种方式本质是都是轴向封闭，而大量研究证明螺旋形流动是产生气流力的主要原因，所以轴向封闭并不能从根本上解决气流振动故障。由于轴向封闭还存在泄漏量和耐磨性的矛盾，因此降低漏气，提高安全性，研究更先进的封闭技术也必然成为热点，这对航空发动机十分重要。

2.3 齿轮

传动系统是航空发动机十分重要的一部分，其传动系统是一个齿轮耦合复杂转子系统，要分析该系统动力学特性，我们也要掌握转子动力学、齿轮动力学和轴承动力学等方面的知识。

2.4 失谐叶盘

所谓失谐叶盘就是在航空发动机叶盘的各个扇区存在着不可避免的误差，这种误差就叫失谐。航空发动机对失谐是非常敏感的，失谐发生后，能量会集中存在于部分叶片上，导致振幅增强，引发叶片高周疲劳失效，甚至会造成叶片破损或断裂等危险。

2.5 机匣振动

机匣是航空发动机的架子，能够直接反映出发动机震动的真实情况。当前对机匣振动的研究主要包括结构、噪声、气流激振等几个方面。结构激振是由发动机转子的不平衡引起的；噪声激振主要是由于气流高速流动造成的；气流激振主要是由于气团旋转失速导致的。

3 航空发动机整机振动控制方法

3.1 基于发动机整机动力学的设计

查阅相关资料发现，目前发动机整机动力学的设计的热点主要集中在转子动力学设计上，主要研究转子系统的临界转速、稳态不平衡等问题。如果不能对涉及整机结构特征的因素进行详细的分析研究，就无法解决整机振动的问题。同时，当前开展的动力学分析主要是通过线性振动设计，对发动机中原有的非线性因素进行了处理，这种设计能够简化计算，提高设计效率，但随着发动机技术的发展，非线性因素越来越多，影响越来越明显，原有的线形设计明显不能满足需求，只有加强非线性研究，才能更加准确的掌握振动特点。

在动力学设计中，忽略了对加工误差分布、结构参数变化的考虑，而将结构特征参数都当做了确定性的参数。我们应该建立整机参数模型来对结构振动进行分析，考虑结构特征的分散性，建立整机振动的概率分析动力学设计模型。

3.2 基于支承结构动柔度的动力学设计

动力学分析在航空发动机动力学设计中已经比较成熟了，但由于缺少支承机构动柔度数据，计算误差过大，影响了结构动力学设计的真实目的，最终导致分析结果精度不够。动柔度主要是指单位振动载荷造成的变形，这主要与振动频次和振动质量有关。在正常柔度范围内，临界转速对它的敏感性是很高的，我们可以通过静柔度的实验结果考虑温度的影响。对静柔度的实测很简单，但对动柔度的实测不太现实，而影响临界速度的就是动柔度，因此对动柔度进行更加精确的把握是提高发动机动力学设计的前提。影响动力学特征的第二个重要因素是连接结构动柔度。国外从20世纪中期开始采取相关措施，制订了相对完善的应用规范。而国内的相关研究才刚刚起步，对各种参数的研究还不够深入，在未来我们应该加大对相关技术的研究，为航空发动机整机振动的控制提供有力支持。

3.3 装配工艺控制

航空发动机装配工艺的实施主要是为了保证在工作时间段内安全、稳定完成其效能任务。为了达到这個目的，我们需要充分考虑发动机的结构和它的工作环境。也就是在保证发动机结构参数、环境影响下的力学参数、能够满足动力学设计需求，控制结构动力学参数范围，提高装配工艺水平，保障发动机运行品质。

在涡扇发动机结构中，各部件的工艺特征参数都存在着时变性和分散性的特点，这就导致了动力学参数的时变性和分散性，直接引起发动机振动的较大的分散度。由于引发发动机振动的动力学参数难以准确，因此要增加结构振动稳定性，研究者需要理清影响发动机整机振动参数的主要内容，并且研究其控制技术。发动机是由众多零部件组合而成的，但这些零部件具有一定的随机性，因此发动机的结构也存在分散性的特征。我们需要对静态工艺参数进行合理研究，这样才能满足装配工艺参数的需求。

发动机的结构参数、工艺参数在一定范围内的变化会引起动力学参数变化，影响整机振动特征。我们需要对工艺参数和结构参数进行详细研究，找到它们与动力学参数的联系，为装配工艺控制打下基础。影响整机振动的直接参数也就是结构动力学参数，而不同心度、连接刚度等参数又是装配工艺的主要参数，所以，装配工艺的参数对控制整机振动有着重要的意义。

4 结论

航空发动机的工作性能直接影响到飞机飞行安全，航空发动机整机振动控制技术对避免空中事故、减少经济损失具有重要意义。随着航空事业的发展，高性能的航空发动机越来越多，但是高性能发动机有着结构复杂的特点，这对提高发动机整机的稳定性和安全性提出了更高的要求。

参考文献：

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[3]周芒，徐胜利，等.离心压缩机叶轮尾流激振载荷特性对动应力的影响[J].机械强度，2014 （2）：159-164.

作者简介：闫志敏（1991-），男，内蒙古呼和浩特人，研究生，工学硕士，长期从事飞行器总体设计、飞行器先进控制方法研究、飞控软件架构设计和核心算法开发的研究与应用创新工作。