前言

针对航空发动机整机振动问题的复杂性和多样性，以整机振动的振源分析为出发点，总结国内外关于转子系统故障、气流激振、轴承故障、齿轮故障和结构局部共振等引起的整机振动的研究情况。

结合航空发动机整机结构动力学、支承动刚度和连接结构刚度动力学设计的国内外研究情况，从整机振动的装配工艺参数分析、转子不同心度控制和转子不平衡量控制等几个方面，总结航空发动机整机振动的控制方法。

然后，在分析航空发动机整机振动测试方法和标准的基础上，总结了航空发动机的转子动力学特性以及机匣支承的振动特性测试相关技术。

一、转子故障引起的振动

（一）转子不平衡

“不平衡力”在航空发动机产生振动的各种原因中，是最为主要的一种。由于转子材质的不均匀、设计的缺陷、热变形、制造装配的误差和转子在运行过程中有介质粘附到转子上或是有质量脱落等，使得实际转子的质心与形心不一致，因而使得转子出现质量不平衡。

转子不平衡是导致航空发动机整机振动过大和产生噪音的重要因素，它不但会直接威胁到航空发动机安全可靠地运行，而且还容易诱发其他类型的故障。

转子不平衡引起的振动故障是航空发动机常见并且危害较大的故障，识别并降低发动机转子平衡是降低发动机振动的重要措施。

转子不平衡离心力所引起的振动，与其它原因引起的振动不同，具有固有特征，即动载荷与转速平方成正比，频率与转速相同。

（二）转子不对中

根据国外的相关资料介绍，旋转机械振动故障大约有70%是由于轴系的不对中引起或与不对中相关。

随着航空发动机对高推重比和高转速的追求，航空发动机的转子与机匣之间的间隙就变得越来越小，从而使转子的不对中故障引起转静子碰摩的可能性增加。

航空发动机的转子如果处于不对中的状态下进行运转，则会导致轴承磨损、联轴器偏转、轴挠曲变形以及转子与机匣间的碰摩等故障，对航空发动机的稳定运行具有极大的危害。

航空发动机转子的不对中总体上来说，可以分为轴承不对中和联轴器的不对中。

研究表明，当转子转速较低时，转子系统除了存在与转子不平衡故障相同的旋转频率外，还存在由转子不对中故障引起的倍频和组合频率等成分。随着转速的提高，系统出现倍周期分叉现象和混沌运动等复杂的非线性动力学行为。

针对航空发动机内外双转子系统不对中故障，以某型航空发动机的转子系统为研究对象，对比分析了含高压转子的支承轴承不对中故障的转子系统振动响应。

研究表明，高低压转子的振动中均出现了2倍频的成分，而且随着转子不对中故障程度的增加，频谱图中2倍频的成分也愈加明显，而且会占主导，转子系统的轴心轨迹则表现为“8”字形，如图1所示。

（三）气流引起的振动

航空发动机环形气流通道中，由于静子叶片的存在，使得叶片下游的气流总压和流速有所降低，当转子叶片通过这段区域时，所受的气动力将有所改变。由于气流对叶片表面周期性压强的变化，激起叶片的振动。

应用瞬态的分析方法，对转子叶片上前排静子叶片尾流激振下应力和位移进行了预估。应用参数多项式和振荡流体力学理论，计算了静子叶片后的尾流场与尾流场作用下转子叶片通道内的非定常流场情况，研究了前排静子叶片的尾流对后排转子叶片振动的影响。

转差在高、低压转子交界处的动叶间引起的尾流激振问题，与导向器尾流激振比较，转速差引起的叶片尾流激振易激起危险的低阶振型、共振转速范围宽以及激振强度低的特点。

对叶片强迫响应问题，采用谐响应分析方法和模态叠加法，由进口导叶的尾流亏损而产生不均匀流动对第一级转子上叶片的振动影响规律。

（四）齿轮引起的振动

传动系统是航空发动机十分重要的组成部分，航空发动机的传动系统是一个齿轮耦合复杂转子系统，对该系统动力学特性的分析需要转子动力学、齿轮动力学和轴承动力学等方面的理论知识。

对某型航空发动机的中心轴弧齿锥齿轮传动系统建立了动力学方程，分析了弧齿锥齿轮传动系统中参数对系统动态特性的影响。

国际上对齿轮啮合系统基于转子动力学原理进行计算研究开始于20世纪70年代。

Mitchell等的研究表明当系统中转子刚性较大时，建模时忽略了横向振动而仅考虑扭转振动，结果仍有较好的近似度。Kahraman建立了一个斜齿轮副的线性动力学模型，其中考虑了轴和轴承的变形，并仿真计算了系统的模态频率振型。

Choi等应用传递矩阵法分析了齿轮啮合转子系统的动力特性，考虑其陀螺效应和剪切变形，通过分析系统的弯扭耦合振动获取了其相应振型和固有频率。

（五）机匣的振动

机匣作为航空发动机的骨架，能直接反映出发动机整机振动的情况。目前，关于航空发动机机匣振动的研究，主要包括结构激振、噪声激振和气流激振等方面。

结构激振有发动机转子的不平衡量引起的离心力，以及转静件碰摩或者转子支承的不同轴度太大引起发动机机匣承力系统产生行波振动。噪声振动主要是由高速气流流动或燃烧产生。

气流的激振主要有旋转失速的气团所导致的周向压力变化、旋转叶片的尾迹产生的压力脉动和流场畸变等。

针对某涡扇发动机风扇机匣曾出现的振动过大的现象，分析认为机匣的振动是由转子叶片旋转时的尾流激振力激起行波共振。

首先利用有限元法计算了机匣的固有频率和振型(如图2所示)，以固有频率大和质量轻为优化目标，采用遗传算法，优化得到在机匣适当位置增加矩形截面的环形结构，实现了对机匣的减振。优化后的前4阶振型如图3所示。

采用OPENGL图形程序接口，对航空发动机的关键部件，如转子、叶片、盘、滚动轴承和机匣等，进行了2D和3D的可视化参数建模，对转子和机匣的弹性线进行仿真模拟，根据转子和机匣的变形状态发现其容易产生转静碰摩的危险截面。

发现在航空发动机研发与试车过程中，曾出现风扇机匣振动偏大且振幅存在摆动现象。对发动机分解检查发现，转静件发生了碰摩故障，导致转静件出现碰摩故障主要是由于机匣的圆度问题，从而使转静件的上下间隙变小，在一定转速下发生碰摩。

对某高涵道比涡扇发动机高压压气机机匣振动设计需求，对机匣进行有限元建模，进行了固有频率和振型的计算，为机匣的实际提供了参考，其中机匣典型的振型图如图4所示。

二、发动机整体结构动力学设计

目前关于航空发动机双转子系统的动力学研究，包括双转子系统的振型和临界转速计算，以及航空发动机双转子系统的不平衡响应等。

美国学者Glasgow等人应用固定截面模态综合法，研究了双转子系统的振型及临界转速，并对模态综合法的误差和精度进行了分析。

Kazao应用传递矩阵法对双转子系统的临界转速、振型和不平衡响应进行了计算和研究。

Gupta等学者在双转子实验器的基础上，利用传递矩阵法计算了含中介支承的双转子系统的不平衡振动响应，并对该系统的振型、临界转速和不平衡振动响应等进行了实验研究。

以某双转子涡扇发动机为例，介绍了采用Ansys固有模态求解模块，计算得到了双转子系统的借助坎贝尔图，如图5所示。

三、考虑支承动刚度和连接结构刚度的动力学设计

由于弹性支撑和连接结构的刚度是很难识别的，在航空发动机动力学分析时，所计算出的航空发动机临界转速误差很大，最终机械结构动力学设计是很难实现的。

螺栓连接刚度是影响结构动力学特性的另外一个重要因素。大量的动力学特性分析技术都涉及到预紧力控制、摩擦性能控制、螺栓联接理论、防疲劳控制等多方面，所采用的典型应用标准包括:

NASA的《NASANSTS08307预紧力螺栓设计准则》和《NASASTD5020航天硬件用螺纹紧固系统的要求》、波音的《螺栓和螺母的安装(BAC5009M)》、俄罗斯的《OCT100017－1989》、SAE的《SAE1471A(2000年)》等。

为了保证机匣具联接刚性，一般采用高精度螺栓和恰当的定位止口结构，否则机匣联接刚性会受到很大的影响。

航空发动机会采用大量的螺栓进行机匣联接，如图6所示。

细化建模十分困难，造成动力学分析效率较低，因此在对带有螺栓联接的大型结构进行有限元分析时，对螺栓联接部分进行简化是十分必要。

四、装配工艺参数检测与整机振动的控制

（一）航空发动机整机振动的控制参数分析

航空发动机的设计、制造和装配过程中，发动机的几何结构偏差、工艺特征参数偏差是不可避免的，这些参数的偏差将影响动力学特征参数的变化，最终对发动机整机振动产生极大的影响。

因此，研究发动机工艺特征参数、结构特征参数对整机动力学特性的影响，可以保证发动机装配质量。

统计了108台某型发动机的后支承和机匣的配合间隙、后支承点径向活动量和轴间轴承的径向活动量等20个主要装配参数。

同时提取了相应的整机振动特征参数，基于蒙特卡罗方法进行了装配参数对整机振动影响的敏感性分析，编制了相应的MATLAB程序计算出装配参数与整机振动的相关系数，最后分析出整机振动对各个装配参数的敏感程度。

应用主成分分析法，从15个主要装配参数中提取出4个对整机振动影响较大的关键装配参数，并对这4个装配参数进行了针对性的分析和研究。

（二）转子不同心度控制技术

航空发动机转子在高速旋转时，其不平衡量与不同心度对整机振动响应有较大影响，因此，转子装配在整机装配中占有重要地位。

针对转子夹具无法满足测量需求的“瓶颈”，研发了转位法误差分离技术，提高了转子不同心度测试工艺精度及稳定性;针对静子支承不同心度测量中大跨度不同心度测量数据不稳定的难点，开发了多支点、大跨度测试技术，实现了真实装配状态下的“又准又快”的测量要求。

利用改进手动操作千分表进行同心度测量的技术，采用自动数据采集装置对发动机壳体同心度进行测量。

通过ANSYS模拟螺栓预紧力，分析螺栓紧度分布及加载顺序对机匣装配同心度的影响规律。

对转子不同心度和不平衡量双目标优化原则，采用蒙特卡洛算法对单目标装配优化过程、双目标装配优化过程、随机装配过程进行仿真，通过验证表明，转子装配优化技术达到了改善转子装配质量的目的。

总结

为了研究航空发动机整机的振动机理、控制方法、测试方法和诊断方法等问题，从航空发动机整机振源、航空发动机结构动力学与整机振动控制、装配工艺参数检测与整机振动控制和发动机整机振动试验测试与故障诊断四个方面，阐述了国内外相关研究现状，现作如下总结和展望:

(1)航空发动机整机振动的振源有转子系统、气流、轴承、齿轮和结构共振等。国内外关于航空发动机转子系统和轴承引起振动的机理研究较多，但由于航空发动机转子系统振动的多样性和复杂性，转静子碰摩方式、转子积液的失稳和支承刚度非线性等方面还需要进一步的研究和分析。

(2)国内外学者从整机振动建模、修正以及支承和连接结构动柔度等方面进行了关于航空发动机整机振动的研究。随着计算机技术的发展，整机建模的规模越来越大，考虑的影响因素也越来越多，对航空发动机整机振动的指导意义也越来越重要。

(3)在加工、装配和运行航空发动机的过程中，发动机的工艺和结构参数会发生一定的变化，结构的动态特性参数也会发生改变，从而影响整机振动特性。因此，从装配工艺的角度出发，对航空发动机的整机振动进行控制将显得尤为重要。

(4)研究航空发动机整机振动测试方法和标准，对航空发动机整机振动的判断和识别具有重要意义。由于航空发动机整机振动测试方法和标准与工程实际的结合相对更加紧密，关于这方面的研究较少。因此，航空发动机整机振动测试方法和标准的研究还需进一步加强。