CN111473859A - 整机振动限制值的制定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种整机振动限制值的制定方法，其基于每款发动机转子的不平衡量来评估发动机整机振动值，经过一次发动机整机最大不平衡试验可得到整机振动限制值，可以在开展少量试验的情况下即可得到适合本型号发动机的整机振动限制值，既可以避免振动限制值可能出现过严或过松，又可以减少大量的整机试验，节约了人力、物力和时间成本。

Description

整机振动限制值的制定方法
技术领域
本发明涉及航空发动机的整机振动限制值制定技术领域，特别地，涉及一种整机振动限制值的制定方法。
背景技术
在航空发动机的研制中，通常需要制定整机振动的限制值，其目的主要有以下几个方面：
1)发动机出厂交付时作为发动机零部件加工、平衡和装配质量控制的一种手段；
2)对于使用中的发动机，作为发动机机械系统状态或故障的监测手段；
3)确保在该规定值内发动机具有足够的强度及使用可靠性；
4)决定发动机分解检查周期的手段，满足成本经济效益，尽可能减少发动机的返修率和报废率；
5)确保满足飞机对发动机振动要求；
6)用于确保发动机形成的振动环境不会导致飞机上仪表失灵、货物受损、机组人员和乘客不适。
现有的整机振动限制值通常是借鉴同类型批生产发动机的振动限制标准，或者通过大量的整机试验并对试验结果进行统计处理，进而得到振动限制值。但是，对于借鉴同类型批生产发动机的振动限制标准所制定的整机振动限制值，不一定适用于本型发动机，所确定的振动限制值可能会偏严或者偏松，导致发动机返修率的增加或者机械疲劳故障的发生；而通过大量试验统计分析得到的振动限制值对于本型发动机是适用的，但是需要数量众多的发动机以及开展大量的整机试验，人力、物力和时间成本非常高。因此，目前的整机振动限制值制定方式存在标准制定不准确或者制定成本高昂的问题。
发明内容
本发明提供了一种整机振动限制值的制定方法，以解决目前的整机振动限制值设定方式存在的标准制定不准确或者制定成本高昂的技术问题。
根据本发明的一个方面，提供一种整机振动限制值的制定方法，包括以下步骤：
步骤S1：确定各转子的最大许用不平衡量；
步骤S2：设置振动测点以测量发动机垂直于转子轴向方向上的振动值；
步骤S3：以具有最大许用不平衡量的转子并采用不同的相位组合装配发动机进行加减速试验，测量得到发动机的振动值、各振动指标与转子的最大许用不平衡量之间的关系式；
步骤S4：基于任一振动指标最先达到最大许用值时通过上述关系式换算得到发动机的振动值，并将其作为初始振动限制值，并得到此时各个转子的不平衡量及其相位组合；
步骤S5：以具有该初始振动限制值、不平衡量及其相位组合的转子装配发动机进行整机最大不平衡试验，测量得到整机最大不平衡试验中各个附件和系统的最大振动值，将整机最大不平衡试验中各个附件和系统的最大振动值与每个附件和系统进行单独振动试验时达到的最大振动值进行比较，若整机最大不平衡试验中的最大振动值小于等于单独振动试验中的最大振动值，则将该初始振动限制值作为最终的整机振动限制值。
进一步地，所述步骤S1具体包括以下内容：
根据转子上各个零件的平衡精度按照最不利的组合换算到转子的平衡校准面上，得到各个平衡校准面的最大许用不平衡量，即为该转子的最大许用不平衡量。
进一步地，所述步骤S2中在靠近转子支承的机匣上且垂直于转子轴线的平面上设置有两个呈90°夹角的振动测点。
进一步地，所述步骤S3中针对同一转子不同平衡校准面的不平衡量采用同相和反相的相位组合，而针对多个转子的发动机，还需采用各个转子之间不同的不平衡量相位组合。
进一步地，所述振动指标包括弹性支承的振动值、转子挠度、转静子间隙、轴承反力中的一种或多种。
进一步地，所述发动机的振动值、各振动指标与转子的最大许用不平衡量均呈线性比例关系。
进一步地，在所述步骤S5中，若整机最大不平衡试验中的最大振动值大于单独振动试验中的最大振动值，则对初始振动限制值进行缩减，直至整机最大不平衡试验中的最大振动值小于等于单独振动试验中的最大振动值，或者小于等于许用振动值，缩减后的初始振动限制值即为最终的整机振动限制值。
进一步地，各个附件和系统在进行整机最大不平衡试验振动测量时所用的传感器及其安装位置与进行单独振动试验时保持一致或具有可换算性。
进一步地，所述步骤S5中根据整机最大不平衡试验中各个附件和系统的最大振动值与单独振动试验中的最大振动值的比值对初始振动限制值进行缩减。
进一步地，所述步骤S5中完成整机最大不平衡试验后需对发动机进行分解检查，确保发动机各个零件没有因振动出现故障。
本发明具有以下效果：
本发明的整机振动限制值的制定方法，考虑到发动机整机振动值的影响因素主要来自于转子的不平衡量，首先确定发动机各转子的最大许用不平衡量，然后以具有该最大许用不平衡量的转子并采用不同的相位组合装配发动机进行加减速试验，通过采用不同的相位组合来提高加减速试验的数据量和测量结果准确度，通过加减速试验测量得到发动机的振动值、各振动指标与转子的最大许用不平衡量之间的关系式，然后基于最先达到许用值的振动指标和上述关系式换算得到发动机的振动值、此时各个转子的不平衡量及其相位组合，最后以具有该初始振动限制值、不平衡量及其相位组合的转子装配发动机进行整机最大不平衡试验，将整体振动试验测量得到的各个附件和系统的最大振动值与每个附件和系统进行单独振动试验时达到的最大振动值进行比较，若整机最大不平衡试验中的最大振动值小于等于单独振动试验中的最大振动值，则将该初始振动限制值作为最终的整机振动限制值。本发明的整机振动限制值的制定方法，基于每款发动机转子的不平衡量来评估发动机整机振动值，经过一次发动机整机最大不平衡试验即可得到整机振动限制值，可以在开展少量试验的情况下即可得到适合本型号发动机的整机振动限制值，既可以避免振动限制值可能出现过严或过松，又可以减少大量的整机试验，节约了人力、物力和时间成本。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的整机振动限制值的制定方法的流程示意图。
图2是本发明优选实施例中的转子的平衡校准面示意图。
图3是本发明优选实施例的转子上的不平衡力转化分析图。
图4是图1中的步骤S2中在发动机机匣上设置振动测点的位置示意图。
图5是本发明优选实施例中进行整机最大不平衡试验得到的高压转子振动扫描转速曲线示意图。
图6是本发明优选实施例中进行整机最大不平衡试验得到的低压转子振动扫描转速曲线示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。
如图1所示，本发明的优选实施例提供一种整机振动限制值的制定方法，包括以下步骤：
步骤S1：确定各转子的最大许用不平衡量；
步骤S2：设置振动测点以测量发动机垂直于转子轴向方向上的振动值；
步骤S3：以具有最大许用不平衡量的转子并采用不同的相位组合装配发动机进行加减速试验，测量得到发动机的振动值、各振动指标与转子的最大许用不平衡量之间的关系式；
步骤S4：基于任一振动指标最先达到最大许用值时通过上述关系式换算得到发动机的振动值，并将其作为初始振动限制值，并得到此时各个转子的不平衡量及其相位组合；
步骤S5：以具有该初始振动限制值、不平衡量及其相位组合的转子装配发动机进行整机最大不平衡试验，测量得到整机最大不平衡试验中各个附件和系统的最大振动值，将整机最大不平衡试验中各个附件和系统的最大振动值与每个附件和系统进行单独振动试验时达到的最大振动值进行比较，若整机最大不平衡试验中的最大振动值小于等于单独振动试验中的最大振动值，则将该初始振动限制值作为最终的整机振动限制值。可以理解，发动机加减速试验属于整机最大不平衡试验中的一部分内容。
可以理解，本优选实施例的整机振动限制值的制定方法，考虑到发动机整机振动值的影响因素主要来自于转子的不平衡量，首先确定发动机各转子的最大许用不平衡量，然后以具有该最大许用不平衡量的转子并采用不同的相位组合装配发动机进行加减速试验，通过采用不同的相位组合来提高加减速试验的数据量和测量结果准确度，通过加减速试验测量得到发动机的振动值、各振动指标与转子的最大许用不平衡量之间的关系式，然后基于最先达到许用值的振动指标和上述关系式换算得到发动机的振动值、此时各个转子的不平衡量及其相位组合，最后以具有该初始振动限制值、不平衡量及其相位组合的转子装配发动机进行整机最大不平衡试验，将整体振动试验测量得到的各个附件和系统的最大振动值与每个附件和系统进行单独振动试验时达到的最大振动值进行比较，若整机最大不平衡试验中的最大振动值小于等于单独振动试验中的最大振动值，则将该初始振动限制值作为最终的整机振动限制值。本发明的整机振动限制值的制定方法，基于每款发动机转子的不平衡量来评估发动机整机振动值，只需经过一次发动机整机最大不平衡试验即可得到整机振动限制值，可以在开展少量试验的情况下即可得到适合本型号发动机的整机振动限制值，既可以避免振动限制值可能出现过严或过松，又可以减少大量的整机试验，节约了人力、物力和时间成本。
可以理解，由于发动机整机振动值的影响因素主要来自于转子的不平衡量，因此确定每款发动机转子的不平衡量可以用来准确评估每款发动机的整机振动限制值。所述步骤S1具体包括以下内容：
根据转子上各个零件的平衡精度按照最不利的组合换算到转子的平衡校准面上，得到各个平衡校准面的最大许用不平衡量，即为该转子的最大许用不平衡量。
具体地，如图2所示，根据转子上各级叶片/叶片盘、轴等零件自身的平衡精度，按照其最不利组合(即组合后转子处于平衡最差的情况)换算到转子的平衡校准面，其中，平衡校准面可以通过转子动力特性分析得到，或者通过动平衡试验得到，从而得到各个平衡校准面的最大许用不平衡量，此不平衡量可以初步确定为发动机转子的最大许用不平衡量，用于模拟发动机达到翻修要求的转子不平衡量。而对于具有多个转子的发动机而言，重复上述内容即可得到每个转子的最大许用不平衡量。另外，在本发明的其它实施例中，还可以根据需要或相关研制经验和试验对该最大许用不平衡量进行适当的放大，例如放大1.5倍、2倍、3倍或者其它倍数，放大后的最大许用不平衡量再作为转子的最大许用不平衡量。
为了便于理解，以刚性转子为例，对转子的平衡原理进行简单介绍。工程中表示不平衡量通常采用质径积mr(g·cm)，一个绕定轴(Z轴)以角速度ω旋转的转子如图3所示。其中，图3中的(a)图表示转子的两轴段上的不平衡力F1、F2向OXY平面简化的示意图，图3中的(b)图表示OXY面上不平衡力F0和力偶M0向任两面简化为F1和F2的示意图。设其任意的第i段轴的质量为Mi，质量偏心距为Ri，从而其不平衡量为MiRi，其不平衡力为Fi＝MiRiω2(向量)。此力可以向任一截面，如OXY面简化。将转子各段轴的不平衡力都向OXY面简化，于是就在OXY面得到一个总的合力F0＝∑Fi和一个总的力偶M0＝∑FiZi，即一个转子上的不平衡力可以用任意一截面上作用的一个力和一个力偶来表示。当取定两个截面表示时，OXY面上的力可向该两个平面分解，力偶也可用分别作用于该两平面上的相等和相反的力替代，可在该两平面上各得到一个合力。这样，一个转子上所有各段的不平衡力就可以简化成在任意两个平面上各有一个不平衡力。平衡时，令转子旋转，先测出该两个平面上的不平衡力向量，然后在该两平面内分别减去或在力的相反方向施加大小相等的力即可达到平衡。
可以理解，如图4所示，在所述步骤S2中，在靠近转子支承的机匣上且垂直于转子轴线的平面上设置有两个振动测点，并且两个振动测点呈90°或接近90°的夹角设置，用于测量发动机垂直于转子轴向的振动值。当然，在本发明的其他实施例中也振动测点可以采用其它的布局方式，只需可以测量发动机垂直于转子轴向方向上的振动即可。
可以理解，在所述步骤S3中，以所述步骤S1确定的最大许用不平衡量的转子来装配发动机进行试验，并且采用不同的相位组合作为试验条件，既提高加减速试验的数据量，又提高了测量结果的准确度。优选的，对于同一转子不同校准面的不平衡量需要考虑同相和反相等不同的相位组合，而对于具有多个转子的发动机，不仅需要考虑同一转子不同校准面的不平衡量之间的相位组合，还需要考虑不同转子之间不同的不平衡量相位组合作为试验条件。在进行整机最大不平衡试验中的加减速试验时，从最小到最大允许的转速范围内进行缓慢的加速和减速，每个转子的转速都需要从最小到最大允许的转速范围内进行调试，然后通过步骤S2中布置的振动测点来测量发动机的振动值V，通常为位移、速度或者加速度中的一种，同时在测量得到发动机的各振动指标，例如转子的各弹性支承的振动值(通常为应变ε)，某一处转子的挠度D(通常为位移)，转静子间隙δ、轴承反力F等指标值。然后根据一系列的测量结果统计分析得到发动机的振动值V和各振动指标与转子的最大许用不平衡量之间的关系式。具体地，通过发动机加减速试验的结果得到发动机的振动值V和各振动指标与转子的最大许用不平衡量之间近似呈线性比例关系或者呈线性比例关系，其中近似线性比例关系式如下：
Figure BDA0002501554280000081
其中，A1、A2、A3、A4，M1、M2、M3、M4表示比例系数，B1、B2、B3、B4，N1、N2、N3、N4表示常数。可以理解，上述近似线性比例关系式在实际运算过程中等效成线性比例关系进行运算。
可以理解，在所述步骤S4中，根据试验获得的上述振动指标和整机振动值与各转子不平衡量之间的近似线性比例关系式，基于任一振动指标达到最大许用值时，具体按最先达到许用值的振动指标算，采用上述关系式换算得到整机振动值，并将其作为初始振动限制值Vibpre，同时得到此时各转子的不平衡量及其相位组合，并将其作为最终确定整机振动限制值时的转子不平衡量组合UMAX，例如如下表1所示。其中，每个振动指标的最大许用值可以通过分析计算得到，或者通过试验得到。
表1各转子不平衡量及其相位组合示意表
Figure BDA0002501554280000082
Figure BDA0002501554280000091
可以理解，在所述步骤S5中，以上述步骤S3初步确定的初始振动限制值Vibpre、不平衡量及其相位组合UMAX作为转子限定条件，将具有其的转子装配发动机进行整机最大不平衡试验。其中，试验程序可以按照国军标、适航规章或其它要求进行，试验得到的转子转速扫描曲线如图5和图6所示。测量得到整机最大不平衡试验中各个附件和系统的最大振动值Cmaxtest，然后将整机最大不平衡试验中各个附件和系统的最大振动值Cmaxtest与每个附件和系统进行单独振动试验时达到的最大振动值Cmaxcert进行比较，若整机最大不平衡试验中的最大振动值Cmaxtest小于等于单独振动试验中的最大振动值Cmaxcert，则将该初始振动限制值Vibpre作为最终的整机振动限制值Vibfinal。可以理解，作为优选的，在试验过程中，需要对管路、传感器、电缆、电机等附件和系统进行振动测量，而各个附件和系统在进行整机最大不平衡试验振动测量时所用的传感器及其安装位置需与每个附件和系统进行单独振动试验时所用的传感器及其安装位置保持一致或具有可换算性，从而有效地剔除外界因素的干扰，进一步确保了试验结果的准确度。另外，若整机最大不平衡试验中的最大振动值Cmaxtest大于单独振动试验中的最大振动值Cmaxcert，则需对初始振动限制值Vibpre进行缩减，直至整机最大不平衡试验中的最大振动值Cmaxtest小于等于单独振动试验中的最大振动值Cmaxcert，或者小于等于这些附件和系统的许用振动水平，缩减后的初始振动限制值Vibpre即为最终的整机振动限制值Vibfinal。
作为优选的，在所述步骤S5中，根据整机最大不平衡试验中各个附件和系统的最大振动值Cmaxtest与单独振动试验中的最大振动值Cmaxcert的比值对初始振动限制值进行缩减。为了便于理解，下面给出具体的缩减示例进行解释说明。
某型发动机根据上述方法初步确定的某个整机振动测点处的初始振动限制值为15mm/s RMS。在该初始振动限制值下，整机最大不平衡试验中P3压力传感器在Z轴方向上由燃气发生器转子基频激起的最大振动单峰值为22.9g(燃气发生器转子基频为600Hz处)，而P3压力传感器进行单独振动试验中同一共振频率下的振动水平为单峰值20g，因此整机最大不平衡试验中测得的振动水平高于单独振动试验测得的振动水平。通过将发动机该整机振动测点处的初始振动值限制到13mm/s RMS(燃气发生器转子基频激振)，即将15mm/s RMS应用1.15的缩减比率进行缩减得到，而缩减比例1.15则是基于22.9g/20g计算得到。进行缩减后，P3压力传感器最大响应水平将保持在单峰值20g以下，不高于单独振动试验中测得的振动水平，在缩放后的振动限制值内，可以确保该P3压力传感器的振动水平在可接受的范围内。如果有多个零件在整机试验中测得的振动值高于单独振动试验中的振动值，则需根据每个零件的振动水平按上述步骤对Vibpre进行缩减，在根据各个零件振动情况缩减后所得的振动限制值中的最小值可作为最终确定的整机振动限制值Vibfinal。
另外，作为优选的，在所述步骤S5中，完成整机最大不平衡试验后还需对发动机进行分解检查，确保发动机各个零件没有因振动出现故障，防止将故障数据作为测量数据而导致测量结果不准确。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种整机振动限制值的制定方法，其特征在于，
包括以下步骤：
步骤S1：确定各转子的最大许用不平衡量；
步骤S2：设置振动测点以测量发动机垂直于转子轴向方向上的振动值；
步骤S3：以具有最大许用不平衡量的转子并采用不同的相位组合装配发动机进行加减速试验，测量得到发动机的振动值、各振动指标与转子的最大许用不平衡量之间的关系式；
步骤S4：基于任一振动指标最先达到最大许用值时通过上述关系式换算得到发动机的振动值，并将其作为初始振动限制值，并得到此时各个转子的不平衡量及其相位组合；
步骤S5：以具有该初始振动限制值、不平衡量及其相位组合的转子装配发动机进行整机最大不平衡试验，测量得到整机最大不平衡试验中各个附件和系统的最大振动值，将整机最大不平衡试验中各个附件和系统的最大振动值与每个附件和系统进行单独振动试验时达到的最大振动值进行比较，若整机最大不平衡试验中的最大振动值小于等于单独振动试验中的最大振动值，则将该初始振动限制值作为最终的整机振动限制值。
2.如权利要求1所述的整机振动限制值的制定方法，其特征在于，
所述步骤S1具体包括以下内容：
根据转子上各个零件的平衡精度按照最不利的组合换算到转子的平衡校准面上，得到各个平衡校准面的最大许用不平衡量，即为该转子的最大许用不平衡量。
3.如权利要求1所述的整机振动限制值的制定方法，其特征在于，
所述步骤S2中在靠近转子支承的机匣上且垂直于转子轴线的平面上设置有两个呈90°夹角的振动测点。
4.如权利要求1所述的整机振动限制值的制定方法，其特征在于，
所述步骤S3中针对同一转子不同平衡校准面的不平衡量采用同相和反相的相位组合，而针对多个转子的发动机，还需采用各个转子之间不同的不平衡量相位组合。
5.如权利要求1所述的整机振动限制值的制定方法，其特征在于，
所述振动指标包括弹性支承的振动值、转子挠度、转静子间隙、轴承反力中的一种或多种。
6.如权利要求5所述的整机振动限制值的制定方法，其特征在于，
所述发动机的振动值、各振动指标与转子的最大许用不平衡量均呈线性比例关系。
7.如权利要求1所述的整机振动限制值的制定方法，其特征在于，
在所述步骤S5中，若整机最大不平衡试验中的最大振动值大于单独振动试验中的最大振动值，则对初始振动限制值进行缩减，直至整机最大不平衡试验中的最大振动值小于等于单独振动试验中的最大振动值，或者小于等于许用振动值，缩减后的初始振动限制值即为最终的整机振动限制值。
8.如权利要求7所述的整机振动限制值的制定方法，其特征在于，
各个附件和系统在进行整机最大不平衡试验振动测量时所用的传感器及其安装位置与进行单独振动试验时保持一致或具有可换算性。
9.如权利要求7所述的整机振动限制值的制定方法，其特征在于，
所述步骤S5中根据整机最大不平衡试验中各个附件和系统的最大振动值与单独振动试验中的最大振动值的比值对初始振动限制值进行缩减。
10.如权利要求1所述的整机振动限制值的制定方法，其特征在于，
所述步骤S5中完成整机最大不平衡试验后需对发动机进行分解检查，确保发动机各个零件没有因振动出现故障。
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