控制丨南航：涡扇发动机控制系统架构优化设计方法研究

为提高航空发动机健康管理系统对故障诊断的能力，建立转子-支承系统模型，以典型振动故障为输入，计算故障条件下转子振动响应，结合转子系统外传力分析结果计算各支点振动响应的敏感度和外传力相似度。得出故障发生时发动机各支点对故障都有一定程度上的响应，但不同支点对振动响应的敏感程度却不同的结论，其中2#支点的相对外传力最大，3#支点与2#支点的振动偏差小。结合多台份多次试车故障数据的统计分析结果，得到同一支承截面上3个方向对故障的敏感度，确定出发动机健康管理系统的振动测点位置，即进气机匣轴向位置、中介机匣垂直位置和外涵机匣垂直位置。研究结果为航空发动机振动测点布局和优化提供了重要的参考方法，具有很好的工程实用价值。关键词：航空发动机；健康管理；振动响应；转子；支点；振动测点航空发动机振动的危害很大，可能造成转子与静子在小间隙处的碰摩、轴承载荷过大、驾驶员及乘员的不适、飞机仪表板上指针晃动等，如不及时进行检查、排除，可能造成严重后果，引起飞行事故，甚至导致机毁人亡。振动是发动机试车中的重要监测参数，通常需要在发动机机匣上安装多支测振传感器，通过测振传感器的数据来评估发动机的振动等级，为发动机安全运行和故障诊断提供信息。为提高发动机装机飞行中状态监控和故障诊断能力，发动机在装机飞行中加装了健康管理系统，将振动测试数据作为健康管理系统的重要测试参数。考虑到转子系统的运行状态对发动机工作的重要影响，一般希望所测的振动数据能够全面、完整地反映发动机转子系统的运转特征。目前，囿于健康管理系统与其他机载设备之间的电磁兼容和测试测点的总体布局，该发动机健康管理系统仅有3个振动测试通道。因此，如何选择测振位置、合理布局传感器以全面监测发动机振动状态，是发动机装机飞行中亟待解决的问题。通常情况下，发动机台架振动测量主要采用在机匣上安装振动传感器的方式，大多采用沿袭和借鉴方式确定台架振动测点布置方案。美国军标中规定振动测点应布置在发动机压气机、涡轮外机匣的安装边上，必要时可增设发动机内部机匣或其他部位的测点，但未对传感器布置进行详细说明。国外机载振动测试系统实例表明，发动机机载振动测点一般在台架振动测点中选择。国内发动机主体研究所和相关高校也针对传感器测试布置问题开展过研究，其中王俨剀等研究了振动传感器支座结构差异对整机振动测试的影响，提出截面处2支任意夹角传感器所测振动信号的正交转换算法。秦海勤等定性和定量分析了各测点振动信号对结构故障的敏感程度，得到机载测振点选择方案。苏勋文等利用直升机减速器的故障频率来确定振动传感器的安装位置，提出了一种振动传感器优化布局方法。吴元东等基于涡扇发动机转子支承系统和实测振动数据，分析了进气机匣、中介机匣和涡轮机匣这3个截面各测点振动信号对不同位置点的敏感程度，得到发动机振动测点布置方法。欧阳运芳等制定了振动幅值均值、振动峰值和振动敏感度的优化原则，建立了航空发动机振动测点布局优化方法。但以上研究均仅基于振动实测数据结构，对发动机的振动传力特性和敏感性研究较少。在发动机机匣安装边上安装振动传感器监测的物理量主要是转子支承外传力，其会影响振动测点的敏感性。因此，开展转子支承外传力特性的研究、合理选择测振截面具有重要意义。以发动机为研究对象，建立其动力学模型，以典型振动故障为输入，计算故障条件下转子振动响应。结合转子系统外传力分析结果，计算机匣外传力响应，获得转子系统各支点振动响应的敏感度。根据支点敏感度选择振动传感器的测振截面，结合不同测点实测的振动数据，经统计分析形成一种航空发动机健康管理中振动测点布局优化方法。1转子-支承系统动力学特征分析1.1 转子系统简化所用发动机为双转子系统，低压转子采用1-1-1支承方案，由低压风扇盘、低压轴和低压涡轮盘组成；高压转子采用1-0-1支承方案，由高压一级压气机盘、二级压气机盘、三级压气机盘、高压轴和高压涡轮盘组成。高低压转子间有中介轴承，共有5个支点。在保证与真实发动机动力学特性相似的前提下，对真实转子进行简化，简化后的发动机双转子结构简图如图1所示。图1中，1#、3#、5#支点为鼠笼式弹性支承结构，带有挤压油膜阻尼器；2#和3#支点处采用滚珠轴承，可承担轴向与径向力；4#支点为中介轴承，内圈与高压转子配合，外圈与低压转子配合。该发动机双转子系统具体使用的材料如表1所示，转子系统支点刚度与阻尼如表2所示。 图1 发动机模拟双转子结构简图 表1 双转子系统材料属性 表2 各个支点处刚度与阻尼1.2 转子-支承系统模型1.2.1 径向支撑动力学等效模型根据转子转动的特性和轴承支承处的受力情况，利用8个周向均匀对称分布的弹簧等效轴承的受力，建立了5个轴承径向支撑动力学模型。转轴支撑表面节点刚体将高低压转子支承表面平均划分成8块区域，选取每块区域上所有的网格节点等效刚化到该区域的几何中心点上。轴承外圈几何中心节点在垂直于轴线的轴承中间截面与旋转轴的交点处建立一个节点，该节点为轴承的等效节点，考虑到中介轴承的质量，在4#轴承节点上增加了1kg的质量单元。径向刚度等效模型在节点刚体的几何中心点与轴承外圈的等效固定点之间建立8个垂直于转轴的弹簧单元。各支点的径向支承系统动力学模型原理如图2和图3所示。图2中，O为转轴支撑处截面的几何中心；O′为与机匣连接的轴承等效固定点；γ为轴心处的挠度。以变形方向为Z轴正方向建立坐标系，θ为转轴转动的角度，r为转轴支撑处截面的半径。 图21#、2#、3#、5#径向支承系统动力学模型原理图 图3 4#中介轴承径向支承系统动力学模型原理图该发动机各支点处挠度γ在0.001~0.2mm之间，分析可知各个支撑等效弹簧系数的均值约为支撑刚度的1/4，因此径向等效弹簧系数可根据支撑刚度得到，具体取值如表3所示。 表3 各个支撑截面半径和径向等效弹簧系数1.2.2 轴向支撑动力学等效模型由于发动机转子系统2#与3#支撑处为滚珠轴承，其他支撑处为滚子轴承，因此，只有2#与3#支点存在轴向刚度。利用8根旋转均匀分布的水平弹簧单元建立轴向支承系统刚度模型，弹簧/阻尼单元两端节点分别连接在支承表面上的节点与固定点上，如图4所示，轴向弹簧系数取1×106N/mm。 图4 转子-支承系统轴向刚度模型1.2.3 支撑动应力学模型临阶转速计算验证在支撑动力学模型中，约束1#、2#、3#和5#轴承外圈等效节点径向自由度，约束2#、3#轴承侧边等效节点的全方向自由度，5个等效节点赋予质量1kg，计算得到高低转子的临界转速。同时采用有限元素法对转子进行动力学建模，将转子系统离散为若干轴段单元、集中质量站单元、盘单元和支承单元，各支点刚度取值与支撑动力学模型相同，计算得到转子的临界转速。表4为2种模型计算的临界转速结果。 表4 临界转速计算结果对比由表4可知：基于转子-支承系统动力学模型与传统有限元模型计算得到的高低压转子一阶、二阶的临界转速的偏差都不超过2%，说明所建立的转子-支承系统模型具有较高的模态计算准确性，可以用于支点变形受力分析。1.3 典型故障力作用下各支承的变形计算发动机不同部件间的材质不均匀、结构不对称、加工误差和装配误差都可能导致转子不平衡振动增大或出现不平衡故障。据统计，航空发动机中50%以上的故障都与不平衡有关，转子不平衡力是发动机最典型的激振源。在不平衡力作用下，发动机转子不平衡故障特征频率以旋转基频为主，转子振幅值随转速变化，时域波形为正弦波，不平衡力引起转子协调正进动。分析时，以不平衡力作为发动机的典型故障，通过在风扇一级盘、压气机一级盘上对称添加2个相同质量点并设置其中一个质量点在特定时间飞脱来模拟施加不平衡载荷。突加不平衡载荷大小为100kN，飞脱质量点的信息如表5所示。质量点通过焊接的方式连接到相应盘上，通过选择一组焊接点添加失效时间以实现质量点瞬时飞脱。 表5 飞脱质量点信息仿真分析后，获取风扇一级盘和压气机一级盘在低（高）压转速2600r/min（4800r/min）、4000r/min（6000r/min）、10000r/min(15000r/min)下质量点飞脱时5个支点的变形，其径向和轴向最大变形如表6和表7所示，图5~图9分别为风扇一级盘焊接处质量点在转子低压转速为10000r/min飞脱时，1#、2#、3#、4#、5#支点圆心径向变形图。 表6 风扇一级盘质量点飞脱后各支点最大变形量 表7压气机一级盘质量点飞脱后各支点最大变形量根据图5~图9可知,当风扇盘在低压转速10000r/mim时发生不平衡故障，1#、2#、3#、4#、5#支点以圆心为中心振荡变形，径向方向的最大变形量分别为2.216mm、1.123mm、1.032mm、0.627mm、0.531mm。可见该发动机低压转子发生不平衡故障时，各支点都存在变形，其变形形式相似，但变形程度不同。由表6和表7可知，当风扇盘发生不平衡故障时，1#支点的变形量明显比其他支点的变形量大，而压气机盘发生不平衡故障时，3#和4#支点的变形量比其他支点明显，不同转速下发生不平衡故障时各支点的变形量不同。 图51#支点径向方向位移 图6 2#支点径向方向位移 图7 3#支点径向方向位移 图8 4#支点径向方向位移 图9 5#支点径向方向位移因此从转子-支承系统动力学特征分析结果来看，在发动机试车和飞行中若要较为全面、准确地获得各个支点的振动情况，需要为各支点安装相应的振动传感器，拾取不同的振动信号，以监测和判定发动机整个转子系统的振动状态。2发动机转子系统外传力分析2.1 基于结构的传力路径分析所研究的发动机是双转子内外混合传力系统，其特点是燃烧室内、外壳在前、后端分别与压气机内涵机匣和高压涡轮机匣相连，构成了一个闭合的受力系统，如图10所示。发动机各支承点的主要传力路线为：1#轴承将风扇转子前端的径向负荷通过进气导流叶片传出，经进气机匣和风扇机匣传给前安装节；2#轴承将风扇转子后端的径向负荷通过中介机匣上的整流支板传递至主安装节；3#轴承将压气机转子前端的径向负荷通过中介机匣上的整流支板传递至主安装节；4#轴承承受高、低压转子的全部轴向负荷以及部分径向负荷，但它与机匣没有直接的传递路径，只能通过低压转轴将径向负荷传递给2#和5#轴承，再由2#和5#轴承传出，其中传递至2#轴承的距离较远，传递过程中必然有一定程度的衰减；5#轴承将后承力单元的径向负荷通过后承力支板传递至后安装节。 图10 发动机的传力系统通过对发动机传力系统的路径进行定性分析，可知发动机前安装节主要对1#轴承传递力敏感，主安装节主要对2#和3#轴承传递力敏感，后安装节主要对4#和5#轴承传递力敏感。定性分析也说明前安装节对风扇转子的振动较敏感，主安装节对风扇转子、压气机转子的振动均较敏感，后安装节对高低压涡轮振动敏感。2.2 基于传力系统模型的机匣传力响应敏感度和相似度计算虽然机匣振型和转子振型存在关联关系，但不能完全对应。因此，直接通过转子振型来预测机匣测振传感器位置会有一定偏差。为了准确分析机匣承力框架处安装的加速度振动传感器拾取信号敏感度，需将转子与机匣作为一个整体传力系统来加以考虑。2.2.1 外传力敏感度计算假设在转速频率f下，求解得到的支承单元Ki振动时域波形为Aisin(2πft+φi)，其中，t为时间，φi为f的相位。则支承单元Ki处最大外传力为 式中：p为故障权重系数；n为第n个转速时刻。计算时，仅考虑不平衡力作用下的外传振动，即p取1。 仿真计算得到发动机转子各支承相对外传力的敏感度，如图11所示。 由图11可以看出，发动机转子K2支承相对外传力最大，其次是K1支承。K4支点为中介轴承，故不考虑K4的外传力。2.2.2 外传力相似度计算 相似度是指不同参数之间的相关程度，取值范围为0~1。 以外传力最大的K2支承作为目标，代入振动外传力和支点跨距，通过式(5)对发动机转子其他支承振动进行计算，结果如图12所示。 图12 各支承与K2的相似度由图12可知：1#、2#、3#、5#轴承对应的承力机匣为发动机主要的传递力路径；发动机外传力的敏感度从大到小依次为：K2、K1、K3、K5，K1和K5与最大传力敏感点K2的振动偏差小于0.4，而K3与最大传力敏感点K2的振动偏差接近1.0。发动机在工作过程中一般会受到高压转子激振力和低压转子激振力，涉及的工况较多，在不同工况下，高低压转子的振动响应及截面上测得的外传力各不相同。发动机转子外传力分析结果表明：为获得该型发动机全方位的振动情况，应该在进气机匣截面、中介机匣截面、涡轮后承力机匣截面安装传感器，3个截面综合高低压激振力测振优先级由高到低为：中介机匣截面、进气机匣截面、涡轮后承力机匣截面。3基于实测数据的振动测点敏感性分析各振动测点所反映的发动机振动状态和结构故障敏感程度都是通过实测振动数据来体现的，基于发动机机匣振动实测数据进行统计分析。3.1 实测数据的选取在发动机的进气机匣截面、中介机匣截面的垂直、水平、轴向这3个方向分别安装一个振动传感器，在外涵机匣截面的垂直、水平这2个方向分别安装一个振动传感器，振动传感器安装截面如图13所示。发动机在试车故障中的振动数据如表8所示。 图13台架振动传感器安装截面位置 表8 实测数据信息3.2 实测数据的分析对台架振动数据进行50~600Hz频带范围的带通滤波，且将台架振动传感器测点的加速度信号进行一次积分得到速度信号，对积分后的速度信号求总量。对故障试验数据进行分析，得到各测点振动总量随发动机状态变化的幅值分布结果图，如图14~图17所示。图14为发动机风扇部件存在磨痕、前腔光谱超限故障时的振动数据，图15为发动机压气机部件、5#支点轴承滚珠存在磨痕故障时的振动数据，图16为发动机高压涡轮部件存在磨痕故障时的振动数据，图17为发动机风扇、压气机、高压涡轮、低压涡轮部件存在磨痕故障时的振动数据。 图14 风扇存在故障时振动数据结果 图15 压气机、轴承存在故障时振动数据结果 图16 高压涡轮存在故障时振动数据结果 图17 压气机、低压涡轮存在故障时振动数据结果由图14~图17可知，该发动机风扇存在故障时，进气机匣3个振动测点在发动机85%、86.7%、89.7%、98.8%状态下振动值超限，且进气机匣截面测点的振动值明显比其他截面测点振动值大，中介垂直和中介轴向振动值次之；发动机压气机、轴承存在故障时，中介轴向测点在发动机98%、99%状态下振动值超限，发动机在低状态下进气机匣截面的振动值最为突出，但发动机高状态下中介机匣的振动值则是最突出的；发动机高压涡轮存在故障时，中介垂直测点在发动机96.10%状态下振动值超限，且该测点的振动值约为其他测点振动值的2倍；发动机压气机、低压涡轮存在故障时，进气轴向测点在发动机90.1%、92.3%状态下振动值超限，发动机状态小于84.8%时，各测点振动幅值都小于10mm/s，且基本振幅相当，但发动机状态大于88%后，进气水平、进气轴向、中介垂直测点的振动值明显比其他测点大。综合试验数据分析可知，对于风扇部件故障，进气机匣测点信号最为敏感，其次为中介机匣测点；对于压气机、5#轴承故障，中介机匣测点信号最为敏感；组合故障以压气机、风扇为主导，则中介机匣测点更为敏感。进气轴向和中介垂直测点在所有故障中都较为敏感。综合数据分析结果还发现：进气截面3个测点的敏感度从高到底依次为：进气轴向、进气垂直、进气水平；中介截面3个测点的敏感度从高到低依次为：中介垂直、中介轴向、中介水平；外涵机匣2个测点的敏感度从高到低依次为：外涵垂直、外涵水平。4健康管理系统振动传感器布局方案健康管理系统中振动监测单元应对发动机的故障或整机振动状态的恶化具有较高的敏感性，其测振点一般应在台架试车测振范围内选择。其主要原因如下：①台架振动测点的确定是发动机振动状态高敏感度监测的产物；②健康管理系统振动报警后需要根据台架试车振动测试位发动机故障性质和部位来进行发动机排故；③健康管理的振动传感器安装也需要专门的振动安装支座，应在已有台架振动测点中选取更具有适配性的测点。因此，由于发动机的健康管理系统3个测试通道的限制，故应在发动机台架振动测点（即进气垂直、进气水平、进气轴向、中介垂直、中介水平、中介轴向、外涵垂直、外涵水平）中来选择测点。基于发动机的转子-支承系统动力学特征分析可知，当发动机发生不平衡故障时，各支点的变形可反映不同程度的故障。健康管理系统作为发动机故障诊断的综合诊断系统，采集到数据所承载的信息量应尽量丰富，合理选择测振点对发动机运行状态的判定非常关键。因此，发动机健康管理系统的3个测点应分别布置在发动机台架3个测振截面，即进气机匣测振截面、中介机匣测振截面和外涵机匣测振截面。同时根据测试数据可知，进气机匣测点能够集中反映风扇转子、低压涡轮转子的振动情况，其中进气轴向测点对风扇部件和低压涡轮的故障最敏感，有利于故障的定位和定性分析；中介机匣测点对压气机、高压涡轮转子故障具有较强的敏感性，其中中介垂直测点的振动幅值最明显；当发动机压气机、低压涡轮存在故障时，发动机各状态下涡轮垂直测点幅值均呈现明显变化现象，外涵机匣测点对涡轮转子故障具有较强的敏感性。健康管理系统的测振点不仅要对故障有高敏感性，能够携带丰富的信息，而且应对发动机可能的故障部件进行全面监测，因此发动机的健康管理系统的振动传感器最优安装位置为：进气机匣轴向位置、中介机匣垂直位置和外涵机匣垂直位置。5结论针对发动机整机振动测点布局问题，开展了发动机健康管理中振动传感器安装位置研究，建立了一种动力学模型和实测数据相结合的发动机振动传感器测点布置方法，主要得到以下结论：①发动机发生不平衡典型故障时，各支点均存在变形，变形形式相似，但变形程度不同，若要全面、准确地获得各个支点的振动情况，需对各支点开展监测，判定发动机转子系统振动状态。②通过发动机传力系统路径分析，可定性得到各支点的传力敏感度，开展转子敏感度和相似度计算，可建立支点测振截面的测振优先级。③实测振动数据能够体现发动机振动状态和故障，获得同一个测振截面上不同方向的测振敏感度，可为健康管理系统测点确定提供数据支撑。声明: 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