桑瀟瀟， 廖明夫， 李 為

(西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院 西安，710072)

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故障轉(zhuǎn)子擠壓油膜阻尼器減振特性實(shí)驗(yàn)*

桑瀟瀟， 廖明夫， 李 為

(西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院 西安，710072)

針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子常見(jiàn)的兩種故障模式碰摩和不對(duì)中，實(shí)驗(yàn)研究擠壓油膜阻尼器分別對(duì)上述兩種故障引發(fā)的振動(dòng)的抑制效果。在轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)器上分別模擬碰摩故障和不對(duì)中故障，并測(cè)試使用擠壓油膜阻尼器前后故障轉(zhuǎn)子振動(dòng)特征的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，碰摩故障導(dǎo)致轉(zhuǎn)子振動(dòng)一階反進(jìn)動(dòng)和一階進(jìn)動(dòng)比增大，不對(duì)中故障導(dǎo)致轉(zhuǎn)子振動(dòng)二倍頻增大；對(duì)于碰摩故障，擠壓油膜阻尼器可以有效減小渦輪盤(pán)處振動(dòng)和彈支輻條的應(yīng)變，但對(duì)壓氣機(jī)盤(pán)減振失效；對(duì)于不對(duì)中故障，擠壓油膜阻尼器可以減小轉(zhuǎn)子振動(dòng)，對(duì)于二倍頻振動(dòng)幅值的抑制尤為明顯。

擠壓油膜阻尼器； 碰摩； 不對(duì)中； 轉(zhuǎn)子； 減振特性

引 言

轉(zhuǎn)靜碰摩故障是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的典型故障之一。為追求高推重比和低油耗，轉(zhuǎn)、靜子之間的間隙設(shè)計(jì)得越來(lái)越小(尤其是渦輪間隙)，由此增大了碰摩故障發(fā)生的可能性。碰摩一旦發(fā)生，將使轉(zhuǎn)子振動(dòng)加劇，以至于引起轉(zhuǎn)子失穩(wěn)[1-6]。支座、機(jī)匣和軸承等零、組件在工作時(shí)受熱、受力或者溫度不均等情況下發(fā)生變形和轉(zhuǎn)子安裝不良等均可能造成轉(zhuǎn)子不對(duì)中故障。第3代航空發(fā)動(dòng)機(jī)普遍采用擠壓油膜阻尼器(squeeze film damper,簡(jiǎn)稱SFD)作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的減振裝置。國(guó)內(nèi)外學(xué)者[7-13]深入地研究了擠壓油膜阻尼器的設(shè)計(jì)、應(yīng)用等問(wèn)題，提出了擠壓油膜阻尼器的設(shè)計(jì)方法和失效判斷準(zhǔn)則。擠壓油膜阻尼器已經(jīng)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上得到廣泛應(yīng)用，并取得了良好的減振效果。但是在發(fā)生上述轉(zhuǎn)子故障時(shí)，關(guān)于擠壓油膜阻尼器能否穩(wěn)定工作， 擠壓油膜阻尼器是否失效的問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者的相關(guān)研究少有涉及。因此，實(shí)驗(yàn)研究帶擠壓油膜阻尼器的故障轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)特性有比較重要的工程應(yīng)用價(jià)值，對(duì)于擠壓油膜阻尼器的設(shè)計(jì)工作有一定的參考意義。

筆者建立了帶擠壓油膜阻尼器的轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)器，并在該實(shí)驗(yàn)器上分別模擬了壓氣機(jī)盤(pán)局部碰摩故障和轉(zhuǎn)子支座不對(duì)中故障，研究帶擠壓油膜阻尼器轉(zhuǎn)子在上述故障發(fā)生時(shí)的振動(dòng)特性。

1 實(shí)驗(yàn)器及其系統(tǒng)介紹

實(shí)驗(yàn)器主要由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(電機(jī)和變頻器)、轉(zhuǎn)子、彈性支承、擠壓油膜阻尼器和潤(rùn)滑系統(tǒng)等組成，實(shí)物圖見(jiàn)圖1， 實(shí)驗(yàn)器總體結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2。采用變頻器控制高速電機(jī)，實(shí)驗(yàn)器可實(shí)現(xiàn)0～9 000 r/min無(wú)級(jí)調(diào)速。盤(pán)3和盤(pán)6分別用于模擬壓氣機(jī)和渦輪盤(pán)，盤(pán)上可加減螺栓改變轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡量；擠壓油膜阻尼器位于具有彈性支承的一端；潤(rùn)滑系統(tǒng)可對(duì)擠壓油膜阻尼器的供油壓力和流量參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

測(cè)試系統(tǒng)為西北工業(yè)大學(xué)所研制的CAMB9100發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子高速動(dòng)平衡與狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。傳感器主要包括光電傳感器(德國(guó)Schenck,P-84)、振動(dòng)位移傳感器(德國(guó)Schenck,IN-085)、振動(dòng)速度傳感器(美國(guó) B&K, VS-080)。電阻應(yīng)變計(jì)為中航工業(yè)電測(cè)儀器股份有限公司制造的BE120-05AA型號(hào)的電阻應(yīng)變計(jì)。

圖1 實(shí)驗(yàn)器外觀圖Fig.1 Test rig

圖2 實(shí)驗(yàn)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic of test rig

實(shí)驗(yàn)中，測(cè)點(diǎn)布置如表1所示。

表1 測(cè)點(diǎn)信息

Tab.1 Measurement point info

測(cè)試通道傳感器位置安裝角度RPM光電聯(lián)軸器水平15°CH1位移壓氣機(jī)盤(pán)水平CH2位移壓氣機(jī)盤(pán)豎直CH3位移渦輪附近轉(zhuǎn)軸水平CH4位移渦輪附近轉(zhuǎn)軸豎直CH5速度碰摩塊支架水平徑向CH6速度碰摩塊支架水平軸向CH7應(yīng)變計(jì)鼠籠彈支沿輻條方向

考慮到渦輪盤(pán)的橢圓度較大，為不影響數(shù)據(jù)分析在靠近渦輪盤(pán)的軸上布置測(cè)點(diǎn)。光電傳感器用以獲取轉(zhuǎn)速信號(hào)保證整周期采樣；通道1～4獲取轉(zhuǎn)子振動(dòng)位移信號(hào)；通道5～6獲取碰摩支架振動(dòng)速度信號(hào)，以分析轉(zhuǎn)靜碰摩的劇烈程度；通道7獲取鼠籠彈支輻條的應(yīng)變，以分析碰摩時(shí)鼠籠彈支輻條的變形。

2 碰摩故障

為了研究轉(zhuǎn)子的碰摩故障，筆者設(shè)計(jì)制造了一套碰摩實(shí)驗(yàn)裝置。把鋁塊安裝于支架上，用螺桿連接，通過(guò)旋動(dòng)螺桿推動(dòng)鋁塊與實(shí)驗(yàn)器轉(zhuǎn)子的壓氣機(jī)盤(pán)邊緣發(fā)生局部碰摩，支架通過(guò)地腳螺釘固定于支座上。碰摩裝置如圖3所示。碰摩前，標(biāo)記好螺桿旋鈕的位置，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)螺桿1 080°推動(dòng)鋁塊前進(jìn)與壓氣機(jī)盤(pán)碰摩；碰摩結(jié)束后，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)螺桿1 080°，把鋁塊退回到碰摩前的位置。這樣就可以保證每次碰摩發(fā)生時(shí)，鋁塊都處在相同的位置上。

筆者設(shè)置了3組碰摩故障實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，見(jiàn)表2。

圖3 碰摩裝置Fig.3 Device for rub

實(shí)驗(yàn)因素狀態(tài)1狀態(tài)2狀態(tài)3碰摩×√√擠壓油膜阻尼器××√

×表示該狀態(tài)下沒(méi)有碰摩發(fā)生或者擠壓油膜阻尼器不加油；√表示該狀態(tài)下有碰摩發(fā)生或者擠壓油膜阻尼器工作。

表2中從狀態(tài)2到狀態(tài)3，每次改變一個(gè)實(shí)驗(yàn)條件，進(jìn)而可以分析比較碰摩和擠壓油膜阻尼器分別對(duì)轉(zhuǎn)子振動(dòng)特性的影響。在靠近臨界轉(zhuǎn)速處2 380 r/min(臨界轉(zhuǎn)速大約為2 400 r/min)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)。在該轉(zhuǎn)速下，由于不平衡響應(yīng)較大，所以在鋁塊位置一定時(shí)，壓氣機(jī)盤(pán)與碰摩塊的相互碰撞更強(qiáng)烈。轉(zhuǎn)子動(dòng)靜碰摩最為突出的特征即轉(zhuǎn)子振動(dòng)一階反進(jìn)動(dòng)和一階進(jìn)動(dòng)比(即一階反進(jìn)動(dòng)比一階正進(jìn)動(dòng))增大[1,3-6]，所以將重點(diǎn)考察轉(zhuǎn)子的進(jìn)動(dòng)量和前三階振動(dòng)幅值。

圖4(a)為3個(gè)實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下轉(zhuǎn)子振動(dòng)位移值的1倍頻、2倍頻和3倍頻幅值的統(tǒng)計(jì)柱狀圖。圖4(b)為3個(gè)實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下轉(zhuǎn)子振動(dòng)位移的一階正進(jìn)動(dòng)、反進(jìn)動(dòng)和進(jìn)動(dòng)比的統(tǒng)計(jì)柱狀圖。

表3為3個(gè)狀態(tài)下碰摩支座的振動(dòng)速度值和鼠籠彈支的應(yīng)變值的1～3倍頻幅值的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

圖4 CH1～CH4數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖Fig.4 Statistics for CH1～CH4

倍頻狀態(tài)CH5/(mm·s-1)CH6/(mm·s-1)CH7110.140.268.6423.8510.1320.0232.3811.848.08210.010.001.0320.971.042.1232.581.250.66310.040.010.6220.280.840.3432.231.770.68

碰摩故障導(dǎo)致轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)盤(pán)處振動(dòng)1倍頻略有下降，渦輪盤(pán)處振動(dòng)1倍頻增大，壓氣機(jī)盤(pán)處振動(dòng)一階正進(jìn)動(dòng)有所下降，一階反進(jìn)動(dòng)和一階進(jìn)動(dòng)比顯著增大，渦輪盤(pán)處一階正、反進(jìn)動(dòng)及進(jìn)動(dòng)比均增大，鼠籠彈支輻條應(yīng)變1倍頻增大。加擠壓油膜阻尼器后，轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)盤(pán)處振動(dòng)一倍頻增大(CH1由123.17到147.12 μm， CH2由97.53到122.15 μm)，渦輪盤(pán)處振動(dòng)1倍頻降低(CH3由83.66到49.10 μm，通道CH4由66.49到26.62 μm)，壓氣機(jī)盤(pán)處一階正進(jìn)動(dòng)增大(由110.2到134.6 μm)，一階反進(jìn)動(dòng)和一階進(jìn)動(dòng)比降低(反進(jìn)動(dòng)由13.98到12.8 μm，進(jìn)動(dòng)比由0.126到0.095)，渦輪盤(pán)處一階正反進(jìn)動(dòng)均減小(正進(jìn)動(dòng)由73.12到36.04 μm，反進(jìn)動(dòng)由19.05到16.12 μm)；鼠籠彈支輻條應(yīng)變1倍頻降到碰摩前的水平以下(由20.02到8.08)。 碰摩故障和擠壓油膜阻尼器對(duì)轉(zhuǎn)子振動(dòng)的2倍頻和3倍頻的影響不明顯。擠壓油膜阻尼器對(duì)于碰摩故障導(dǎo)致的振動(dòng)有一定的抑制作用，但會(huì)增大壓氣機(jī)盤(pán)處振動(dòng)幅值。此時(shí)，擠壓油膜阻尼器對(duì)壓氣機(jī)盤(pán)減振失效。

3 不對(duì)中故障

不對(duì)中故障在轉(zhuǎn)子1/2倍臨界轉(zhuǎn)速附近響應(yīng)較大，所以在轉(zhuǎn)子1/2倍臨界轉(zhuǎn)速附近(1 200 r/min)研究不對(duì)中故障的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。在靠近聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)子支座下墊6個(gè)銅片，制造了聯(lián)軸器平行偏角不對(duì)中，并用力矩扳手緊固地腳螺釘，以保證不同數(shù)量的銅片都以相同的壓力壓緊，實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。

設(shè)置了3組不對(duì)中故障實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，見(jiàn)表4。

圖5 不對(duì)中示意圖Fig.5 Schematic of misalignment

表4 不對(duì)中實(shí)驗(yàn)狀態(tài)表

Tab.4 Lists of experimental states for misalignment

實(shí)驗(yàn)因素狀態(tài)1狀態(tài)2狀態(tài)3不對(duì)中×√√擠壓油膜阻尼器××√

從狀態(tài)2到狀態(tài)3，每組狀態(tài)改變一個(gè)實(shí)驗(yàn)條件，進(jìn)而可以分析比較不對(duì)中和擠壓油膜阻尼器分別對(duì)轉(zhuǎn)子振動(dòng)特性的影響。不對(duì)中故障的主要特征是頻譜出現(xiàn)2倍頻[14-15]，所以筆者將研究轉(zhuǎn)子的前3階振動(dòng)幅值。圖6為3組狀態(tài)下轉(zhuǎn)子振動(dòng)位移值的1倍頻、2倍頻和3倍頻幅值的統(tǒng)計(jì)柱狀圖。

圖6 CH1～CH4數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖Fig.6 Statistics for CH1～CH4

由圖6可知，不對(duì)中導(dǎo)致壓氣機(jī)盤(pán)處的1倍頻幅值有所減小， 渦輪盤(pán)處的1倍頻幅值略增，壓氣機(jī)盤(pán)和渦輪盤(pán)處的2倍頻幅值增大；加擠壓油膜阻尼器后壓氣機(jī)盤(pán)和渦輪盤(pán)處1倍頻振動(dòng)幅值變化不明顯，2倍頻大幅下降(CH1由72.96到20.28 μm，CH2由59.31到24.84 μm，CH3由13.84到6.01 μm，CH4由12.05到6.39 μm)。不對(duì)中和擠壓油膜阻尼器對(duì)轉(zhuǎn)子振動(dòng)的3倍頻影響不明顯，可見(jiàn)擠壓油膜阻尼器能大幅降低不對(duì)中導(dǎo)致的2倍頻成分。

4 結(jié)束語(yǔ)

轉(zhuǎn)子碰摩故障主要導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的一階反進(jìn)動(dòng)和一階進(jìn)動(dòng)比增大，轉(zhuǎn)子不對(duì)中故障導(dǎo)致轉(zhuǎn)子2倍頻增大。擠壓油膜阻尼器可有效減小碰摩轉(zhuǎn)子渦輪盤(pán)處振動(dòng)和鼠籠彈支輻條應(yīng)變，但對(duì)壓氣機(jī)盤(pán)減振失效，擠壓油膜阻尼器可大幅減小不對(duì)中轉(zhuǎn)子振動(dòng)的2倍頻成分。確立擠壓油膜阻尼器失效準(zhǔn)則時(shí)，還應(yīng)當(dāng)考慮轉(zhuǎn)子故障的影響，確保擠壓油膜阻尼器在轉(zhuǎn)子發(fā)生故障時(shí)能穩(wěn)定工作。

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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2015.05.029

2014-09-01；

2014-12-23

V231.9

桑瀟瀟，男，1985年9月生，博士生。主要研究方向?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)。 E-mail: aeront@hotmail.com