航空发动机整机振动机理分析

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【摘 要】 航空发动机整机振动是由发动机转子、静子和飞机结构一起参与的复杂的振动系统，引起发动机振动的原因有很多，且很复杂。本文简要介绍了引起发动机整机振动的原因，并对振动机理进行了分析。

【关键词】 航空发动机 整机振动 机理 分析

1 引言

航空发动机整机振动问题一直是困扰发动机生产和使用的突出问题，引起发动机振动的原因通常可以看成两种情况，一类属于与转子转速有关的规律性振源。最直接的就是由转子不平衡力引起的激振力；此外还有由转子带动的其他结构例如传动齿轮系、叶栅尾流等而引起的规律性激振力，它们通常与转子转速成谐波关系；另一类属于与转速无关的非规律性激振力。它们的振源比较复杂，出现的形式与几率也不一样。例如转静子碰磨、压气机喘振、振荡燃烧等，它们引起的频域极广，激振力大小不一，很难估算。本文对引起整机振动的振源进行分类，对机理进行了分析，对振动表征进行了总结。

2 转子不平衡

2.1 引起转子不平衡原因

材料缺陷：密度不均、空隙、疏松等；结构缺陷：如存在键、开口销、孔造成的质量不对称；公差选择不当造成的偏差；制造缺陷（如空心零件壁厚差，加工过程中热变形尺寸差）；装配缺陷：不同心或偏斜、热配合的温度变形，键配合造成的偏差，螺栓拧紧力不均；已平衡好的转子重新分解装配时，转子常常有相当大的实际剩余不平衡量。

2.2 不平衡量引起的振动特征

剩余不平衡量对发动机振动来说，主要引起同步进动，即1×n频率分量。当转子-机匣系统的刚性要半径方向不相同时，则轨迹是一个椭圆或其它封闭曲线，因此可以在垂直或水平方向测得这一频率为1×n的振动。

当转子在不同直径方向刚性不均匀时，转子不平衡还可以激起二阶谐波及高阶谐波（2×n，3×n等等频率分量），阶次越高，该频率分量的振动也越弱。

3 声源

3.1 声学振动与振荡燃烧

振荡燃烧为燃烧过程与声学振动系统互相作用所致的不稳定燃烧。振荡燃烧最可能在加力燃烧时产生，尤其是当非常贫油或非常富油时，也可能产生在燃烧室中。

这种振荡燃烧造成的振动的频率范围50至5000Hz，纵向振动频率最低，径向频率最高。从以上可以看出，声学振动与振荡燃烧将激起机匣纵向及径向的振动，低频的强烈振动使测得的整机振动剧增、超限，高频振动可能使薄壁结构因声振而产生疲劳。

3.2 噪声

发动机主要噪声源是燃气流和风扇。

排气噪声是排气和周围空气紊流掺合造成的，噪声频谱是连续的。

风扇噪声主要是风扇旋转噪声及涡流噪声，风扇旋转噪声的基频为fn，f=zfnf。

涡流噪声是因涡流从叶片两面交替地脱离造成的，它的频率等于涡流从叶片一面形成的频率。噪声首先是激起薄壁件结构的声振，连续噪声谱中，突出了相当这些结构的固有频率分量。个别情况下，薄壁结构可能发生强烈的振动，以至疲劳破坏。

4 结构源

4.1 轴承

轴承激起的振动是轴的旋转中心线周期地偏离几何中心线的结果。已知有两种振动源：各个轴承的几何精度和可变柔度。

轴承内环的壁厚差导致1×n的振动，内环的椭圆度则导致2×n频率的振动，由于跑道的波纹度产生的振动频率则为：

（D0为滚子中心所在圆的直径，d为滚子直径，Zw为环上的波纹数，Zr为滚子数，q为Zw、Zr的最大公约数）

当考虑外环波纹度时取“-”号，当考虑内环波纹度时取“+”号。

由于滚子波纹度（棱度）产生的振动频率为

变柔度激起振动的原因有两个：由于轴承外环的弹性变形和滚子间载荷分布不均造成的变接触柔度。振动频率为：

振动幅值正比于载荷、径向间隙及滚子尺寸的不均匀性。

保持架在游隙内的活动会激起以其旋转频率的振动

4.2 齿轮

齿轮传动激起的整机振动，随着传动载荷和圆周速度的增加而增大。当圆周速度增大时，齿轮传动可能工作在不连续的状态下，这时产生的强烈冲击会激起齿轮和机匣固有振动和共振，这一成分的振动比一般的要大几倍。

5 故障源

5.1 密封碰摩

它可能引起1×n频率成分振动增大，也可能引起转子或静子固有频率的振动，也可能引起（0.4至1）×n频率成分的振动，还可能引起高次谐波（2×n，3×n，…）或次谐波（n/2，n/3，…）的振动，并也可能引起极高频率的振动。其振幅常随转速的上升而增大，并随转速的下降而减小。

5.2 轴承对中性不好

它主要将使2×n频率成分的振动增大，1×n频率振动也可能增大。

5.3 支承刚度在垂直与水平方向内不等

主要表现为2×n振动增大，它可能激起转子的临界振动或静子的共振振动，高次谐波（3×n及以上）也可能增大。

5.4 次谐波共振

振动频率为1/2n、1/4n、1/8n，它们只能发生在非线性系统中，如零件松动或有间隙（在转子或承力系统内，或在联轴器中）；转轴裂纹可能产生1/3阶的次谐波振动。

5.5 叶片碰摩

工作叶片与静子碰摩将激起转子或静子固有频率的振动，及高频率的振动（密封产生的“尖叫声”）。它们在发动机起动过程（升速）中常常表现为振幅突然增大，而在停车过程（降速）中常常保持不变。但有时也表现为在起动过程、停车过程中振幅突然减小。

5.6 转子或静子松动

转子或静子松动（如由于螺栓松动、过盈不足或过盈丧失等等），主要产生转子或静子固有频率（最低阶）的振动，并通常表现为转速升至某一转速时，振幅突然增大，转速降至某一转速时，振幅突然减小。

5.7 轴承内、外环损伤

若轴承内、外环存在一处损伤或工作间隙，都会引起频率为滚子在内、外环经过频率的振动，即

5.8 失稳

失稳的特点是产生剧烈的非同步进动。如，叶尖、密封气弹性导致的失稳。

6 结语

整机振动大可能是发动机制造、装配质量不高的反映，也可能是发动机已产生某种故障的表现，如失衡、失稳等。本文分析了引起整机振动的各种振源，及振动发生时的特征表现，对航空发动机生产和使用过程中，当整机振动有异常表现时，判断振动危害性及后续使用或进行针对性排故有一定的指导作用。