基于适航要求的某涡轴发动机最大不平衡探索

宋明波; 严平; 王旭; 向有志; 杨洋; 谢荣华

doi:10.13224/j.cnki.jasp.20220764

基于适航要求的某涡轴发动机最大不平衡探索

doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20220764

1.
中国航发湖南动力机械研究所，湖南株洲 412002
2.
军委审计署北京审计中心，北京 100041

基金项目: 国家科技重大专项（2017-Ⅰ-0008-0009，J2019-Ⅳ-0005-0072）

详细信息

作者简介:
宋明波（1985-），男，高级工程师，博士，主要从事航空发动机总体结构、转子动力学研究

中图分类号: V231.96
计量
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出版历程
- 收稿日期: 2022-10-03
- 网络出版日期: 2023-04-19

Exploration of maximum unbalance of a turboshaft engine according to airworthiness requirements

1.
Hunan Aviation Powerplant Research Institute， Aero Engine Corporation of China，Zhuzhou Hunan 412002，China
2.
Beijing Audit Center of the Central Military Commission Audit Office，Beijing 100041，China

摘要

摘要:
以国内某在研民用涡轴发动机为对象，系统开展基于适航要求的最大不平衡探索研究。统计分析同构型同量级某在役涡轴发动机首次翻修间隔期不平衡量恶化情况，得到该涡轴发动机正常服役不平衡量恶化分布于20～70 g·mm，极个别情况下达到80 g·mm以上，接近100 g·mm。在此基础上，基于短轴承半油膜模型进行该涡轴发动机转子不平衡响应计算分析，并在转子和整机平台上进行了最大不平衡探索试验。计算与试验结果均表明，在正常服役平衡恶化（70 g·mm）下，该发动机全转速范围振动平稳，能够稳定工作；特殊情况下，当不平衡量达到并超过100 g·mm时，发动机振动较大，尤其是不平衡呈反相位分布时，激起转子在第2阶临界转速区域剧烈振动，覆盖转速范围更宽，发动机无法正常工作。
- 适航 /
- 涡轴发动机 /
- 转子 /
- 最大不平衡 /
- 振动
Abstract:
Taking a domestic independently-developed civil turboshaft engine in development as the object, the maximum unbalance exploration research based on airworthiness requirements was carried out. The deterioration of unbalance during the first TBO of an in-service turboshaft engine was statistically analyzed, finding this turboshaft engine had the same configuration and the same magnitude with this one researched in this paper. The deterioration of unbalance in normal service of this turboshaft engine was 20−70 g·mm, and in those rare cases it reached above 80 g·mm, close to 100 g·mm. On this basis, the unbalance response of the turboshaft engine was analyzed based on the short bearing π oil film model, and the maximum unbalance exploratory experiment was carried out both on a rotor test device and an engine test device. The calculation and experiment results showed that, the engine could work stably at all speeds in normal service unbalance deterioration (70 g·mm); under special cases, when the unbalance reached and exceeded 100 g·mm, the engine vibrated seriously, especially when the unbalance was of out-of-phase distribution, the engine vibrated violently during the 2st critical speed region. The vibration speed range was wider, and the engine could not work properly.
- airworthiness /
- turboshaft engine /
- rotor /
- maximum unbalance /
- vibration

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图 1 某涡轴发动机燃气发生器转子

Figure 1. Gas generator rotor of an turboshaft engine

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图 2 某在役涡轴发动机燃气发生器转子

Figure 2. Gas generator rotor of an in-service turboshaft engine

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图 3 某在役涡轴发动机不平衡量恶化统计

Figure 3. Statistics of unbalance deterioration of an in-service turboshaft engine

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图 4 模态振型

Figure 4. Mode shapes

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图 5 同相位不平衡响应计算

Figure 5. Calculated response of in-phase unbalance

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图 6 反相位不平衡响应计算

Figure 6. Calculated response of out-of-phase unbalance

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图 7 转子试验装置

Figure 7. Rotor test device

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图 8 同相位转子不平衡响应试验

Figure 8. Test response of in-phase unbalance on rotor test device

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图 9 反相位转子不平衡响应试验

Figure 9. Test response of out-of-phase unbalance on rotor test device

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图 10 整机最大不平衡探索试验

Figure 10. Test response of maximum unbalance exploratory experiment on an engine test device

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表 1 某涡轴发动机不平衡量恶化

Table 1. Unbalance deterioration of a turboshaft engine

序号	不平衡量/（g·mm）
	出厂		返厂		变化
	前	后	前	后	前	后
1	3.3	4.4	27.6	56.6	24.3	52.2
2	2.7	1.8	35.2	29	32.5	27.2
3	5.5	6.9	112.6	52.9	107.1	46
4	4.4	5.2	47.2	33.2	42.8	28
5	3.8	4.3	46.4	69	42.6	64.7
6	5.8	3.4	51.6	79.6	45.8	76.2
7	4.2	3.8	37.8	55.4	33.6	51.6
8	2.8	2.7	58.2	45.6	55.4	42.9
9	5.4	5.6	44.6	65.8	39.2	60.2
10	1.8	5.3	43	51.2	41.2	45.9
11	3.4	2.2	72.2	99	68.8	96.8
12	5.6	4.2	18.9	30.6	13.3	26.4
13	4.6	6.2	36.2	64	31.6	57.8
14	1.2	6.4	61.6	38	60.4	31.6
15	4.3	1.8	89.6	66.4	85.3	64.6
16	3.4	3.2	67.8	30	64.4	26.8
17	4.1	7.5	29	35	24.9	27.5
18	5.1	4.5	51.8	47.6	46.7	43.1
19	1.5	5.6	69.2	76.6	67.7	71
20	2.9	6.4	18.62	52	15.72	45.6
21	5.7	1.8	28.8	18.78	23.1	16.98
22	1.8	3.1	47.9	90.2	46.1	87.1

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表 2 某涡轴发动机燃气发生器转子临界转速

Table 2. Critical speeds of a turboshaft engine gas generator rotor

阶次	临界转速/（r/min）	模态振型
第1阶	10500	平动
第2阶	22500	俯仰
第3阶	67500	弯曲

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表 3 计算中的不平衡量

Table 3. Unbalance in calculations

序号	不平衡量/（g·mm）		说明
序号	前	后	说明
1	6	8	出厂限制
2	70	70	正常服役恶化
3	140	140	特殊工况

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表 4 转子试验不平衡状态

Table 4. Unbalance in rotor experiments

序号	不平衡量/（g·mm）		说明
序号	前	后	说明
1	3	5	初始状态
2	80	77	同相位
3	151	163	同相位
4	68	73	反相位
5	98	94	反相位

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表 5 整机试验不平衡状态

Table 5. Unbalance in whole engine experiments

序号	不平衡量/（g·mm）		说明
序号	前	后	说明
1	2	3	出厂限制
2	149	160	相位差为2°
3	51	73	相位差为172°
4	125	151	相位差为205°

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