基于适航要求的某涡轴发动机最大不平衡探索_宋明波.pdf

文章编号：1000-8055（2023）06-1467-07doi：10.13224/ki.jasp.20220764基于适航要求的某涡轴发动机最大不平衡探索宋明波1，严平2，王旭1，向有志1，杨洋1，谢荣华1（1.中国航发湖南动力机械研究所，湖南株洲412002；2.军委审计署北京审计中心，北京100041）摘要：以国内某在研民用涡轴发动机为对象，系统开展基于适航要求的最大不平衡探索研究。统计分析同构型同量级某在役涡轴发动机首次翻修间隔期不平衡量恶化情况，得到该涡轴发动机正常服役不平衡量恶化分布于 2070gmm，极个别情况下达到 80gmm 以上，接近 100gmm。在此基础上，基于短轴承半油膜模型进行该涡轴发动机转子不平衡响应计算分析，并在转子和整机平台上进行了最大不平衡探索试验。计算与试验结果均表明，在正常服役平衡恶化（70gmm）下，该发动机全转速范围振动平稳，能够稳定工作；特殊情况下，当不平衡量达到并超过 100gmm 时，发动机振动较大，尤其是不平衡呈反相位分布时，激起转子在第 2 阶临界转速区域剧烈振动，覆盖转速范围更宽，发动机无法正常工作。关键词：适航；涡轴发动机；转子；最大不平衡；振动中图分类号：V231.96文献标志码：AExplorationofmaximumunbalanceofaturboshaftengineaccordingtoairworthinessrequirementsSONGMingbo1，YANPing2，WANGXu1，XIANGYouzhi1，YANGYang1，XIERonghua1（1.HunanAviationPowerplantResearchInstitute，AeroEngineCorporationofChina，ZhuzhouHunan412002，China；2.BeijingAuditCenteroftheCentralMilitaryCommissionAuditOffice，Beijing100041，China）Abstract:Takingadomesticindependently-developedcivilturboshaftengineindevelopmentastheobject，themaximumunbalanceexplorationresearchbasedonairworthinessrequirementswascarriedout.ThedeteriorationofunbalanceduringthefirstTBOofanin-serviceturboshaftenginewasstatisticallyanalyzed，findingthisturboshaftenginehadthesameconfigurationandthesamemagnitudewiththisoneresearchedinthispaper.Thedeteriorationofunbalanceinnormalserviceofthisturboshaftenginewas2070gmm，andinthoserarecasesitreachedabove80gmm，closeto100gmm.Onthisbasis，theunbalanceresponseoftheturboshaftenginewasanalyzedbasedontheshortbearingoilfilmmodel，andthemaximumunbalanceexploratoryexperimentwascarriedoutbothonarotortestdeviceandanenginetestdevice.Thecalculationandexperimentresultsshowedthat，theenginecouldworkstablyatallspeedsinnormalserviceunbalancedeterioration(70gmm);underspecialcases，whentheunbalancereachedandexceeded100gmm，theenginevibratedseriously，especiallywhentheunbalancewasofout-of-phase收稿日期：2022-10-03基金项目：国家科技重大专项（2017-0008-0009，J2019-0005-0072）作者简介：宋明波（1985），男，高级工程师，博士，主要从事航空发动机总体结构、转子动力学研究。引用格式：宋明波,严平,王旭,等.基于适航要求的某涡轴发动机最大不平衡探索J.航空动力学报,2023,38（6）：1467-1473.SONGMingbo,YANPing,WANGXu,etal.ExplorationofmaximumunbalanceofaturboshaftengineaccordingtoairworthinessrequirementsJ.JournalofAerospacePower,2023,38（6）：1467-1473.第38卷第6期航空动力学报Vol.38No.62023年6月JournalofAerospacePowerJune2023distribution，theenginevibratedviolentlyduringthe2stcriticalspeedregion.Thevibrationspeedrangewaswider，andtheenginecouldnotworkproperly.Keywords:airworthiness；turboshaftengine；rotor；maximumunbalance；vibration由于材料、加工、装配等实际误差，转子重心与支点连线之间存在偏差，即转子不平衡，其量值大小即不平衡量，与偏心距和偏心质量呈正比。众所周知，转子系统的振动与其不平衡之间存在密切的关系1-3，每一型航空发动机都有严格的出厂动平衡及整机振动限制要求4-5。涡轴发动机燃气发生器转子通常采用一类典型的刚性转子设计6-7，采用低速动平衡工艺8-10，其出厂不平衡量限制按 GB/T9239.1（ISO1940-1）11中平衡品质级别选取，精度控制于 G2.5G6.3 之间11-12。国内多型在役、在研涡轴发动机采用此类设计10-12，图 1 所示为某在研民用涡轴发动机燃气发生器转子，其出厂不平衡量限制 14gmm，精度等级为G3.3。基于力与力矩的等效关系，以及转子支点、重心与前后校正面的相对位置12，该转子的出厂不平衡量限制分配到两个校正面分别如下：前校正面为 6gmm、后校正面为 8gmm，前、后校正面如图 1 所示。前校正面后校正面图1某涡轴发动机燃气发生器转子Fig.1Gasgeneratorrotorofanturboshaftengine航空发动机工况复杂、零组件多，服役期间易产生结构微观损伤13-14，转子不平衡状态恶化15，上述平衡精度难以保持，加之挤压油膜阻尼器的非线性阻尼特点16-17，为整机振动带来了不确定性。航空发动机适航规定（CCAR-33R2）18第63 条对民用航空发动机整机振动提出了基本要求，并通过咨询通告 AC33.6319进一步详细说明，给出了一种通过制造转子最大不平衡来验证该条款的试验，这个最大不平衡应包括制造、装配，以及翻修间隔期内转子不平衡量的恶化。考虑上述情况，某民用涡轴发动机（见图 1）系统开展了基于适航要求的最大不平衡探索研究，统计分析了同类在役发动机平衡恶化数据，基于短轴承半油膜模型进行转子不平衡响应计算，并以转子和整机平台开展了探索试验及验证分析，为该型发动机整机振动限制值选取及适航取证工作奠定了基础，也为后续民用涡轴发动机的研制提供参考。1不平衡量恶化发动机转子系统连接结构多，支承结构复杂，工作环境恶劣，其出厂时的平衡状态在服役期间易被破坏，甚至逐步恶化，这对发动机的持续稳定工作是不利的。咨询通告 AC33.63 中指出19：“不平衡量的恶化可通过初始维修检查试验或持久试验后测量获得，或通过相似发动机的服役经验获得。”国内某在役涡轴发动机与图 1 所示发动机转子结构布局相同、尺寸质量相当，如图 2 所示。本节对其服役期间的不平衡量恶化进行统计分析。图2某在役涡轴发动机燃气发生器转子Fig.2Gasgeneratorrotorofanin-serviceturboshaftengine表 1 为图 2 所示发动机燃气发生器转子在初始翻修检查时的转子不平衡量恶化情况。对表 1 数据进行统计分析，结果如图 3 所示。由表 1、图 3 的统计可知，该发动机初始翻修检查时，燃气发生器转子的不平衡量恶化主要分布于 20 70gmm 范 围，极 个 别 情 况 下 达 到80gmm 以上，接近 100gmm。上述统计中不平衡量恶化较严重的几台发动机整机振动有所增大，但未超过规定的限制值（40mm/s）。本文的统计样本容量为 22，当样本容量过小时，统计结果置信度较低，误差较大，而样本容量太大则需耗费过多的统计成本，下面对本节统计的样本容量进行一些讨论。在简单随机抽样条件下，样本容量的计算公式如下20：N=Z22h2（1）式中 N 为样本容量，Z 为置信度，为总体标准差，h 为可接受的误差水平。1468航空动力学报第38卷假设初始翻修检查时的剩余不平衡量满足正态分布，以抽样标准差代表总体标准差，即前、后校正面的 分别为 21.4gmm 和 20.8gmm，结合工程实际，对于本节的统计结果，可接受的误差水平 h 取为 10gmm，当置信度为 95%（即 Z 取1.96）时，由式（1）可得，前、后校正面的样本容量N 分别为 18 和 17。可知本节所得统计结果在10gmm 的误差水平下，置信度超过 95%，满足工程实用要求。2不平衡响应计算图 1 所示某涡轴发动机燃气发生器转子采用中小型涡轴发动机典型的刚性转子设计，其前 2阶刚体型临界转速置于工作转速以下，第 3 阶弯曲型临界转速置于最大工作转速以上，并保证至少 20%的裕度7,12。经计算，该转子前 3 阶临界转速分布如表 2 所示，对应的模态振型如图 4 所示，分别为平动、俯仰和弯曲振型，满足临界转速裕度与模态振型要求。表2某涡轴发动机燃气发生器转子临界转速Table2Criticalspeedsofaturboshaftenginegasgeneratorrotor阶次临界转速/（r/min）模态振型第 1 阶10500平动第 2 阶22500俯仰第 3 阶67500弯曲该转子前、后支点均采用了挤压油膜阻尼器，根据其具体结构，本节采用短轴承半油膜模型对不平衡响应进行计算分析，油膜刚度、油膜阻尼由式（2）表达7：|k0=RL3C32（12）2d0=RL3C32（12）1.5（2）式中 k0为油膜刚度系数；d0为油膜阻尼系数；为滑油动力黏度；R 为油膜半径；L 为油膜长度；C为油膜厚度；为进动角速度；为偏心率。2.1不平衡量咨询通告 AC33.63 中指出19：“除了正常工作的转子不平衡恶化，还需适当叠加一些特殊工况产生的转子不平衡量，如结冰、积冰等。”结合第 1 节的统计分析，本节计算中转子的不平衡量选取如表 3 所示。表中的 3 组数据由小到大依次代表了出厂限制、正常服役恶化以及特殊工况下的不平衡量。后续的计算中，每组数据均考虑同相位、反相位两种极端情况。2.2同相位不平衡响应图 5 所示为同相位情况下的不平衡响应计算结果，图 5（a）为响应幅值，图 5（b）为偏心比，图中204060801001201401600510152025序号前校正面后校正面不平衡量/(gmm)图3某在役涡轴发动机不平衡量恶化统计Fig.3Statisticsofunbalancedeteriorationofanin-serviceturboshaftengine表1某涡轴发动机不平衡量恶化Table1Unb