V2500发动机N1振动故障及排故方法
时间：2022-12-10 09:00:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
顾杰，张辰
（北京飞机维修工程有限公司 发动机/APU大修产品事业部，北京 100621）
现代航空发动机工作条件复杂，负荷大，状态变化频繁，加之系统结构的复合性，使得发动机的故障通常较高[1]。在航空发动机运行过程中，可以用于监测和诊断的信息很多，包括振动、温度、压力、声响和变形等，在众多信息中，振动信号能够更迅速、更直接地反映发动机的运行状态[2]。航空发动机在车台试车的过程中，对于振动故障的分析较为复杂，同时需要根据发动机表象做相应的排故工作。通过试车台的工作经验，总结了V2500发动机试车时几种常见N1振动故障及其相应的排故方法，以达到快速排故的目的。
V2500航空发动机进厂进行维修时，拆装1号风扇单元体是较为常见的修理步骤，每次拆下风扇叶片，在装回时都需要对风扇转子单元体整体进行平衡。此外，对于其他单元体的转子分解后在进行装配时也都需要平衡，但就是这些平衡工作都做了，也满足发动机手册极限的要求，在总装完发动机进行试车时，大部分发动机还要对N1进行配平工作。Ameco北京飞机维修工程有限公司在2015年开始建立V2500航空发动机大修能力。据统计，仅在2021年度，就有30%的V2500发动机在试车时进行了N1配平工作。有时候V2500发动机在执行Project Visit（PV）工作范围时也需要平衡N1，此维修级别主要是针对FAA AD 2022-02-09，更换受AD影响的高压涡轮一、二级毂，这一维修工作只是拆下高压涡轮和低压涡轮，基本上不拆装发动机其他单元体。
针对这一故障进行分析，主要有几点原因：
（1）这些平衡工作均是以单元体形式进行平衡，每个单元体的不平衡量和角度均不同，在发动机总装过程单元体与其他单元体对接后，发动机的不平衡量就难以预测，只能通过试车得到发动机振动状态。
（2）风扇单元体在配平时，使用的平衡机转速设置最高为800 r/min，而V2500的100%N1转速为5650 r/min，在试车时，需要推全行程，就是发动机从地慢转速推到起飞转速再拉回地慢的过程，N1的最大转速能够达到5400 r/min左右。实际上，V2500发动机N1振动的峰值大部分会在N1转速达到4000 r/min时出现。
因此研究并总结N1振动故障及相应的排故方法，就可以发动机维修提高效率，以满足V2500航空发动机市场逐渐升温的现状。
V2500发动机为IAE公司生产的双转子轴流式发动机，双转子包括N1转子和N2转子，N1转子即低压转子，通常表现为风扇振动或低涡转子振动，N2转子即高压转子，通常表现为高压压气机转子振动或高涡转子振动。100%N1转速为5650 r/min（95 Hz），100%N2转速为14950 r/min（250 Hz），因此V2500发动机振动形式为中低频振动，一般使用振动位移（mil）或振动速度（IPS）描述振动的强度。发动机采集的数据可以按照转速（频率），分成发动机振动总量BB，低压转子N1振动，高压转子N2振动。当转子振动值较大时，如果不及时平衡，让发动机长期处于转子高振动状态下工作，不仅会造成防磨带或转子涂层过渡磨损、掉块甚至磨损机匣，严重的会造成转子疲劳断裂，造成空停等安全事件。
V2500发动机本身振动传感器位于4号单元体的风扇机匣上，V2500的振动传感器本身具有双通道结构。V2500在进行试车时，无需安装其他的振动传感器，只需要采集其本身的振动传感器（PN：144-171-000-032）输出的信息即可。
振动信号由振动传感器采集后，经过传输电缆，输出至MPI-322计算机，再通过相应的振动信号处理，最终得出发动机在试车过程中产生的实际振动数值。V2500发动机OEM提供的EM手册中有发动机运转时振动的极限值，BB（总量）不超过1.0 IPS，N1和N2均不超过0.6 IPS。
V2500发动机试车时，如果振动数值异常，首先要判断振动传感器及其传输电缆包括试车设备是否存在故障，若存在故障需要先排除相应的故障，以获得试车发动机真实的振动值，从而防止错误数据对发动机的误判。例如，振动传感器是双通道的，如果两个通道采集的数值有明显差异，就需要先确定振动传感器这个附件的好坏。引起V2500发动机N1振动的原因包括N1转子本身不平衡或不对中，N1倍频共振和环形填块橡胶封严安装位置有误等。
3.1 N1转子本身不平衡（不对中）产生的振动
风扇单元体转子本身不平衡（不对中）产生的N1振动是最常见的故障，其振动形式表现为N1转子振动较高，从而引起发动机振动总量BB也比较高，两者呈现一种正相关的关系。这一振动故障通常采取的排故措施是在风扇转子毂前端增加配重，配重的重量和位置由平衡程序根据转子不平衡量和相位角得出。EM手册中对风扇的平衡方式分为两种，若需要装小于等于1 oz（25 gm）的平衡配重，将配重装在进气锥上，若需要装大于1 oz（25 gm）的平衡配重，将配重装在保持环安装边上。同时，平衡风扇时同一位置最多装1个配重。
图1所示为一台V2500发动机在试车时，初始的N1不平衡引起的振动数值异常，已经超过手册极限0.6 IPS，从图中可以看到，最大值甚至接近1.0 IPS，接着将振动数值输入平衡系统，按照平衡系统计算的结果如图2所示，分别安装5A0137、5A0138和5A0139各一个配重块，安装完配重后再次测得振动数值的图如下图3所示，该发动机振动最大值仅为0.37 IPS，满足手册要求，振动超限故障得以排除。
图1 初始N1转子振动数值
图2 平衡程序计算的配重件号及位置
图3 平衡后N1转子振动数值
3.2 N1倍频共振引起的振动
N1倍频共振通常是由转子不对中引起的，这一振动是试车过程中较为常见且难以排除的振动故障。这一种振动故障通常表现形式是发动机的N1，N2振动数值较低，但是发动机振动总量BB数值较高。这一故障的产生是因为发动机在某一特定的转速下运转，其N1的倍频（通常是二倍频，也可能是三倍频等）与发动机其他零部件产生共振，可以观察到的是发动机振动总量数值较高，往往接近手册极限。这一振动故障就需要通过改变N1风扇转子的固有频率来消除共振产生的影响，仅仅靠系统计算去平衡风扇通常是无法消除这一故障，最有效的方法是改变风扇叶片安装顺序。判断振动故障是否是N1倍频引起的，首先需确保振动传感器系统工作正常，并检查确认发动机外部件均紧固，没有引起振动总量BB异常的可能。
V2500发动机的N1转子二倍频振动故障如图4、图5所示，这台发动机的N1，N2的振动数值均处于较低水平，但是发动机振动总量BB图4在高功率异常且振动峰值较为突出，已经接近EM手册极限1.00 IPS。通过频谱分析的方法，可以采集到在这一特定时刻的频谱图如图5所示，N1（3837 r/min）、N2（12627 r/min）对应的振动数值都较低，高振动数值是在7650 r/min这一转速所产生的，这一转速（频率）与二倍的N1转速（2×3837=7674）十分接近。综上所述，这一发动机是N1转子倍频振动故障，最终通过改变这台发动机的风扇叶片安装顺序后，将这一振动故障排除。
图4 BB振动总量数值
图5 频谱分析显示图
3.3 环形填块橡胶封严安装位置有误
环形填块橡胶封严安装位置有误的故障表现形式较为隐蔽。此振动故障在进行振动测试时并不能够体现出来，但是在录入发动机性能时，发动机N1振动会忽高忽低。发动机录入性能是指发动机在A点（推力为30750 lbs）、B点（推力为26750 lbs）、C点（推力为22000 lbs）和D点（推力为16500 lbs）四个特征点时，通过采集相关数据，最终算出发动机的性能。这一故障通常在A点出现，在录入A点性能时，发动机推力需要稳定5 min，在3 min左右出现N1振动数值忽高忽低，而振动测试整个行程也就1 min左右，因此这一故障在振动测试时难以发现。发生这一故障时检查风扇环形填块橡胶封严状态，有时是部分橡胶封严从环形填块上脱落，这需要将这些环形填块拆下，从新粘接橡胶封严，再装回环形填块；
有时是橡胶封严在总装时被挤压，这需要将橡胶封严舒展开。之后再进行相应测试，此故障消除。
V2500发动机在试车时呈现的N1振动故障是由不同的原因所产生的，因此需要归纳总结相应的排故方法，明确相应振动故障所产生的特征，做到有的放矢，N1振动故障就可以较为有效的解决，使得发动机维修变得更加有效率。首先是确定振动传感器及相关试车台测试、采集的设备均无异常，同时确保发动机本体的外部附件均已固定，对发动机振动没有影响，这样就可以排除外来干扰项，确定振动故障是由发动机本身引起的。如果N1振动数值较高，需对风扇进行平衡，安装系统算出的配重块，以降低N1振动数值达到较低水平。如果N1、N2振动数值均较低，但是发动机振动总量BB数值较高，则需要进行频谱分析，这一故障通常是由N1转子倍频引起发动机整体的高振动，可以通过改变风扇叶片安装顺序来解决。如果发动机在振动测试时表现无异常，在录入性能时出现振动数值忽高忽低，可以在发动机停车后对风扇环形填块的橡胶封严进行检查，通过重新粘接橡胶封严或者捋顺橡胶封严来解决N1振动故障。
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