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摘 要：本文通过分析某型航空发动机异常振动的出现和发展变化趋势，并结合发动机结构，得出异常振动源于低压压气机转子积油的结论，分解检查及后续试验验证了分析的准确性，其分析方法和思路对工程实践中的类似振动问题排除有一定参考价值。
关键词：航空发动机;振动分析;压气机;转子积油
振动测试是航空发动机状态监测主要手段之一，滑油系统工作状态对航空发动机的振动必然有一定影响。滑油泄漏是航空发动机研制和批产过程中的常见故障，滑油泄漏可分为外部泄漏和内部泄漏，外部泄漏主要为外部接口密封不良和管路破裂等，内部泄漏可分为滑油进入流道和发动机腔内。外部泄漏一般不会对振动产生影响;滑油泄漏进入流道可导致积碳和高温部件烧蚀等，滑油泄露进入静子腔内导致发动机重量和滑油消耗量增大，此两种类型的滑油泄露一般不影响发动机振动;当滑油进入到发动机转子腔内时可改变转子系统的动力学特性，对发动机振动产生很大影响。国内学者对充液转子稳定性偏重理论研究，试验研究较少[1-3]，航空发动机之类的高速转子腔内积液相关的文献极少[4]。
论文涉及的某型航空发动机试验中出现振动异常问题，试验因振动超过限制值而停止，通过结合发动机结构和振动特征的分析，确定异常振动是低压压气机转子腔内积油引起，分解检查后证实了分析结果，有效避免了发动机可能的严重故障的发生，其经验可以为类似异常振动现象的排除提供参考。
1 概述
某航空发动机为三转子发动机，分别为动力涡轮转子（简称N1）、低压转子（简称N2）和高压转子（简称N3，附件传动系统与N3相连），结构非常复杂，然而台架试验只在机匣上设置5个振动测点，减速器作为一个相对独立的子系统其唯一的振动测点与论文无关故不再赘述，其它4个发动机测点代号和安装位置如下：
1#测点——进气机匣/压气机机匣安装边;
2#测点——压气机机匣/中介机匣安装边;
3#测点——中介机匣/燃烧室机匣安装边;
4#测点——涡轮机匣。
振动总量（带通滤波获得）限制值为40mm/s。
2 故障现象
该航空发动机首次装配后进行多次试验，按时间顺序可将发动机振动情况分为：振动正常、振动异常初期、振动异常后期、振动超过限制4个阶段，发动机振动及分解检查情况如下：
2.1振动正常
发动机首次上台试验需进行转速磨合，发动机最大状态的频谱见图1（右側文本框数值为各测点振动总量），由图可得：主转子旋转频率振动幅值最大为5.93mm/s，368.7Hz对应的附件振动幅值最大为6.06mm/s（该附件转速处在N1和N2转速之间约为N1），振动总量最大为11.0mm/s，前2次试验振动频谱特征一致，发动机振动未见异常累计运行90min。
2.2振动异常初期
第3次试验前20min发动机振动未见异常，20min后最大状态振动频谱见图2（发动机累计运行约130min），由图2可得：主转子旋转频率振动幅值最大为6.48mm/s，与图1相比N1和N2旋转频率振动之间多了1个366Hz的异常振动峰值，该峰值最大幅值仅为1.21mm/s，对发动机振动总量的贡献几乎可以忽略，该频率与N1、N2和N3旋转频率数值之比分别为1.255、0.880和0.746，与减速器及附件传动转子转速无对应关系。
第4次试验与图2中366Hz振动对应的振动频率降至361Hz同时最大幅值增大至3～4mm/s，第4次试验结束发动机累计运行166min。
第3和第4次试验虽然出现366Hz的异常振动然而其幅值不超过4mm/s，对发动机振动总量影响不大，同时发动机压力、温度、扭矩等参数未见异常，现场分析认为该振动峰值对试验安全影响不大，后续试验过程建议要加强对振动参数的监控。
2.3振动异常后期
第5次试验程序参考GJB 242-87第4.5.1.3持久试车程序编制，完成“最大试车功率状态——慢车状态运转”和“递增扭矩运转（实际为扭矩递减，发动机从最大状态递减0.1倍最大状态功率至0.1倍最大状态功率）”，本次试验发动机累计运行约151min，发动机累计运行317min。
“递增扭矩运转”N1恒为100%转速。异常振动的频率数值和振动幅值见表1，最大状态振动频谱见图3。由表1和图3可得：最大状态主转子和附件振动变化属正常范围;各测点振动总量明显增大最大已达28.2mm/s，主要由349.1Hz异常振动峰值的增大引起。
第6～10次试验都是性能录取试验，期间发动机多次上下台，每次发动机试验约30min时间较短，相同状态发动机振动幅值变化不大、频谱结构与图3一致。
2.4振动超过限制
第11次试验是该发动机首次装配最后一次试验，从飞行慢车上推最大状态过程1#测点振动瀑布图见图4，由瀑布图可得异常振动幅值达48mm/s已超过发动机振动限制，发现振动超过限制以后发动机立即下拉飞行慢车，随后再次上推最大状态发动机振动与前1次一致，异常振动已严重影响试验安全，发动机试验终止。
3 机理分析
图3中1#测点和2#测点349.1Hz振动幅值明显比3#测点和4#测点大，并且2#测点和3#测点及3#测点和4#测点振动幅值之比都接近2：1，由振动数据结合发动机结构可以确定未知振动的振源在1#测点和2#测点之间，对应发动机的低压压气机机匣和附件传动机匣。异常振动的频率数值在266～349Hz之间且随发动机转速降低而降低，当发动机降至飞行慢车后完全消失，若异常振动由发动机静子引起则无法解释上述振动现象，因此认为异常振动由低压压气机转子或附件转子引起。
假设异常振动由附件传动引起，首先在异常振动对应的频率范围内没有任何附件旋转频率与之对应;其次随发动机功率的变化异常振动与N3旋转频率之比波动可超过7%，与N2旋转频率之比波动最大为1.6%，即异常振动和N2转速相关性高于N3转速; 最后2#测点和3#测点之间短而刚性好的承力机匣与3#测点和4#测点之间薄壁的燃烧机匣对异常振动的传递衰减相近，从振动传递的角度看是不合理的，低压压气机的前后轴承承力框架恰好位于压气机机匣振动测点截面，因此异常振动由低压压气机转子引起。 第3次试验异常振动与N2旋转频率之比约为0.88，第5次试验该比值降至0.826～0.842，隨发动机运行时间增加异常振动与N2旋转频率之比有下降趋势并趋于稳定，与积液转子的振动特征相似（与文献1-3振动特征的差异可能与该型发动机工作转速位于2阶和3阶临界转速之间有关），确定异常振动由低压压气机转子积油引起。
机理分析如下：滑油缓慢泄漏到低压压气机腔内，少量滑油会附着在低压压气机转子上不会引起振动的变化;随运行时间的增加积油量逐渐增大，油液在高速旋转的转子上会产生不稳定的类似冲击的激振力和较大的不平衡激振力，此激振力导致发动机累计运行130min后开始出现异常振动;随积油量进一步增加，异常振动幅值有增大的趋势，同时其频率相对工频有下降的趋势;当积油量继续增加到一定程度，积油产生的激振力使振动急剧增大，此时积油量达到了使转子系统失稳的临界，第11次试验从慢车状态上推最大状态过程振动高达48mm/s，导致发动机超过振动限制。
4分解检查及试验验证
该航空发动机分解检查发现：高压转子和动力涡轮及减速器无异常;低压压气机盘腔存在大量滑油（约占盘腔体积的1/2），N1轴尾部封严装置失效。
N1轴尾部封严装置失效引起N2轴承封严空气压力不足，轴承腔滑油压力高于封严空气压力导致低压压气机积油，复装该发动机上台试验振动频谱结构与图1一致，发动机振动未见异常，验证了异常振动是由低压压气机转子腔内积油引起。
5 结束语
航空发动机是高温、高压、高转速的复杂机械，受安装尺寸限制，中小型航空发动机振动测点一般位于外机匣，振动出现异常以后，很难确定异常振动的振源。本论文的分析方法和思路对工程实践中的类似振动问题排除有一定参考价值。
参考文献：
[1] 祝长生.部分充液悬臂转子在不稳定区的动力特性[J].航空学报，2001，22（2）：155-159.
[2] 祝长生.部分充液悬臂柔性转子系统不稳定特性的实验研究[J].振动工程学报，2003，16（4）：453-456.
[3] 祝长生.流体黏性对部分充液柔性转子稳定性的影响[J].浙江大学学报，2004，38（4）：484-489.
[4] 姜广义，武鹏，张洁. 航空发动机腔内积油引发振动故障分析[J].航空发动机，2013，39（2）：75-78.
关键词：航空发动机;振动分析;压气机;转子积油
振动测试是航空发动机状态监测主要手段之一，滑油系统工作状态对航空发动机的振动必然有一定影响。滑油泄漏是航空发动机研制和批产过程中的常见故障，滑油泄漏可分为外部泄漏和内部泄漏，外部泄漏主要为外部接口密封不良和管路破裂等，内部泄漏可分为滑油进入流道和发动机腔内。外部泄漏一般不会对振动产生影响;滑油泄漏进入流道可导致积碳和高温部件烧蚀等，滑油泄露进入静子腔内导致发动机重量和滑油消耗量增大，此两种类型的滑油泄露一般不影响发动机振动;当滑油进入到发动机转子腔内时可改变转子系统的动力学特性，对发动机振动产生很大影响。国内学者对充液转子稳定性偏重理论研究，试验研究较少[1-3]，航空发动机之类的高速转子腔内积液相关的文献极少[4]。
论文涉及的某型航空发动机试验中出现振动异常问题，试验因振动超过限制值而停止，通过结合发动机结构和振动特征的分析，确定异常振动是低压压气机转子腔内积油引起，分解检查后证实了分析结果，有效避免了发动机可能的严重故障的发生，其经验可以为类似异常振动现象的排除提供参考。
1 概述
某航空发动机为三转子发动机，分别为动力涡轮转子（简称N1）、低压转子（简称N2）和高压转子（简称N3，附件传动系统与N3相连），结构非常复杂，然而台架试验只在机匣上设置5个振动测点，减速器作为一个相对独立的子系统其唯一的振动测点与论文无关故不再赘述，其它4个发动机测点代号和安装位置如下：
1#测点——进气机匣/压气机机匣安装边;
2#测点——压气机机匣/中介机匣安装边;
3#测点——中介机匣/燃烧室机匣安装边;
4#测点——涡轮机匣。
振动总量（带通滤波获得）限制值为40mm/s。
2 故障现象
该航空发动机首次装配后进行多次试验，按时间顺序可将发动机振动情况分为：振动正常、振动异常初期、振动异常后期、振动超过限制4个阶段，发动机振动及分解检查情况如下：
2.1振动正常
发动机首次上台试验需进行转速磨合，发动机最大状态的频谱见图1（右側文本框数值为各测点振动总量），由图可得：主转子旋转频率振动幅值最大为5.93mm/s，368.7Hz对应的附件振动幅值最大为6.06mm/s（该附件转速处在N1和N2转速之间约为N1），振动总量最大为11.0mm/s，前2次试验振动频谱特征一致，发动机振动未见异常累计运行90min。
2.2振动异常初期
第3次试验前20min发动机振动未见异常，20min后最大状态振动频谱见图2（发动机累计运行约130min），由图2可得：主转子旋转频率振动幅值最大为6.48mm/s，与图1相比N1和N2旋转频率振动之间多了1个366Hz的异常振动峰值，该峰值最大幅值仅为1.21mm/s，对发动机振动总量的贡献几乎可以忽略，该频率与N1、N2和N3旋转频率数值之比分别为1.255、0.880和0.746，与减速器及附件传动转子转速无对应关系。
第4次试验与图2中366Hz振动对应的振动频率降至361Hz同时最大幅值增大至3～4mm/s，第4次试验结束发动机累计运行166min。
第3和第4次试验虽然出现366Hz的异常振动然而其幅值不超过4mm/s，对发动机振动总量影响不大，同时发动机压力、温度、扭矩等参数未见异常，现场分析认为该振动峰值对试验安全影响不大，后续试验过程建议要加强对振动参数的监控。
2.3振动异常后期
第5次试验程序参考GJB 242-87第4.5.1.3持久试车程序编制，完成“最大试车功率状态——慢车状态运转”和“递增扭矩运转（实际为扭矩递减，发动机从最大状态递减0.1倍最大状态功率至0.1倍最大状态功率）”，本次试验发动机累计运行约151min，发动机累计运行317min。
“递增扭矩运转”N1恒为100%转速。异常振动的频率数值和振动幅值见表1，最大状态振动频谱见图3。由表1和图3可得：最大状态主转子和附件振动变化属正常范围;各测点振动总量明显增大最大已达28.2mm/s，主要由349.1Hz异常振动峰值的增大引起。
第6～10次试验都是性能录取试验，期间发动机多次上下台，每次发动机试验约30min时间较短，相同状态发动机振动幅值变化不大、频谱结构与图3一致。
2.4振动超过限制
第11次试验是该发动机首次装配最后一次试验，从飞行慢车上推最大状态过程1#测点振动瀑布图见图4，由瀑布图可得异常振动幅值达48mm/s已超过发动机振动限制，发现振动超过限制以后发动机立即下拉飞行慢车，随后再次上推最大状态发动机振动与前1次一致，异常振动已严重影响试验安全，发动机试验终止。
3 机理分析
图3中1#测点和2#测点349.1Hz振动幅值明显比3#测点和4#测点大，并且2#测点和3#测点及3#测点和4#测点振动幅值之比都接近2：1，由振动数据结合发动机结构可以确定未知振动的振源在1#测点和2#测点之间，对应发动机的低压压气机机匣和附件传动机匣。异常振动的频率数值在266～349Hz之间且随发动机转速降低而降低，当发动机降至飞行慢车后完全消失，若异常振动由发动机静子引起则无法解释上述振动现象，因此认为异常振动由低压压气机转子或附件转子引起。
假设异常振动由附件传动引起，首先在异常振动对应的频率范围内没有任何附件旋转频率与之对应;其次随发动机功率的变化异常振动与N3旋转频率之比波动可超过7%，与N2旋转频率之比波动最大为1.6%，即异常振动和N2转速相关性高于N3转速; 最后2#测点和3#测点之间短而刚性好的承力机匣与3#测点和4#测点之间薄壁的燃烧机匣对异常振动的传递衰减相近，从振动传递的角度看是不合理的，低压压气机的前后轴承承力框架恰好位于压气机机匣振动测点截面，因此异常振动由低压压气机转子引起。 第3次试验异常振动与N2旋转频率之比约为0.88，第5次试验该比值降至0.826～0.842，隨发动机运行时间增加异常振动与N2旋转频率之比有下降趋势并趋于稳定，与积液转子的振动特征相似（与文献1-3振动特征的差异可能与该型发动机工作转速位于2阶和3阶临界转速之间有关），确定异常振动由低压压气机转子积油引起。
机理分析如下：滑油缓慢泄漏到低压压气机腔内，少量滑油会附着在低压压气机转子上不会引起振动的变化;随运行时间的增加积油量逐渐增大，油液在高速旋转的转子上会产生不稳定的类似冲击的激振力和较大的不平衡激振力，此激振力导致发动机累计运行130min后开始出现异常振动;随积油量进一步增加，异常振动幅值有增大的趋势，同时其频率相对工频有下降的趋势;当积油量继续增加到一定程度，积油产生的激振力使振动急剧增大，此时积油量达到了使转子系统失稳的临界，第11次试验从慢车状态上推最大状态过程振动高达48mm/s，导致发动机超过振动限制。
4分解检查及试验验证
该航空发动机分解检查发现：高压转子和动力涡轮及减速器无异常;低压压气机盘腔存在大量滑油（约占盘腔体积的1/2），N1轴尾部封严装置失效。
N1轴尾部封严装置失效引起N2轴承封严空气压力不足，轴承腔滑油压力高于封严空气压力导致低压压气机积油，复装该发动机上台试验振动频谱结构与图1一致，发动机振动未见异常，验证了异常振动是由低压压气机转子腔内积油引起。
5 结束语
航空发动机是高温、高压、高转速的复杂机械，受安装尺寸限制，中小型航空发动机振动测点一般位于外机匣，振动出现异常以后，很难确定异常振动的振源。本论文的分析方法和思路对工程实践中的类似振动问题排除有一定参考价值。
参考文献：
[1] 祝长生.部分充液悬臂转子在不稳定区的动力特性[J].航空学报，2001，22（2）：155-159.
[2] 祝长生.部分充液悬臂柔性转子系统不稳定特性的实验研究[J].振动工程学报，2003，16（4）：453-456.
[3] 祝长生.流体黏性对部分充液柔性转子稳定性的影响[J].浙江大学学报，2004，38（4）：484-489.
[4] 姜广义，武鹏，张洁. 航空发动机腔内积油引发振动故障分析[J].航空发动机，2013，39（2）：75-78.