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航空发动机转子系统常见振动故障

国际金属加工网 2022年04月27日

航空发动机的故障类型十分复杂,总体上可分为性能故障、结构强度故障及附件系统故障。从我国航空发动机的故障统计中发现,发动机性能故障约占总故障的10%~20%,结构强度故障约占总故障的60%~70%。而无论哪种情况,故障的前兆和发展过程都体现在发动机转子的振动上。

转子系统是航空发动机的核心系统,一旦出现故障,小则影响工作,大则造成严重破坏性事故。因此,研究各种因素引起的航空发动机转子系统的振动现象和机理,是航空发动机动力学研究的重要任务。通过研究,既可以为有效的故障诊断和控制提供理论依据,也可以为解决先进航空发动机自主设计中的关键力学问题提供动力学理论基础。

航空发动机振动相关常见故障如下:

1. 转静碰摩故障

由于追求高的推重比及低的耗油率,航空发动机的转速越来越高,而转子与静子的间隙越来越小,这样就加剧了转静子间的碰摩故障发生的概率。转静子间的碰摩一旦发生,将会使转静子间的间隙增大从而使其工作效率降低,严重时还会使叶片折断。而封严结构与轴之间的碰摩会使封严结构损坏,并使轴局部发热引起热弯曲从而使振动加剧。同时,转静子碰摩将引起转子发生非协调进动,因而在转子内产生交变应力,促使转子疲劳破坏。

2. 不对中故障

基础松动、安装误差、承载后的变形以及工作时的热膨胀等因素,都会造成各轴系之间的不对中故障。不对中故障会引起转子轴向和径向交变力,从而导致转子的轴向和径向振动,进而引起轴承的磨损、轴的挠曲变形以及转子与静子间的碰摩等。

3. 热弯曲故障

制造、装配中的不平衡和起动过程产生的热弯曲,是引发航空发动机转子产生较大振动的重要原因。转子热弯曲的产生,通常发生在发动机停车后的冷却过程中,因自然对流换热,转子下部比上部冷却速度快,转子的上下表面存在温度差而产生一定的热弯曲,呈弓形状态,从而产生较大的不平衡。当再次起动时,致使振动响应增大,乃至产生转静子的碰摩故障。

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4. 叶片振动故障

航空发动机转子叶片工作环境恶劣,叶片共振、颤振引起的疲劳断裂等问题,一直是发动机故障的重要原因。叶片振动严重时会导致叶片的断裂和飞失,叶片飞失引起的突加不平衡,更会引起大的瞬态振动,往往导致转子失稳、转静碰摩、叶片和轴产生裂纹、结构松动等一系列故障。

5. 松动故障

承受长期循环交变载荷、振动作用下引起的弯曲疲劳和塑性变形后,发动机的连接螺栓会发生松动、脱落,导致支承刚度的不足和周期性改变,导致发动机转子结构振动异常。松动故障也往往伴随着其他故障,如不对中等。

6. 疲劳裂纹故障

发动机转子承受高温、高速和突变载荷作用,容易产生疲劳裂纹,并不断扩展直至引发断裂。

7. 滚动轴承故障

在航空发动机高速旋转的压气机、涡轮系统中,滚动轴承仍是一个容易出现故障的部件。现场研究表明,大约有90%的滚动轴承故障与内圈或外圈的缺陷有关,其他10%与滚动体或保持架的故障有关。另外滚动轴承处存在强烈的非线性因素,为解决滚动轴承的故障,应深入研究其非线性动力学机理。

航空发动机转子系统故障模式多、机理复杂,更重要的是各个故障往往不是单一存在,一个故障的产生通常会引发或伴随着其他故障。多种故障的耦合以及非线性因素的存在,大大增加了动力学分析的难度,这为我们研究工作带来了极大的挑战和机遇。

(声振之家)

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