CN114544188B - 航空发动机多源拍振引起的振动波动故障识别与排除方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种航空发动机多源拍振引起的振动波动故障识别与排除方法，针对航空发动机监测振动值呈周期性正弦波动的情形，所述方法包括：步骤一、将周期性正弦波动的振动值波动模式分为第一模式和第二模式；步骤二、计算出现振动波动时的高、低压转子的转速比；步骤三、根据转速比R进行拍振故障模式识别；步骤四、确认拍振故障模式后，通过调节高、低压转子转速的关系，改变转速比，实现消除多源耦合拍振。本申请的航空发动机多源拍振引起的振动波动故障识别与排除方法通过结合航空发动机的工作实际使用特点，并计算高低压转速比的大小和振动波动情况，可实现多源拍振三种模式的快速识别与准确定位，且可以实现航空发动机多源拍振故障的排除。

Description

航空发动机多源拍振引起的振动波动故障识别与排除方法
技术领域
本申请属于航空发动机故障诊断技术领域，特别涉及一种航空发动机多源拍振引起的振动波动故障识别与排除方法。
背景技术
航空发动机是复杂的热力旋转机械，要求在高温、高压、高速旋转和恶劣的环境条件下长寿命工作。现代涡喷或者涡扇发动机都采用双转子甚至三转子结构，这就导致发动机存在多个转子激振源；在航空发动机实际工作过程中，因激振因素复杂和非线性因素影响，导致其存在转子倍频、分频的非线性振动；同时发动机又存在复杂的附件传动系统振动，在特定的工况下，会出现发动机转子基频、倍频、分频以及附件传动振动频率相互耦合，形成多源拍振，导致发动机振动监测值振动出现异常的周期性波动。不同的多源拍振，其特征表现类似，因而在判断引起拍振的原因时容易引起误判。
发明内容
本申请的目的是提供了一种航空发动机多源拍振引起的振动波动故障识别与排除方法，以解决或减轻背景技术中的至少一个问题。
本申请的技术方案是：一种航空发动机多源拍振引起的振动波动故障识别与排除方法，针对航空发动机监测振动值呈周期性正弦波动的情形，所述方法包括：
步骤一、将周期性正弦波动的振动值波动模式分为第一模式和第二模式；
步骤二、计算出现振动波动时的高、低压转子的转速比R；
步骤三、根据转速比R进行拍振故障模式识别；
步骤四、确认拍振故障模式后，通过调节高、低压转子转速的关系，改变转速比R，实现消除多源耦合拍振。
进一步的，第一模式为振动总量和低压基频振动周期性波动模式；第二模式为振动总量和高压基频振动周期性波动模式。
进一步的，转速比ΩH为高压转速，ΩL为低压转速。
进一步的，根据转速比R进行拍振故障模式识别的过程为：
确定转速比R大小后，判断所述转速比是否为整数，并通过振动监测曲线确认振动值波动模式；
若转速比R为整数，且振动值波动模式为第一模式，则判断其为高压分频-低压基频耦合拍振；
若转速比R为整数，且振动值波动模式为第二模式，则判断其为低压倍频-高压基频耦合拍振；
若转速比R为非整数，振动值波动模式为第一模式且附件传动系统中存在传动轴转速则判断其为附件系统传动频率-低压基频耦合拍振
进一步的，若转速比取整时的误差不超过1％，则认为转速比为整数。
进一步的，消除多源耦合拍振的方法包括：
当振动值波动为第一模式时，保持低压转子转速不变，调整高压转子转速；
当振动值波动为第二模式时，保持高压转子转速不变，调整低压转子转速。
进一步的，调整高压转子转速或调整低压转子转速时，使转速比满足|R-n|≥3％，n＝2,3,4…，以消除多源拍振引起的振动波动。
本申请提供的航空发动机多源拍振引起的振动波动故障识别与排除方法通过结合航空发动机的工作实际使用特点，并计算高低压转速比的大小和振动波动情况，可实现多源拍振三种模式的快速识别与准确定位，且可以实现航空发动机多源拍振故障的排除，对于促进航空发动机整机振动监测和故障诊断，保证发动机振动监控安全具有重要意义。
附图说明
为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。
图1为本申请的航空发动机多源拍振引起的振动波动故障识别与排除方法流程示意图。
图2为本申请一实施例中的试车振动曲线。
图3为本申请该实施例中的振动波动放大图。
图4为本申请该实施例中的某测点频谱云图。
图5为本申请该实施例中的工况1滤波后波形和频谱。
图6为本申请该实施例中验证试车振动曲线。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
如图1所示，本发明提供的航空发动机多源拍振引起的振动波动故障识别与排除方法，主要针对航空发动机监测振动值呈周期性正弦波动的情形，过程包括以下步骤：
步骤一、将周期性正弦波动的振动值波动模式分为第一模式和第二模式两种。
在航空发动机试验和使用过程中，通过在航空发动机主承力机匣上布置多个加速度传感器形成振动测量点，航空发动机上各处的振动均可由不同的传递路径传至机匣，通过加速度传感器分别监测航空发动机一定带宽范围内的振动总量、高压转子基频分量、低压转子基频分量实现对航空发动机振动值进行监测。
当监测到振动值出现近似于周期性正弦波动时，将振动值波动模式分为第一模式和第二模式，第一模式即振动总量和低压基频振动周期性波动模式，第二模式即振动总量和高压基频振动周期性波动模式。
步骤二、计算出现振动波动时的高、低压转子的转速比R，其中，转速比ΩH为高压转速，ΩL为低压转速。
高、低压转子转速通过相应的转速传感器进行测量。
步骤三、根据转速比R进行故障模式识别，即可判断周期性正弦波动为何种模式的多源耦合拍振。
在确定转速比R大小后，首先判断其是否为整数或接近于整数，并通过振动监测曲线确认振动值波动模式，其中，若转速比R取整时的误差不超过1％时，则可以认为接近于整数。
在确定转速比及振动值波动模式后，可判断出拍振故障模式，具体为：
若转速比R为整数(或接近于整数)，且振动值波动模式为第一模式(即振动总量和低压基频振动存在周期性波动)，则可判断其为高压分频-低压基频耦合拍振；
若转速比R为整数(或接近于整数)，且振动值波动模式为第二模式(即振动总量和高压基频振动存在周期性波动)，则可判断其为低压倍频-高压基频耦合拍振；
若转速比R为非整数，振动值波动模式为第一模式(即振动总量和低压基频振动存在周期性波动)且附件传动系统中存在传动轴转速则可判断其为附件系统传动频率-低压基频耦合拍振。
步骤四、确认拍振故障模式后，通过调节高、低压转子转速的关系，改变转速比R，实现消除多源耦合拍振。
因航空发动机性能控制规律要求限制，高、低压转子转速调整的范围相对较小，本申请中结合不同的多源拍振模式进行针对性的调整，包括：
振动值波动为第一模式时，保持低压转子转速不变，调整高压转子转速；
振动值波动为第二模式时，保持高压转子转速不变，调整低压转子转速；
当调节低压转子转速或高压转子转子，使其满足|R-n|≥3％时，即可消除多源拍振引起的振动值波动问题，其中，n＝2,3,4…。
如图2和图3所示为本申请一实施例中某型发动机在台架试车过程中的试车振动曲线及振动放大图，从图中可以看出，该稳态工况台阶下出现明显的振动波动现象，且振动波动表现为周期性正弦波动。通过对试车振动数据进行了分析，振动波动台阶的高、低压转子转速分别为ΩH＝13220r/min、ΩL＝6640r/min，由此得到高、低压转子转速比同时振动波动表现为振动总量和高压基频分量波动，低压振动分量未表现出振动波动。
根据本申请的多源拍振故障识别与排除方法，可判断振动波动的主要原因是低压二倍频-高压基频耦合拍振引起。
为进一步确认多源拍振识别流程的准确性，本申请该实施例中对振动原始信号和频谱进行了详细分析，下面以某测点振动信号为例进行说明。
图4给出了某测点在振动波动工况台阶(定义其为工况1)和其前一工况台阶(定义其为工况2)的频谱云图。从图中可以看出，主要振动频率成分为低压基频f1、高压基频f2和低压二倍频2f1。在转速升转过程中，低压二倍频2f1逐渐逼近高压基频f2，在振动波动工况台阶，二者基本重合。
对工况1和工况2原始波形进行带通滤波，滤波范围为f±3Hz。图5给出了工况1滤波后的波形和频谱，从波形可以看出，发生了明显的拍振现象，形成拍振的两个频率分别为f2＝220.3Hz和2f1＝221.4Hz，幅值大小分别为12mm/s和5.6mm/s，即高压基频和低压二倍频形成了拍振，振动波动幅值大小与2f1振动幅值大小基本相当。
通过上述验证过程，识别出试车过程中振动波动的主要原因是低压二倍频-高压基频耦合拍振引起，与本申请的方法中识别出的拍振故障模式一致。
为避免出现振动波动，按照本申请的方法对发动机性能控制规律进行了微调，降低同一工况下低压转子转速ΩL，高压转子转速ΩH基本维持不变，以此改变高、低压转子的转速比以避免出现在该工况下出现低压二倍频-高压基频耦合拍振现象。
如图6所示调整低压转子转速后的验证试车振动曲线图，从图中可以看出，当高压转子转速ΩH＝13210r/min基本不变、低压转子转速ΩL＝6505r/min降低后，振动波动现象消失。此时高、低压转子的转速比
本申请提供的航空发动机多源拍振引起的振动波动故障识别与排除方法通过结合航空发动机的工作实际使用特点，并计算高低压转速比的大小和振动波动情况，可实现多源拍振三种模式的快速识别与准确定位，且可以实现航空发动机多源拍振故障的排除，对于促进航空发动机整机振动监测和故障诊断，保证发动机振动监控安全具有重要意义。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种航空发动机多源拍振引起的振动波动故障识别与排除方法，针对航空发动机监测振动值呈周期性正弦波动的情形，其特征在于，所述方法包括：
步骤一、将周期性正弦波动的振动值波动模式分为第一模式和第二模式，所述第一模式为振动总量和低压基频振动周期性波动模式，所述第二模式为振动总量和高压基频振动周期性波动模式；
步骤二、计算出现振动波动时的高、低压转子的转速比R；
步骤三、根据转速比R和振动值波动模式进行拍振故障模式识别；
步骤四、确认拍振故障模式后，通过调节高、低压转子转速的关系，改变转速比R，实现消除多源耦合拍振。
2.如权利要求1所述的航空发动机多源拍振引起的振动波动故障识别与排除方法，其特征在于，转速比ΩH为高压转速，ΩL为低压转速。
3.如权利要求2所述的航空发动机多源拍振引起的振动波动故障识别与排除方法，其特征在于，根据转速比R和振动值波动模式进行拍振故障模式识别的过程为：
确定转速比R大小后，判断所述转速比是否为整数，并通过振动监测曲线确认振动值波动模式；
若转速比R为整数，且振动值波动模式为第一模式，则判断其为高压分频-低压基频耦合拍振；
若转速比R为整数，且振动值波动模式为第二模式，则判断其为低压倍频-高压基频耦合拍振；
若转速比R为非整数，振动值波动模式为第一模式且附件传动系统中存在传动轴转速则判断其为附件系统传动频率-低压基频耦合拍振。
4.如权利要求3所述的航空发动机多源拍振引起的振动波动故障识别与排除方法，其特征在于，若转速比取整时的误差不超过1％，则认为转速比为整数。
5.如权利要求3或4所述的航空发动机多源拍振引起的振动波动故障识别与排除方法，其特征在于，消除多源耦合拍振的方法包括：
当振动值波动为第一模式时，保持低压转子转速不变，调整高压转子转速；
当振动值波动为第二模式时，保持高压转子转速不变，调整低压转子转速。
6.如权利要求5所述的航空发动机多源拍振引起的振动波动故障识别与排除方法，其特征在于，调整高压转子转速或调整低压转子转速时，使转速比满足|R-n|≥3％，n＝2,3,4…，以消除多源拍振引起的振动波动。
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