航空发动机典型振动故障分析与研究

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航空发动机结构复杂,工作转速高,工作条件恶劣,状态变化频繁,使得振动故障形式多种多样,故障机理错综复杂。据相关资料统计,航空发动机70%以上的故障源于振动。近年来,在我国航空发动机发生的重大事故中,80%是由于转子系统的振动故障所致。其中,碰摩故障和积油故障分别是转子系统中两种典型的振动故障。碰摩故障不仅会导致转-静件间隙增大、轴承磨损、叶片产生裂纹甚至折断,而且可能引起转子系统的运动失稳,使得机匣产生较大的变形,由此引起的振动超标会严重影响发动机的工作效率。另外,转子系统积油故障的危害也不容忽视,由漏油现象导致转子腔体内形成积液团,当积液团的进动频率与转子的临界转速产生不同步进动时,转子系统将产生强烈的自激振动,轻则导致振动超标、诱发各种中、低频噪声,重则导致鼓式转子结构出现开口、裂纹甚至大面积破坏,酿成重大的安全事故。因此,深入开展航空发动机典型振动故障的研究,具有重要的科学意义和工程应用价值。尽管目前工程界、学术界已对与航空发动机相关的各类振动故障问题,如整机振动故障、转子系统振动故障、齿轮振动故障、油膜涡动与油膜振荡等问题开展了许多研究工作,且取得了丰硕的研究成果。但对于转子系统的振动故障问题,绝大多数学者和研究人员都是针对转子不平衡、不对中以及裂纹故障进行研究,对于碰摩故障和积油故障,并没有很好地利用相关试验器和真实试车台的测试数据,完整地、系统地、深入地研究其故障机理和相关测试技术。为此,有必要采用理论和实验相结合的方式,一方面通过解析和仿真方法来研究其在故障状态下的动力学特性,确定其固有特性和振动响应特性的变化规律;另一方面,还需不断探索并寻找适合测试航空发动机碰摩与积油故障的实验设备和测试方法,以验证理论分析方法及其结果的正确性。本文基于自行设计的碰摩故障转子试验器和积油转子试验器,深入研究了航空发动机碰摩和积油故障的动力学机理及其相关测试技术。同时,基于试车台,对某型航空发动机进行了实际的碰摩故障和积油故障测试,并对台架试车时两类故障信号的特征进行了分析与总结。论文主要内容如下:(1)针对航空发动机原型机测试碰摩故障存在的各种困难问题,首先设计并搭建了一款航空发动机转子试验器,然后对该试验器在单转子和双转子碰摩情况下的动力学特性进行了详细的分析,并基于多体动力学软件ADMAS,针对该试验器建立几何模型,分别对其在单转子、双转子碰摩故障下进行详细的仿真分析与研究。最后,基于该试验器对单转子的碰摩特征进行了测试,并模拟双转子效应完成了双转子碰摩特征的实验测试,有效验证了理论分析方法的正确性。(2)针对航空发动机原型机上较难进行积油故障的模拟与分析的问题,设计并搭建了航空发动机积油转子试验器。采用解析方法和ADAMS仿真方法分别对积油转子系统进行了动力学仿真研究,还基于该试验器对不同介质和积油状态下积油转子系统的振动特性进行了测试,验证了 ADAMS仿真分析方法的正确性。(3)基于实际的试车台,对某型航空发动机的碰摩故障和积油故障进行了测试,获取了真实发动机的故障特征信号,并对碰摩故障和积油故障的原因及其频谱特征进行了分析与研究,验证了基于上述试验器获得的故障分析结论的正确性。本文的研究成果可为航空发动机碰摩故障的监测与诊断提供理论依据,为航空发动机积油故障的早期诊断与预报提供数据支持,为建立上述两类典型振动故障测试与分析的方法体系提供理论与实践参考。
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