航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)常見振動(dòng)故障
2020-01-31 張?zhí)斐獭√旖虼髮W(xué)
調(diào)查顯示，我國(guó)國(guó)產(chǎn)飛機(jī)故障中約有50%是發(fā)動(dòng)機(jī)引起的。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的故障類型十分復(fù)雜，總體上可分為性能故障、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度故障及附件系統(tǒng)故障。從我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的故障統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)性能故障約占總故障的10%~20%，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度故障約占總故障的60%~70%。而無論哪種情況，故障的前兆和發(fā)展過程都體現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的振動(dòng)上。
轉(zhuǎn)子系統(tǒng)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)故障，小則影響工作，大則造成嚴(yán)重破壞性事故。因此，研究各種因素引起的航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)現(xiàn)象和機(jī)理，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)研究的重要任務(wù)。通過研究，既可以為有效的故障診斷和控制提供理論依據(jù)，也可以為解決*航空發(fā)動(dòng)機(jī)自主設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵力學(xué)問題提供動(dòng)力學(xué)理論基礎(chǔ)。
航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)相關(guān)常見故障如下：
1.轉(zhuǎn)靜碰摩故障
由于追求高的推重比及低的耗油率，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速越來越高，而轉(zhuǎn)子與靜子的間隙越來越小，這樣就加劇了轉(zhuǎn)靜子間的碰摩故障發(fā)生的概率。轉(zhuǎn)靜子間的碰摩一旦發(fā)生，將會(huì)使轉(zhuǎn)靜子間的間隙增大從而使其工作效率降低，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)使葉片折斷。而封嚴(yán)結(jié)構(gòu)與軸之間的碰摩會(huì)使封嚴(yán)結(jié)構(gòu)損壞，并使軸局部發(fā)熱引起熱彎曲從而使振動(dòng)加劇。同時(shí)，轉(zhuǎn)靜子碰摩將引起轉(zhuǎn)子發(fā)生非協(xié)調(diào)進(jìn)動(dòng)，因而在轉(zhuǎn)子內(nèi)產(chǎn)生交變應(yīng)力，促使轉(zhuǎn)子疲勞破壞。
2.不對(duì)中故障
基礎(chǔ)松動(dòng)、安裝誤差、承載后的變形以及工作時(shí)的熱膨脹等因素，都會(huì)造成各軸系之間的不對(duì)中故障。不對(duì)中故障會(huì)引起轉(zhuǎn)子軸向和徑向交變力，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的軸向和徑向振動(dòng)，進(jìn)而引起軸承的磨損、軸的撓曲變形以及轉(zhuǎn)子與靜子間的碰摩等。
3.熱彎曲故障
制造、裝配中的不平衡和起動(dòng)過程產(chǎn)生的熱彎曲，是引發(fā)航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生較大振動(dòng)的重要原因。轉(zhuǎn)子熱彎曲的產(chǎn)生，通常發(fā)生在發(fā)動(dòng)機(jī)停車后的冷卻過程中，因自然對(duì)流換熱，轉(zhuǎn)子下部比上部冷卻速度快，轉(zhuǎn)子的上下表面存在溫度差而產(chǎn)生一定的熱彎曲，呈弓形狀態(tài)，從而產(chǎn)生較大的不平衡。當(dāng)再次起動(dòng)時(shí)，致使振動(dòng)響應(yīng)增大，乃至產(chǎn)生轉(zhuǎn)靜子的碰摩故障。
4.葉片振動(dòng)故障
航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片工作環(huán)境惡劣，葉片共振、顫振引起的疲勞斷裂等問題，一直是發(fā)動(dòng)機(jī)故障的重要原因。葉片振動(dòng)嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致葉片的斷裂和飛失，葉片飛失引起的突加不平衡，更會(huì)引起大的瞬態(tài)振動(dòng)，往往導(dǎo)致轉(zhuǎn)子失穩(wěn)、轉(zhuǎn)靜碰摩、葉片和軸產(chǎn)生裂紋、結(jié)構(gòu)松動(dòng)等一系列故障。
5.松動(dòng)故障
承受長(zhǎng)期循環(huán)交變載荷、振動(dòng)作用下引起的彎曲疲勞和塑性變形后，發(fā)動(dòng)機(jī)的連接螺栓會(huì)發(fā)生松動(dòng)、脫落，導(dǎo)致支承剛度的不足和周期性改變，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)振動(dòng)異常。松動(dòng)故障也往往伴隨著其他故障，如不對(duì)中等。
6.疲勞裂紋故障
發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子承受高溫、高速和突變載荷作用，容易產(chǎn)生疲勞裂紋，并不斷擴(kuò)展直至引發(fā)斷裂。
7.滾動(dòng)軸承故障
在航空發(fā)動(dòng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)的壓氣機(jī)、渦輪系統(tǒng)中，滾動(dòng)軸承仍是一個(gè)容易出現(xiàn)故障的部件?，F(xiàn)場(chǎng)研究表明，大約有90%的滾動(dòng)軸承故障與內(nèi)圈或外圈的缺陷有關(guān)，其他10%與滾動(dòng)體或保持架的故障有關(guān)。另外滾動(dòng)軸承處存在強(qiáng)烈的非線性因素，為解決滾動(dòng)軸承的故障，應(yīng)深入研究其非線性動(dòng)力學(xué)機(jī)理。
航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)故障模式多、機(jī)理復(fù)雜，更重要的是各個(gè)故障往往不是單一存在，一個(gè)故障的產(chǎn)生通常會(huì)引發(fā)或伴隨著其他故障。多種故障的耦合以及非線性因素的存在，大大增加了動(dòng)力學(xué)分析的難度，這為我們研究工作帶來了極大的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。
（來源：漫步力學(xué)微信公眾號(hào)）
網(wǎng)站客服
