浅析航空发动机动力学控制技术的特点_浅析航空发动机动力学控制技术

一、报价

航空发动机动力学控制技术的主要目的是通过合理分配支撑结构和质量分布，保证发动机在全转速范围内没有有害振动。但航空发动机结构复杂，其转子结构具有多支点(五个支点，支点同心度难以保证)、大跨度(1.9m，很难在较宽的转速范围内实现刚性转子特性)、双转子(采用中间轴承)等特点。转子结构与机壳结构的连接面多而复杂，采用了套筒齿、螺栓、摩擦等连接形式。在装配过程中，大部分工艺参数难以测量，装配质量的重复性无法保证。航空发动机工作环境复杂，工作温度范围大(环境温度~ 2000)，导致结构过程特征参数和结构特征参数变化范围大，导致发动机结构振动具有非线性时变特性。同时，气动流场的转子-定子间隙、支撑刚度、同心度、不平衡量分布、气动力等动力学参数随着发动机状态和温度场的变化而变化，导致连接结构部件的振动传递特性差异很大。此外，对转子的动态特性要求更为严格，要求在非临界区有较宽的转速范围(低压为3000 ~ 9000 r/min，高压为7000 ~ 15000 r/min)，并在转速范围内的任意一点停止。

考虑到航空发动机的结构复杂性和高温高速工作特性，在不考虑上述连接结构时变非线性因素的情况下，整个振动模型的计算结果与实际试验结果存在较大差异，难以长期准确评估航空发动机的动态特性，也难以对存在振动问题的航空发动机整体振动进行有效控制。

因此，针对高性能航空发动机的结构复杂性和高温高速下的动态稳定性，指出了目前航空发动机振动控制技术存在的问题，并提出了发展思路。

二、设计技术

在大型涡喷和涡扇发动机的设计中，转子动态特性设计的主要目的如下：

评估转子的临界速度。对于大型发动机设计，需要保证一阶弯曲临界转速高于最大工作转速并有较大裕度，支撑共振临界转速避开常用工作转速，同时需要降低转子残余不平衡引起的支撑动载荷对所有相关部件的影响。

与确定临界速度调整有关的结构设计技术动态冲击分析法解决初始方案临界转速不理想或其他因素要求结构改进设计的问题。

预测支承系统和机壳的振动特性。结合临界转速和挠度变形的综合分析，保证发动机转子与定子的间隙保持在合理的分布范围内。

评估转子不平衡响应的灵敏度。给出了初始不平衡敏感系数。通过调整转子不平衡校正量和位置，发动机可以实现局部平衡能力。

预示不稳定动态特性的振动频率、极限值及相关条件，保证发动机在整个飞行包线内不发生危险振动。

评估转子和定子的相对动态位置关系，预测易碰摩截面、不平衡截面、支点不同心度、支撑刚度变化对各振动监测点的振动响应特征，为发动机研制和使用过程中的振动故障排除和结构修改提供重要参考。

要实现上述目标，整机动力学模型和连接结构的有效性将至关重要，对动力学计算也将提出更高的要求。

1.考虑整体结构的动态设计

首先，目前整个航空发动机动力学设计主要以转子动力学设计为主，研究转子系统(或转子-支承系统)的临界转速和稳态不平衡响应。发动机双转子转子临界转速的计算结果如图1所示。由于没有将转子-支撑-机匣-安装系统作为一个整体来考虑，无法满足对电机过载、支点同心度、转子与定子间隙等整机结构特性相关因素的分析研究，难以求解先进涡扇发动机高度耦合的整机系统的振动特性(固有振动特性和响应特性)，无法为零部件的耐久性试验提供振动环境参考。

图1发动机双转子转子临界转速计算结果。

其次，目前在发动机设计过程中进行的动力学分析主要集中在线性系统的振动设计上，将系统中固有的非线性因素全部等效线性化，包括关节刚度引起的非线性刚度和非线性阻尼(不同关节结构的刚度随载荷和定位面紧密程度的变化规律如图2所示)、过大的不平衡、阻尼、挤压油膜阻尼器、碰摩等因素。在以往的发动机设计过程中，这样的处理可以简化计算，提高效率，对大多数设计来说具有可接受的工程精度。然而，随着先进发动机的发展，特别是高推重比发动机的要求，结构非线性因素进一步增加，其影响也显著增加。所以线性化显然不适合一些大幅度引起的强非线性。只有研究整个系统的非线性振动，才能更准确地把握振动特性的本质。

不同连接结构的刚度随载荷和定位面紧密度的变化。

第三，在发动机整机的动态设计中将结构特征参数视为确定性参数，不考虑加工误差分布引起的概率分布、装配工艺引起的公差组合以及结构特征参数在工况下的变化。例如，由于结构公差、装配干涉范围和温度梯度的组合，发动机中间轴承的动态柔性至少改变五次。

为此，有必要在充分考虑航空发动机的结构特点、工作状态和装配工艺的前提下，发展和完善一种考虑结构特性参数(工艺特性参数和动态特性参数)的更加精确的参数化建模方法，以解决先进涡扇发动机振动中的转子和定子耦合、振动响应的局部非线性和不确定性等问题。采用整机参数化模型进行结构振动分析，对整机典型振动问题进行理论和数值分析，研究整机振动响应特性和力学机理。考虑结构特征参数的分散性，建立和发展了整机振动概率分析的动态设计方法。

2.注重支撑和连接结构的动态柔性的动态设计。

在航空发动机动态设计过程中，动态分析技术已经成熟，但影响分析精度的重点和难点是：缺乏准确的支点和连接结构动态柔度数据，使得计算出的转子临界转速误差过大，导致无法达到机械结构动态设计的真正目的。动柔度是指单位振动载荷引起的变形，与振动频率和参与振动的质量有关。

测量支点的静态柔度并不难，但测量支点的动态柔度似乎不现实，影响临界转速计算结果的正是支点的动态柔度。因此，为了提高发动机动态设计的准确性，必须考虑影响支点柔性的诸多因素，确定对动态柔性影响较大的零件。RR公司更早(1974)报道支点柔度是轴承柔度或轴承支撑柔度，但后者的定义与动力分析更密切相关。然而，该报告并没有具体说明哪些部分应该包括在变形中。如果必须包括轴承，测量它们的动态挠性将非常困难。因为轴承间隙的存在，不能施加交变载荷。但目前的动力学分析和实验经验表明，轴承工作状态的间隙不会对临界转速的分析和测量产生明显的影响。

在正常柔度范围内，临界转速对支点柔度非常敏感，前轴承柔度与转速的关系曲线如图3所示。转子系统的临界转速可由定子支撑系统的动态柔度测试结果计算，考虑工作状态的温度影响，假设在一定范围内选取几个柔度值，并经整机调试的振动测量结果验证。或者临界转速的计算只给出临界转速和支点柔性的关系，以此来分析可能出现的问题。

连接结构的动态柔性是影响结构动态特性的另一个重要因素。国外从20世纪50年代开始实施相关控制措施，包括控制预紧力的扭矩(或转角)安装技术和控制精度和摩擦性能的紧固件制造技术。此外，对螺栓连接结构的安装扭矩和预紧力制定了较为完善的标准，建立了较为完善的螺栓连接应用规范。

图3前轴承柔性与转速的关系曲线

大量技术研究成果的研究范围涉及螺栓连接理论、预紧力控制、摩擦性能控制、疲劳控制等诸多方面。典型的应用标准有波音的《螺栓和螺母的安装 (BAC5009M)》，NASA的《NASA NSTS 08307 预紧力螺栓设计准则》，SAE的《SAE1471A (2000年)》，俄罗斯的《OCT100017-1989》等。

RR公司经过与伦敦帝国理工学院的长期合作，以分析测试的方式研究接口连接刚度与接口加工精度、连接螺栓预紧力、螺栓孔直径的关系，建立模型数据库，通过振动测试和零件测试对整机模型进行修正。

装配预紧力是影响连接刚度的重要因素，但国内的相关研究刚刚起步，对各种参数的影响关系还存在很大的困惑，包括螺栓预紧力是否合适(目前只有经验值)、如何保持均匀、如何控制螺栓最合适的变形值、预紧顺序对连接刚度的影响、应力对机壳的影响、预紧力对定子同心度的影响等。由于缺乏相关的控制和研究，发动机在刚装配或工作不久后，性能就发生了很大的变化。初步分析，这与螺栓等预紧力的不确定性有很大关系。因此，预紧力在装配前后的变化及其对同轴度的影响也是连接结构动态柔性的重要研究内容。支点球轴承的轴向和径向刚度随关键参数的变化曲线如图4所示。

(a)刚度随着轴向间隙而变化。

(b)刚度随着径向载荷而变化

(c)刚度随着径向间隙而变化。

图4支点轴向和径向刚度随关键参数的变化曲线

三、装配过程控制技术

航空发动机装配技术实施的目的是保证其机械系统能够在要求的工作时间内安全可靠地完成其机械设计效率。因此，有必要根据发动机的结构和工作环境，提出一种能保证其功能完成的装配工艺。即基于结构的工艺参数组合，并考虑结构工作环境影响下的力学行为，保证结构特征参数和动力学参数(包括零件跳动、零件之间的配合关系、转子与定子的间隙、同心度、不平衡度、连接和支撑刚度等。)满足动态特性的设计要求。以整机适当的振动响应为目标，控制结构动态参数的范围，是装配过程的直接目的。因此，装配工艺是保证发动机机械运行质量的关键技术基础。

1.装配过程控制的结构特征参数技术分析。

在先进涡扇发动机的结构中，各部件的表面加工精度、端面跳动、径向跳动、螺栓连接紧度等工艺特性参数具有时变性和离散性，导致动力学参数(包括转子不平衡、偏心支点、连接和支撑刚度)的时变性和离散性，直至整机振动的离散性较大。发动机振动故障排除的实践经验表明，目前发动机振动的主要原因是动力学参数的变化区间难以控制，同时伴随着结构稳定性引起的振动不稳定性。因此，有必要明确影响整机振动的主要参数，并对其控制技术进行研究。

(1)发动机振动主要影响参数分析。

在航空发动机的加工、装配和工作过程中，发动机的结构和工艺特性参数会在一定的公差范围内发生变化，从而引起相应结构的动态特性参数发生变化，其结果是影响整机的振动特性。因此，分析了工艺特征参数、结构特征参数和动态特征参数之间的相关性，为其装配过程控制奠定了基础。

通过分析总结引起整机振动的三类参数的关键因素，确定特征参数的分类，如图5所示。

图5特征参数分类

机械特性参数是影响整机振动的直接参数，主要包括不平衡量、偏心量、连接刚度和支撑刚度。工艺特性参数是在装配过程中控制的或装配形成的参数，主要包括转子组合跳动、转子和定子偏心、拧紧力矩、拧紧顺序等参数。结构特征参数是发动机零件和零件之间的结构要素，主要包括零件跳动(端跳、径向跳动、列跳)、配合(螺栓、轴承座和轴承、套筒齿、定位挡块)、轴承间隙等。其中，影响转子不平衡的特征参数有转子零件跳动(端部跳动和径向跳动)、转子零件周向安装位置、叶片质量矩分散和转子组合跳动。影响轴承不同心度的特征参数主要有端面和圆柱跳动(结构尺寸公差)、连接器的拧紧力矩和连接器的拧紧顺序(装配工艺)等。影响连接刚度的特征参数包括涡轮与压气机转子连接螺母的拧紧力矩、配合关系、风扇与套筒齿(或多功能轴)的配合关系、涡轮与套筒齿(或多功能轴)的配合关系。影响轴承刚度的特征参数是有机机壳与轴承座的配合关系、机壳前后止挡的配合关系、机壳与轴承座用螺栓的拧紧力矩。

(2)发动机装配工艺参数控制的技术问题分析。

钍

考虑装配结构的力学环境(装配力学):结构的装配过程是一个复杂的技术问题，如发动机结构螺栓连接结构涉及扭矩、剪切力、弯曲力、陀螺力、机械轴向力、气动压力、惯性力、热梯度、摩擦、装配干涉、螺栓预紧力等11种载荷。如何在保证其结构强度、寿命和性能的前提下，满足发动机工作转速范围内连接刚度的动态设计要求？只有综合考虑螺栓数量和螺距的选择、拧紧力矩和步长、拧紧方向、环境温度、工作温度梯度等装配和工艺参数，才能制定科学的结构装配工艺规程。另一个例子是，在轴承装配过程中，配合间隙的不确定性难以控制。轴承的配合间隙决定了轴承的支撑刚度。需要分析相关结构在装配环境温度和工作环境温度下的相对位置(或力学关系)，以满足发动机工况下支撑刚度的设计要求。

考虑到结构过程和装配过程参数的可测性和可控性，整个发动机系统由成千上万个零件组成。由于各零件的公差分布是随机的，组合发动机的结构特性具有分散性。如何保证结构几何工艺参数在装配工艺作用下满足设计要求，需要研究结构静态几何工艺参数描述的合理性。例如，端面配合时，多少个点、线、面是描述零件配合面跳动的最佳方式；又如中央传动齿轮与附件箱锥齿轮的配合关系，分析零件采用哪些工艺参数和装配工艺来保证2轴的垂直度和啮合均匀性。

总之，只有保证装配过程前结构工艺参数的合理性和装配过程中工艺参数的可测试性，才能实现结构动态参数的可控性，保证整机振动特性在设计要求之内。

2.典型转子同心度的装配优化及控制技术。

发动机各结构部分的设计要求在几何和工艺参数上都有一定的误差范围，装配组合后会带来力学参数的公差要求。如果没有对公差和工艺参数进行优化，结果是加工的零件虽然满足其技术要求，但装配组合后的力学参数可能达不到振动特性的要求。相反，如果应用装配优化技术，即使工件超差，仍然可以装配出满足振动特性要求的部件。

装配过程中可以优化的机械参数主要有转子不平衡量、转子偏心量和转子偏心量。转子的不平衡和不同心直接影响发动机的振动特性，而转子和定子的不同心会对转子和定子的碰摩产生重要影响。

转子不同同心度的优化可以通过测量转子部件的几何跳动来计算不同部件组合角度下转子的不同同心度，进而获得转子不同同心度的最小部件组合角度来达到目的。优化原理如图6所示。在零件公差相同的情况下，通过仿真计算得到两种装配方式下转子不同同心度的累积概率分布，如图7所示。不同同心度的公差范围(95%置信区间)和平均值(50%累积概率)的比较见表1。

图6优化原理

随机装配和优化时不同同心度的累积分布曲线。

表1不同同心度的公差范围和平均值比较

转子不平衡量的优化也是测量转子部件的几何跳动，计算不同部件组合角度下转子的初始不平衡量，a

转子和定子不同同心度的优化，可以通过改变定子支架不同同心度之间的关系，达到转子和定子同心度最小的目的。将间隙传感器安装到转子上，并执行常规过程。完成转子和定子定位关系的装配环节后，转动转子测量转子和定子的间隙，得到转子和定子的偏心距。结果如图9所示。

图9转子和定子不同同心度的测量结果

根据不同同心度的大小和相位，可以改变定子外壳安装侧的螺丝拧紧顺序，进行微调和优化。如果偏心值较大，需要在分解后调整定子之间的定位关系，以进一步改善转子的偏心。

四、测试技术和典型振动故障

整机振动试验和测试技术是检查设计和装配结果的有效途径，是检查整机振动特性是否符合设计要求，检查机械系统结构运行状态是否正常的重要手段。在新发动机开发阶段，整机振动测量的主要目的和工作如下：

验证转子的动态特性是否满足设计要求，如工作转速范围内是否存在临界转速，是否需要修改或施加阻尼抑制。

验证整机的振动特性，包括支架的动态特性、机壳的动态特性、转子和定子的振动特性之间的关系(间隙分布)以及各段振动幅度与成品零件位置之间的关系。

在研制过程中，通过设置动力学参数和遇到的振动故障，测试建立了发动机的振动故障谱系，为发动机的出厂使用提供了振动标准，为外场飞行提供了故障诊断依据。

因此，整机振动试验技术是有效验证设计和装配质量，确保发动机可靠安全运行的关键技术。

1.整机振动测试方法的现状及振动标准(限值)。

(1)整机振动测试方法的现状。

在整机振动测量方法方面，从20世纪50年代到80年代，国外航空发动机振动测量系统大多采用磁电式测速系统。振动是用振动总量来衡量的，但一般只规定了稳态时的极限值，加减速过程中的瞬态值可以忽略。带通滤波器用于振动计。比如WP6、WP7发动机使用的测振仪的带通为70 ~ 200 Hz，Spey MK202发动机的带通为45 ~ 400 Hz。至今，我国涡喷系列发动机的振动试验仍广泛采用上述方法。

从20世纪70年代末到80年代初，压电加速度计以其结构简单牢固、体积小、重量轻、频响范围宽、动态范围大、性能稳定、输出线性度好、工作温度范围宽、抗外界磁干扰能力强等优点，迅速在振动测试领域取得了主导地位。在CFM56发动机测试规范中，甚至明确规定整机振动测试需要压电式加速度计。

20世纪70年代，由于数字电路技术和电子计算机技术的飞速发展，计算机开始应用于信号分析与处理领域，信号数字处理与分析技术应运而生。该技术基于快速傅立叶变换大幅提高计算速度(蝶形算法)，可以利用非时域特征的函数分析来详细描述物体的运动属性和动态过程。鉴于测试手段和技术的发展，整机振动测试方法发生了新的变化，如振动分量控制。振动分量一般是通过跟踪滤波、窄带滤波或频谱分析获得的单频振动信号。CFM56发动机规定高压转子用转速值，低压转子用位移值

考虑到发动机附件(包括管路、变速箱、附件变速箱及其附件)的振动激励不应损坏它们；

考虑了影响发动机振动的其它因素，如碰摩、轴承刚度(轴承间隙)和不对中的试验研究。

2.整机振动特性测试技术及动态设计验证

在整机振动试验过程中，可以通过试验技术验证发动机动态特性的实际情况，包括：转子动态特性是否满足设计要求，获取整机振动特性，通过设定动态参数和遇到的振动故障建立发动机振动故障谱。以下是几种测试方法。

(1)转子动态特性测试技术。

转子的动态特性是指转子结构在发动机全转速范围内的振动形式。受转子几何尺寸、支点分布、支撑刚度、发动机工作转速(温度分布和扭转刚度)甚至装配工艺的影响。现代旋转机械系统(包括航空发动机)多采用弹性支承，充分利用了转子通过支承临界转速后，在较宽的转速范围内(2 ~ 3倍于支承二阶临界转速)横向振动的对中功能的特点。在全速范围内避免弯曲临界速度。因此，航空发动机转子动态特性的测试主要是针对支撑的前两个临界转速。根据转子的不同结构形式，其测试方法可采用幅峰法、亚临界转速法、轴心轨迹法、滞后相角法等。航空发动机结构的振动特性一般可以根据转速振动曲线寻找共振点，并在共振点转速附近测试其支点之间的相位关系来获得。非接触式位移传感器(电容式、涡流式、微波式)也可用于检测转子的轴向相位关系，获得转子振动模式。对于弯曲转子振动模式，需要在转子轴上粘贴应变片，利用转子经过临界点时的转折现象来判断是否为弯曲振动模式。从而验证动态设计是否避免弯曲振动及其支撑振动特性。

(2)机壳支撑结构振动特性测试技术。

受不平衡转子力、内部流动和与通过支撑件传递的叶片相互作用的气动激励的影响，在发动机壳体中会出现各种振动模式。这种振动会涉及到自身的结构强度，也会导致安装在机壳上的附件损坏。此外，还要考虑机匣弹性线和转子弹性线的关系，尽可能避免转子和定子碰摩现象造成的发动机性能衰减。因此，对机壳支撑结构的振动特性进行测试是非常必要的。有两种主要的测试方法：

加速度和应变片联合测试方法：由于发动机结构和环境复杂，且考虑到传感器附加质量的影响，有些部位无法安装加速度传感器，需要根据具体环境实施不同的测试方案。对于轴向振动模式，利用多个加速度计的相位关系和多个应变片的等效梁单元变形和位移变换，组合成整体的轴向振动模式(如果加速度计时足够，可以直接测量)。对于周向振动模式，加速度计和应变仪都可以使用。

非接触式激光位移测量方法：利用动静态大变形大应变场测量系统(Q-400X)三维全场振动分析高速变形测量技术，测试风机机壳轴向变形，可实现非接触、全场、大变形大应变测量，现场测量无需隔振。它能对大面积测试区域和测试对象或圆柱体进行静态加载条件下的全场多视角变形和大应变测量，并能给出加载条件下大圆柱体的全场变形和应变分布。然而，这种方法只适用于测试振动m

根据某型发动机试车期间的大量振动测试和分析，认为该型发动机常见的振动故障有转子临界、机匣局部共振、转子不平衡量过大、转子和定子碰摩、腔体内有油、轴承失效等。其基本特征如表3所示。

表3一些故障和基本特征

注：X坐标为频率，Y坐标为振幅，Z坐标为时间。N1代表低压基频，N2代表高压基频。

这些在开发过程中积累和再现的振动故障特征，可以有效地为发动机的后续使用提供非常有价值的参考，也是发动机开发过程中所必需的。

结论

高性能航空发动机具有结构复杂、工作环境恶劣、工况多变的特点，对发动机整机的动态稳定性提出了严格的要求。为了完全实现发动机整机振动的可控性，基于发动机整机动态设计、装配和试验，分析了影响发动机整机动态特性的结构因素，讨论了建立发动机整机振动控制系统的主要内容，包括：

考虑整机振动分析的结构特征参数(过程特征参数和动态特征参数)分布特征的参数化建模方法的发展和完善。

研发大型盘轴、机匣工艺特性参数高精度测量系统，完善发动机装配工艺等关键技术，构建结构几何参数、装配工艺参数、力学参数数据库。

研究了振动特性测试技术、故障在线测试技术和整机测试技术，建立了振动敏感参数响应数据库。根据本文的论述，基于我国现有的研制经验，结合高性能航空发动机的发展要求，通过研究先进有效的计算技术、高效的测试技术和可控装配技术，可以建立一套有效实用的振动控制系统，保证整机良好的动态特性，有望完全实现整机振动的可控性。