通過動(dòng)態(tài)分析和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試對(duì)一噴氣客機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)作出診斷，發(fā)現(xiàn)渦輪葉輪的變?nèi)釋?dǎo)致極轉(zhuǎn)動(dòng)慣量顯著下降，因而改變發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，使其臨界轉(zhuǎn)速接近飛機(jī)的巡航轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生不應(yīng)有的振動(dòng)和噪聲。文章提出了具體改進(jìn)方案，已為研制單位采用。

1993年美國(guó)某飛機(jī)制造公司精心研制出一架小型噴氣客機(jī)的樣機(jī)，當(dāng)樣機(jī)以巡航速度試飛時(shí)，即發(fā)現(xiàn)機(jī)身尾部的渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)有劇烈的振動(dòng)，且振動(dòng)通過機(jī)身傳到客艙引起噪聲水平明顯上升。該公司對(duì)這一現(xiàn)象始料未及，迫切要求咨詢專家提供處理方案。美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)E.J.Gunter博士與作者經(jīng)仔細(xì)研究發(fā)現(xiàn)，因過高估計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉輪的剛性，設(shè)計(jì)師們誤以為發(fā)動(dòng)機(jī)各階臨界轉(zhuǎn)速已遠(yuǎn)離飛機(jī)的巡航轉(zhuǎn)速，而實(shí)際上發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)或幾個(gè)臨界轉(zhuǎn)速十分接近巡航轉(zhuǎn)速，故產(chǎn)生激烈的振動(dòng)，傳到客艙后引起噪聲上升。

本文通過動(dòng)態(tài)分析結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)作出診斷，并提出具體改進(jìn)方案。

（提到E.J.Gunter博士，大家是不是有些熟悉或者很熟悉了呢？ 弗吉尼亞大學(xué)Gunter教授在旋轉(zhuǎn)機(jī)械行業(yè)頗有建樹，在轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域造詣很深，并且他與軸承-轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)專業(yè)軟件DyRoBeS的開發(fā)者陳文政博士?jī)扇酥救は嗤叮P(guān)系甚好~~~）

這架噴氣客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)是一個(gè)雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。其中一個(gè)是低壓轉(zhuǎn)子，由風(fēng)扇和一個(gè)3級(jí)渦輪組成，為三個(gè)滾動(dòng)軸承支承，具有發(fā)動(dòng)機(jī)的大部分質(zhì)量，是發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部分。另一個(gè)是高壓轉(zhuǎn)子，由一個(gè)6級(jí)壓氣機(jī)加一個(gè)2級(jí)渦輪組成，為兩個(gè)滾動(dòng)軸承支承，質(zhì)量較小。軸承支座聯(lián)接于發(fā)動(dòng)機(jī)外殼結(jié)構(gòu)，發(fā)動(dòng)機(jī)通過外殼兩端支架聯(lián)結(jié)在機(jī)身尾部。

專業(yè)測(cè)試公司對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)作了現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試。傳感器放置在發(fā)動(dòng)機(jī)上多個(gè)敏感點(diǎn)，樣機(jī)飛行時(shí)，及時(shí)記錄振動(dòng)數(shù)據(jù)。圖1顯示預(yù)測(cè)和實(shí)測(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)后支架振動(dòng)。橫軸代表低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速(r/min)，縱軸代表振動(dòng)速度(mm/sec)。飛機(jī)巡航飛行時(shí)低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為7500r/min，稱巡航轉(zhuǎn)速。

圖1表明巡航轉(zhuǎn)速附近出現(xiàn)了強(qiáng)烈的振動(dòng)。圖2顯示發(fā)動(dòng)機(jī)前支架實(shí)測(cè)橫向振動(dòng)。置于風(fēng)扇上不同值的配重產(chǎn)生多條不平衡響應(yīng)曲線，振幅峰值處的轉(zhuǎn)速即是由不平衡激發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)臨界轉(zhuǎn)速。圖2表明在6000～ 8000r/min范圍內(nèi)存在發(fā)動(dòng)機(jī)的多個(gè)臨界轉(zhuǎn)速，反復(fù)研究振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)啟發(fā)作者想到，對(duì)經(jīng)過合理的有限單元離散化的發(fā)動(dòng)機(jī)力學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，依據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)的分布趨勢(shì)，適當(dāng)改變或調(diào)整某些敏感參數(shù)值，使計(jì)算后的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)性能接近現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)，也許可找到問題的癥結(jié)。

考慮到雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中高壓轉(zhuǎn)子的質(zhì)量比低壓轉(zhuǎn)子小得多，先略去它的影響可簡(jiǎn)化數(shù)值計(jì)算，便于迅速接近事物本質(zhì)，這里著重對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部分——低壓轉(zhuǎn)子作動(dòng)態(tài)分析。低壓轉(zhuǎn)子長(zhǎng)1.88m，質(zhì)量為140.6kg，風(fēng)扇和渦輪位于轉(zhuǎn)子軸兩端附近。三個(gè)支承軸承分別稱風(fēng)扇軸承、主軸承和渦輪軸承，均有擠壓油膜阻尼器供阻尼。風(fēng)扇軸承位于風(fēng)扇處，渦輪軸承位于渦輪葉輪處，兩者承載能力接近。主軸承的承載力較大，位于風(fēng)扇軸承后約0.2032m處。限于篇幅，低壓轉(zhuǎn)子的有限元離散化模型被略去。

本文使用了一個(gè)商用有限元程序軟件DyRoBeS[2]，它能快速、方便地計(jì)算轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)計(jì)及阻尼和陀螺效應(yīng)的正、逆回旋復(fù)特征值與臨界轉(zhuǎn)速以及相應(yīng)的振型。根據(jù)制造商提供的軸承參數(shù)，見表1，對(duì)低壓轉(zhuǎn)子作正、逆回旋頻率分析和臨界轉(zhuǎn)速分析。風(fēng)扇和渦輪的陀螺力矩引起低壓轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)自由回旋振動(dòng)頻率隨轉(zhuǎn)速變化且分裂為正、逆回旋頻率-轉(zhuǎn)速曲線。若自由回旋振動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)速同值且同向，稱同步正回旋臨界轉(zhuǎn)速。低壓轉(zhuǎn)子同步正回旋臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算值見表2，沒有一個(gè)落入6000～8000r/min范圍。

諸影響因素中，究竟哪個(gè)被過高或欠估計(jì)，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)不符，通過調(diào)節(jié)低壓轉(zhuǎn)子各參數(shù)反復(fù)作仿真計(jì)算，注意力集中到渦輪葉輪上。觀察實(shí)物，葉輪是焊接加螺栓連接結(jié)構(gòu)，為減輕質(zhì)量，不少部位做得很單薄。因此，該葉輪被視為完全剛性盤不符合實(shí)際情況，這一點(diǎn)恰巧被設(shè)計(jì)者忽視。理論上，轉(zhuǎn)子各階正、逆回旋頻率曲線的分離程度將顯著影響臨界轉(zhuǎn)速的分布，而這種分離程序是由陀螺效應(yīng)即轉(zhuǎn)盤的極轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來控制。作者猜測(cè)風(fēng)扇或渦輪葉輪的極轉(zhuǎn)動(dòng)慣量擬適當(dāng)減小。首先，試將風(fēng)扇的極轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別減少1/4和1/2，仿真計(jì)算結(jié)果顯示系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速變化很小。然后，恢復(fù)風(fēng)扇極轉(zhuǎn)動(dòng)慣量原值，試將渦輪葉輪的極轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Ip分別減少1/4和1/2。

計(jì)算表明，后者使第三階臨界轉(zhuǎn)速有顯著變化，由12097r/min降為7747r/min，接近巡航轉(zhuǎn)速，見圖3（注意，因制造商要求，渦輪軸承剛度降為5.254e6N/m，故圖3中正、逆回旋頻率曲線整體下移）。于是，問題有了突破，經(jīng)過修正后的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子力學(xué)模型的動(dòng)態(tài)持性就較接近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

為使轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)離巡航轉(zhuǎn)速，改變轉(zhuǎn)軸或風(fēng)扇或渦輪的設(shè)計(jì)不可行，因?yàn)槿暨@樣做就要修改發(fā)動(dòng)機(jī)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，制造商需要的再投資太昂貴。

仿真計(jì)算表明，主軸承剛度的大幅下降能使第三階臨界轉(zhuǎn)速顯著降低，遠(yuǎn)離巡航轉(zhuǎn)速，同時(shí)第四階臨界轉(zhuǎn)速繼續(xù)保持遠(yuǎn)離巡航轉(zhuǎn)速。例如，當(dāng)主軸承剛度降為8.756e6 N/m且渦輪葉輪的極轉(zhuǎn)動(dòng)慣量取原值的50% ，第三階臨界轉(zhuǎn)速減為6297r/min，第四階臨界轉(zhuǎn)速經(jīng)計(jì)算為11197r/min。計(jì)算進(jìn)一步表明，主軸承的擠壓油膜尼器所提供的阻尼若從0增為8756Ns/m，可使發(fā)動(dòng)機(jī)兩端支架傳給機(jī)身的力下降一半。

仿真計(jì)算還顯示，渦輪軸承處的擠壓油膜阻尼器所提供的阻尼若從0增為8756Ns/m，將使發(fā)動(dòng)機(jī)兩端支架傳給機(jī)身的力下降為原來的1/3～1/4。可見，修改主軸承設(shè)計(jì)和適當(dāng)增加軸承擠壓油膜阻尼器所提供的阻尼這兩個(gè)方案是實(shí)際可行的，可單獨(dú)進(jìn)行也可同時(shí)進(jìn)行，因?yàn)樗鼈冎簧婕暗捷S承與相關(guān)部件的調(diào)換和周圍空間少量尺寸的改變，不需要大幅度修改發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和大量再投資。

4. 結(jié)束語(yǔ)

由于高速輕質(zhì)的要求，現(xiàn)代噴氣飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉輪大量采用焊接和螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)且不少部位做得很單薄，這樣會(huì)導(dǎo)致渦輪的剛性顯著減弱，變?nèi)岬臏u輪葉輪的極轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大為下降，從而改變整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。對(duì)此現(xiàn)象在飛機(jī)設(shè)計(jì)中必須予以清醒的認(rèn)識(shí)，以避免發(fā)動(dòng)機(jī)的臨界轉(zhuǎn)速接近飛機(jī)的巡航轉(zhuǎn)速，造成不應(yīng)有的振動(dòng)和噪聲出現(xiàn)。

本文研究也表明，飛機(jī)樣機(jī)制造出來后，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試和計(jì)算機(jī)仿真，適當(dāng)修改發(fā)動(dòng)機(jī)力學(xué)模型，可找到發(fā)動(dòng)機(jī)的真實(shí)動(dòng)態(tài)特性以及振動(dòng)與噪聲的由來。修改發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承設(shè)計(jì)和適當(dāng)增加軸承擠壓油膜阻尼器所提供的阻尼是兩個(gè)比較經(jīng)濟(jì)、可行的方案用以矯正發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)而減振降噪。美國(guó)有關(guān)公司已經(jīng)采用它們成功解決了前述的難題。