舰载直升机涡轴发动机振动特性_张霞妹.pdf

-67-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023中国科技信息 2023 年第 8 期航空航天与常规陆地使用的直升机相比，舰载直升机因其特殊的海洋使用环境和舰上使用要求，使得舰载直升机面临许多新问题和新技术。例如，舰载直升机的实际使用环境，包括高温、高湿、海风、海浪、霉菌、盐雾、淋雨、太阳辐射等海上气候特点。这就使得直升机的机械结构件，尤其是旋转部件，比如旋翼、尾桨、减速器、传动轴以及发动机转子部件等面临更加严酷的使用条件。舰载直升机结构件的运转状态和使用寿命往往比陆上直升机更加需要额外关注。针对舰载直升机涡轴发动机转子部件运转状态监测和安全保障的需求，本文采用发动机转子部件振动实时监测技术对其振动信号进行采集，以此对舰载直升机涡轴发动机的振动特性进行了分析，为舰载直升机的飞行安全保障提出了建设性的意见。舰载直升机振动特点分析直升机振动一般由直升机主旋翼、尾桨、传动机构等旋转部件的运动、空气动力和发动机噪声共同诱发，其振动频率成分包括某些特定转速的正弦分量和随机振动分量。对于舰载直升机振动而言，除承受一般陆基直升机的振动影响因素以外，还要受到舰船结构和海浪特性引起的振动。例如，舰载直升机在甲板上起降时，旋翼与机体会随着舰船在海面上发生震荡，起落架平面与水平面的夹角平面会随着舰船的摇摆发生变化。由于起落架的非线性，舰载直升机的结构参数与地面条件相比具有不同的刚度和阻尼，其旋翼、变速器、发动机和机体耦合系统的稳定性也发生了变化，使得舰载直升机的稳定性受到影响。很可能发生“船舶表面共振”事故。在设计措施上，除了保证旋翼传动耦合系统具有足够的阻尼外，频率要求与传动系统振动的各阶模态固有频率分开，并有足够的转速余量，有效防止共振。另外，舰船上的机械装置包括发电机、变压器、推进发动机、齿轮箱、旋转轴和螺旋桨等，它们的运行将诱发出舰船振动，对其上安装的装备将产生影响。舰船上机械设备的运行，对直升机机体及其机载设备的结构均会造成不利影响，在确定舰载直升机振动特性时，均需对此加以考虑。涡轴发动机转子振动监视方法涡轴发动机转子的振动监视，目前大多仍是采用单一限行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度舰载直升机涡轴发动机振动特性张霞妹张霞妹（1990），女，河南济源，硕士，中国飞行试验研究院发动机所，工程师。中国科技信息 2023 年第 8 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023-68-航空航天制值的方法，对于发动机振动故障监视功能不足，发动机振动出现增大但未超限的情况时，无法准确判定发动机工作状态，对试飞安全监视造成了较大的困扰，是振动监视的难点之一。通过研究发现，对大量发动机振动数据进行统计分析，获取发动机振动基线，可以作为发动机振动监视的实施依据，因此基于基线的发动机振动监视方法是解决此问题的一个行之有效的方法。发动机基线只能跟发动机的工作参数有关，与飞行环境、发动机故障等无关，且可以代表发动机健康状态下的一组参考值。在利用发动机故障诊断方程诊断发动机故障时，通过对比发动机各征兆量与其基线的偏差值的情况来判断发动机的健康状况。影响发动机整机振动特性的因素比较多，主要有转子不平衡、转子热弯曲、进气畸变、流场畸变、旋转失速、震荡燃烧、轴承、齿轮、附件转子、碰摩、轴承故障、附件传动磨损、局部共振等。但是通常来说，大多数振动都是由发动机转动零部件的不平衡引起的。发动机振动监视告警方法采用总量/分量限制值告警和基线/阈值模型告警结合的方式。在采集、计算得到发动机振动总量和分量后，综合发动机总线参数（主要包括发动机油门杆角度、高/低压转速、排气温度等），形成振动基线。因此在监视系统采集的数据中，应包含加装的振动参数，和发动机工作参数。在此次研制的监视系统中，输出信号除了实时计算得到的监测结果外，还有超限告警信号，振动告警为总量/分量超过固定限制值或超过基线阈值时发出。告警方法流程见图 1。涡轴发动机振动监控系统涡轴发动机振动监控系统，一般由机载监视设备和地面设备以及相关软件组成，其原理框图如图 2 所示。机载设备的主要功能是采集和处理振动信号，提取出能反应发动机及其他子系统的特征信息。将高采样的振动信号降低至实时监视无线传输系统的发送频率能适应的采样周期。同时存储采集到的振动信号以及其他信息。地面设备的主要功能是对机载设备进行控制；卸载以及显示机载设备存储的数据；读取机载设备的工作信息；对存储的数据进行后续处理，对发动机状态及可能存在的故障信息进行进一步探究。舰载涡轴发动机振动特征分析发动机转子振动时域特征转子振动随旋转频率而变化的特性，由机匣和转子的弹性质量性质而定。一般地，转子激起的振动时域信号为：（1）涡轴发动机转子假设为单转子模型，它的质量为，安装在弹性的无重轴的中间，盘的偏心度为 e，支承是刚性的，如图 3 所示，则旋转时产生的不平衡力：P=m2（e+y）（2）式中：轴的挠度。挠度的数值由不平衡力和轴的弹性恢复力相等来确定：（3）在临界转速的情况下：（4）挠度和不平衡力无限地增大（假定阻尼力不存在），相应地发动机机匣的振动也增大。在双转子发动机中，总的振动是两个转子激起的振动的线性相加。每一转子的一阶谐波是正弦形的，见图 4（a）及（b）。一阶谐波频率的总振动是两个分量形式的曲线：图 3 发动机单转子模型示意图图 2 涡轴发动机振动监视系统原理框图图 1 发动机振动监视告警和预警方法-69-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023中国科技信息 2023 年第 8 期航空航天x=A1（t）sin1t+A2（t）sin（2t+）（5）它的波形图取决于两个转子的转速关系和两个振动分量的幅值关系。当一个转子通过临界转速时，或者一个转子的不平衡度显著地超过另一个的不平衡度时，振动的主要成分是相应转子的谐波，波形图很像正弦曲线，见图4（c）和（d）。如果两个分量具有同一个数量级，则可以清楚地看到两个成分，当两个转子的转速相近时，产生拍现象，见图 4（e）。发动机转子振动频域特征发动机转子是航空燃气轮机中基本的和最重要的激振源。在旋转的不平衡力作用下，引起转子旋转频率的振动。当水平的转子在不同直径方向的刚性不均匀时，可以激起二阶谐波。从前述公式（1）看出，随着 i 的增大，高阶谐波迅速减弱，如图 5 所示。谐波振动（i=1/m）减少达到显著的数值，可以略去。如果转子带卡爪或销钉式联轴器，则轴线偏斜引起的高阶谐波为：fz=Zn （6）式中：Z联轴器卡爪或销钉的数目。实例分析如前所述，由于舰载直升机在舰船和海洋气象环境下作业，使得涡轴发动机振动表现出与陆上直升机不同的特征。典型的振动特征之一就是发动机转子二倍频振动分量显著增大。图 6 为舰载直升机在海上悬停时的发动机转子振动时域和频域信号图。从中可以明显看出，发动机转子二倍频分量振动值远大于转子基频分量振动值。主要原因分析有两点：（1）在舰面和海平面悬停时，特别是在有海风的情况下，复杂的气流使得旋翼和尾桨的气动负荷明显增大，这就导致涡轴发动机需要输出更大功率，因此转子气动负荷显著提高。（2）在海风较大的情况下，会加剧涡轴发动机进气畸变，从而使得进气道出口的压气机振动变得更为剧烈。需要指出的是，发动机转子二倍频分量振动明显增大，对转子工作状态和寿命而言是不利的因素，所以对于舰载涡轴发动机而言，尤其需要对发动机振动进行监控。结语通过分析舰载直升机的使用特点和涡轴发动机的振动特性，我们可以得出如下结论：1）由于舰载直升机在舰船和海洋气象环境下作业，使得舰载涡轴发动机容易出现发动机转子二倍频振动分量显著增大的现象，这对发动机工作状态和寿命是不利的因素。2）为了确保舰载直升机的飞行安全，提高舰载直升机的作业能力和保障水平，需要配备相应的发动机振动监控系统，对舰载涡轴发动机的振动进行实时监控。0 13%26%39%52%65%78%91%104%117%130%143%156%169%182%195%基频振动值二倍频振动值频率（%）图 6 海上悬停时舰载涡轴发动机振动信号图 5 发动机转子振动谱图图 4 发动机转子振动时域典型波形