某多级轴流压气机故障振动分析

中国航发湖南动力机械研究所 邓晓亮 任 帅

某型压气机采用四级轴流压气机设计，试验件转速在20900r/min做性能特性试验过峰值效率点时，发生前后轴承严重磨损卡死、转子中心拉杆断裂、转子叶片磨损故障，由于压气机工作转速高，一旦发生故障，压气机各部件一般受损都比较严重，而且压气机故障发生后受损件一般不止一件，同时受损件之间存在一定的关联，要判断故障发生的起因往往难度较大，所以排故工作中定位故障的原发位置显的尤为重要。本文通过分析故障发生前后振动频谱和时域数据，找出出现异常变化的蛛丝马迹，为推断试验件故障真正原因，最终排除故障提供技术支持。

1 振动测试系统

为测量压气机试验件振动情况，在试验件进口和出口的外机匣各设置径向垂直和径向水平两个振动测点，该型压气机试验件振动测点代号及位置如下：

Tiz——进口径向垂直测点；

Tiy——进口径向水平测点；

Toz——出口径向垂直测点；

Toy——出口径向水平测点。

机匣上的振动测点选用高温压电加速度振动传感器，该型加速度传感器具有频响宽、体积小、耐高温、稳定性好等特点，能适应机匣外部的恶劣工作环境。机匣振动通过高温压电加速度振动传感器转变为电荷信号，经过高温低噪声电缆传输进入专用振动测试仪；经专用振动测试仪对电荷信号进行放大、滤波后，振动总量信号进入数采系统、通频信号进入振动记录分析仪，对压气机试验件振动进行实时监测和试验后数据回放分析处理。

2 试验情况

2.1 试验过程

某压气机试验件进行试验，试验件转速在20900r/min以下时，4个试验件测点振动幅值稳定，振动总量不超过8.2mm/s；试验件转速在20900r/min停留约3分钟以后，4个测点振动总量突然增大、最大值达2000mm/s以上，远超出12.5mm/s的振动限制值，车台紧急停车。

2.2 试验后的检查情况

试验后现场检查发现：后轴承机匣组件与排气机匣脱落，套齿轴罩壳变形，台架浮动轴花键磨损严重，套齿轴罩壳轴向变形严重，挠度探针断裂，中间圆弧端齿转接段单独脱落，两对圆弧端齿磨损严重。

3 振动数据分析

3.1 时域数据分析

图1为故障发生前后6秒试验件振动总量曲线图，由图1可得：

t1时刻前各测点振动总量稳定不超过8.2mm/s；t1～t2之间（约2秒）进口振动总量明显增大，出口振动总量无明显变化；t2时刻所有测点振动总量急剧增大。

图1 试验件振动总量曲线

压气机试验件故障发生前后时域振动波形如图2所示,图2上半图为试验件进口垂直方向振动时域波形图，图2下半图为试验件出口垂直方向振动时域波形图，由图2可得：压气机进口垂直方向出现异常振动比压气机出口垂直方向出现异常振动提前约0.1秒；时域波形与振动总量的变化时间顺序一致。

压气机进口振动时域波形出现异常变化比出口早，据此表明：故障的原发部位在压气机的前端。

图2 故障发生前后试验件垂直方向振动时域波形

3.2 振动频谱分析

t1时刻前压气机转速开始在20900r/min停留，直到t1时刻试验件4个测点的压气机转子基频及其谐波的振动幅值比较稳定；振动频谱谱线干净，因此认为t1时刻前试验件振动情况良好。

为进一步研究t1时刻后压气机试验件振动情况，做出故障前后12秒的振动瀑布图见图3。

图3 压气机故障发生前后12秒Tiz瀑布图

由图3可得：t2时刻之前压气机转子基频振动稳定在8mm/s以下；压气机外机匣在t1时刻开始出现1095Hz未知振源的频率成分，t2时刻该频率逐渐增大至1120Hz，Tiz测点对应的振动幅值从2.8mm/s增大到19.7mm/s,事实上，Tiy测点对应频率的振动幅值也具有相同变化趋势，由0.5mm/s增大到14.3mm/s(Tiy瀑布图和图3类似，文中未列图)。从出现1095Hz到1120Hz，历时约2秒。

4 异常频率分析

在发动机转速未发生变化的情况下，出现1100Hz左右的异常频率，且其频率及振动幅值逐渐增大，2秒左右达到峰值。此频率与燃发转子基频比例约为1.57，与发动机各级传动比例关系不对应，而与轴承故障特征频率相近，因此着重对轴承故障特征频率进行分析。

4.1 滚动轴承故障特征频率理论计算

滚动轴承故障形式可分为磨损、剥落、塑性变形、胶合和保持架断裂等故障，而根据故障的部位又可分为内环故障、外环故障、滚动体故障和保持架故障，振动故障诊断一般基于第二种分类方法。

滚动轴承出现故障后，故障部件和其它部件接触时会产生冲击振动，滚动轴承振动频谱出现故障特征频率、或以固有频率为载波以特征频率为调制边频的边频带。在外圈固定、内圈旋转、滚子（包括滚珠和滚棒）与滚道无相对滑动且径向游隙为零的约束条件下，可得滚动轴承元件的故障特征频率理论计算公式见表1。

表1 滚动轴承故障特征频率

4.2 故障特征频率计算

查得该型压气机试验件前后轴承分别采用球轴承和圆柱滚子轴承，轴承参数如表2所示。

表2 轴承参数

由表1的计算公式和表2的轴承参数，得到压气机转速在20900r/min时的轴承故障特征频率见表3。

外机匣振动频谱在t1～t2时刻出现的1095Hz～1120Hz的频率成分与前轴承滚动体冲击单侧滚道的故障特征频率1122.2Hz相差不大（-2.69%～-0.20%），与理论计算轴承滚动体故障特征频率符合。

表3 轴承故障特征频率计算值

通过上述振动分析，推断此次压气机试验件故障发生的起始位置为前轴承。

5 试验件分解检查

压气机试验件下台分解检查发现：各级转子叶片叶尖均有较为严重的磨损，从第一级到第四级逐级磨损递增，叶片尾缘靠近叶尖处逐级烧蚀递减；各级箆齿及对应涂层磨损严重；转子中心拉杆已断裂；前轴承外圈内滚道磨损烧伤严重，可见大量的烧结堆积物；前轴承滚子磨损严重，滚子已经明显变小；后轴承外圈靠前一侧有磨损痕迹，内滚道磨损严重，止口两侧有不同程度的挤压磨损；轴承滚子磨损烧伤严重。

6 结论

压气机发生故障后，受损件较多，如何抽丝剥茧找出故障原发件对顺利排故至关重要。本文通过对故障发生前后振动数据进行分析，利用时域方法发现压气机进口时域波形出现异常变化先于出口，利用频域图、瀑布图及特征频率计算等方法，发现故障发生前短时出现的异常频率和前轴承故障特征频率相符合，最终判断前轴承故障为原发故障，为排故顺利进行提供了正确思路和有效技术支撑。本论文提出的排故思路和方法对工程实践中发生类似故障有较大的指导借鉴作用。