一种航空发动机振动特征变化与构件损伤监视和预判方法与流程

1.本技术属于航空发动机监控领域，特别涉及一种航空发动机振动特征变化与构件损伤监视和预判方法。


背景技术：

2.随着技术指标的不断提升，燃气涡轮发动机构件的工作环境愈发恶劣，为保证燃气涡轮发动机在全工作包线范围内能够安全稳定的工作，亟需能够根据整机振动特征变化来实时监视并准确预判构件损伤尤其是支点损伤的方法。
3.国内外先进双转子燃气涡轮发动机为减轻重量减少承力框架数目和转子支点数量，常采用中介支点或级间承力框架总体结构布局设计。同时为满足性能和功能等战技指标要求，发动机转子转速和载荷也在逐步提高，给转子结构系统力学特性和主支点轴承及支承结构设计带来了巨大的影响和设计上的挑战。对于燃气涡轮发动机来说，特别是采用中介支点布局和共用承力框架局部的双转子燃气涡轮发动机，转子非协调涡动和交互激励耦合振动会对转子支点尤其是中介支点动载荷以及高、低压转子动力响应特性可产生直接的影响，进而对整机结构系统可靠性产生较大影响。
4.目前采用的整机振动监控方法的缺点在于：发动机构件损伤通常是逐渐积累渐变的过程，往往是出现故障征兆信号但发动机工作是基本正常的，此时构件出现轻微损伤，损伤对发动机影响较小，及时发现相关故障征兆预判构件出现的轻微损伤，及时采取措施可避免发动机构件的进一步损伤。
5.以往的发动机振动监控方法主要对高、低压转子转速基频振动和振动总量幅值进行监控，此种监控方法只有在高、低压转子振动超过限制值时，才会判定发动机处于异常工作状态，此时发动机已经出现不可逆的损伤或已出现故障。该方法无法在发动机出现故障征兆信号或轻微损伤时及时发现发动机工作的异常，无法预判构件出现的局部工作异常，具有较大的局限性。
6.因此，需通过燃气涡轮发动机整机振动特性及其随试车时数的变化情况，监视和判断转子及支点支承结构等关键构件的工作状态，提前预判相关构件的损伤积累情况。


技术实现要素：

7.本技术的目的是提供了一种航空发动机振动特征变化与构件损伤监视和预判方法，以解决以往的发动机振动监控方法主要对高、低压转子转速基频振动和振动总量幅值进行监控，无法对故障进行提前预判的问题。
8.本技术的技术方案是：一种航空发动机振动特征变化与构件损伤监视和预判方法，包括：根据发动机转子运动状态及构件损伤情况从低至高将发动机的工作模式分成正常模式、监控模式、关注模式、告警模式、严重模式和危险模式；实时采集不同工作状态下发动机的高低压转子的振动频率特征和振动幅值，并确
定发动机的振动总量；根据发动机的振动频率特征确定不同工作状态下发动机的振动类型，而后当发动机处于高低压转子转速基频振动状态时，判断：发动机稳态工作时基频振动幅值是否超过限制值；发动机稳态工作时基频振动幅值是否存在突增突降；发动机稳态工作时基频振动幅值随试车次数增加的幅度是否超过限制值；发动机过渡态工作时的基频振动幅值是否超过限制值；若上述均为否，则判断发动机当前状态下处于正常模式；当发动机处于高低压转子转速倍频振动状态时，判断：发动机稳态工作时是否存在转速倍频振动特征，若是，则判断振动幅值是否超过限制值；发动机工作时的倍频振动幅值随发动机工作状态变化是否超过限制值；发动机稳定工作时基频振动幅值随试车次数增加的幅度是否超过限制值；若上述均为否，则判断发动机当前状态下处于正常模式；当发动机处于高低压转子组合振动状态时，判断：发动机稳态工作时是否存在组合频率振动特征，若是，则判断振动幅值是否超过限制值；发动机稳态工作时组合频率振动幅值随发动机工作状态变化是否超过限制值；发动机稳态工作时组合频率振动幅值随试车次数增加的幅度是否超过限制值；若上述均为否，则判断发动机当前状态下处于正常模式；当发动机处于高低压转子耦合频率振动特征时，判断：发动机稳态工作时是否存在高低压转子耦合频率振动特征，若是，则判断振动幅值是否超过限制值；发动机稳态工作时耦合频率振动幅值随试车次数增加的幅度是否超过限制值；若上述均为否，则判断发动机当前状态下处于正常模式；当发动机处于主轴承工作振动时，判断：发动机工作时是否存在主轴承工作振动特征，若是，则判断振动幅度是否超过限制值；发动机工作时主轴承工作振动特征幅值随发动机工作状态变化和工作时长增加是否超过限制值；若上述均为否，则判断发动机当前状态下处于正常模式；当发动机处于轴承与转子调制频率振动时，判断：发动机工作时是否存在调制频率振动特征，若是，则判断振动幅值是否超过限制值；发动机工作时调制频率振动特征随发动机工作状态变化和工作时长增加是否超过限制值；若上述均为否，则判断发动机当前状态下处于正常模式；若存在一项为是，则根据当前状态下的振动频率与振动幅值的具体数值判断发动机处于的工作模式；
若判断出发动机处于监控模式，则发动机在监控下能够正常开展试验与使用；若判断出发动机处于关注模式，则在振动幅值达到一限制值时，对支点支承结构和游隙进行优化调整，并进行试验验证；若判断出发动机处于告警模式，则判断发动机的各项振动是否存在超过限制值的情况，若存在则暂停发动机的试验与使用，对发动机进行分解检查；若判断出发动机处于严重模式，则判断发动机基频振动幅值和调制频率幅值是否存在增大趋势，频谱是否出现新增异常频率，若是则暂停发动机的试验与使用，对发动机进行分解检查；若判断出发动机处于危险模式，则立刻停止发动机的试验与使用，并对发动机进行分解检查。
9.优选地，所述发动机的振动类型包括高低压转子转速基频振动、高低压转子转速倍频振动、高低压转子转速组合频率振动、高低压转子转速耦合频率振动、主轴承工作振动和轴承与转子调制频率振动。
10.优选地，发动机处于监控模式的判断标准为：各振动测点的振动频谱中仅存在高低压转子转速基频振动频率，且高低压转子转速基频振动幅值小于限制值；振动幅值与转速在稳态转速下存在突增突降；发动机处于关注模式下的判断标准为：各振动测点在高低压转子转速基频振动幅值未超过限制值，但在整机振动频率中存在高低压转子转速倍频振动特征；发动机处于告警模式下的判断标准为：1）各振动测点的振动频谱中仅存在高低压转子转速基频振动频率，转速基频振动幅值超过限制值，基频振动幅值在稳态转速下存在突增突降；2）各振动测点的振动频谱中存在高低压转子转速基频振动频率，且振动频谱中存在低压转子激起高压转子模态振动特征或高压转子激起低压转子模态振动特征，同时伴有高低压转子基频与模态频率的组合频率特征；上述判断标准中存在任意一项则认为发动机处于告警模式；发动机处于严重模式的判断标准为：1）各振动测点的振动频谱中存在高低压转子转速基频振动频率，并且振动频谱中出现小于设定阈值的高低压转子基频与轴承工作频率的调整频率；2）各振动测点的振动频谱中存在高低压转子转速基频振动频率，并且振动频谱在高转速区出现小于设定阈值的高低压转子的转速组合频率；上述判断标准中存在任意一项则认为发动机处于告严重模式；发动机处于危险模式的判断标准为：在振动频谱中出现幅值大于设定阈值的高低压转子转速基频与轴承工作频率的调制频率，且随着试验时数增加，轴承工作频率逐渐升高到高低压转速差的一半，并同步出现高低压组合频率。
11.优选地，所述设定阈值为10mm/s，对所述支点支承结构和游隙进行优化调整的振动幅值的限制值为10mm/s。
12.本技术的一种航空发动机振动特征变化与构件损伤监视和预判方法，根据发动机转子运动状态及构件损伤情况将发动的工作模式分成正常模式、监控模式、关注模式、告警模式、严重模式和危险模式；而后通过实时采集不同工作状态下发动机的高低压转子的振
动频率特征、振动幅值以及发动机的振动总量来确定发动机的振动类型，再根据振动类型判断当前状态下发动机所处的工作模式，通过判断出发动机当前所处的工作模式，从而能够采取不同的手段来监控和处理当前的发动机，使得发动机在发生故障之前即可得到及时处理，具有及时和准确的特点。能够在发现发动机转子系统出现异常时，及时识别故障特征，采取相应处置手段，避免发动机构件严重损伤，保证发动机安全。
附图说明
13.为了更清楚地说明本技术提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本技术的一些实施例。
14.图1为本技术整体流程示意图；图2为本技术主轴承滚子与保持架结构示意图。
具体实施方式
15.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
16.一种航空发动机振动特征变化与构件损伤监视和预判方法，如图1所示，包括如下步骤：步骤s100，根据发动机整机振动监控中振动特征及变化情况，可以对发动机转子运动状态及构件损伤情况进行监视预判。根据发动机的整机特征变化情况，按对构件损伤和转子结构系统工作稳定性的影响程度，可以将发动机转子运动状态及构件损伤情况从低至高将发动机的工作模式分成正常模式、监控模式、关注模式、告警模式、严重模式和危险模式。
17.正常模式正常模式是指发动机转子系统处于正常运动状态，无构件损伤，不存在构件损伤积累和损伤风险，可以长期稳定工作。
18.发动机处于正常模式的判断标准为：各振动测点的振动频谱中存在高低压转子转速基频振动频率，且高低压转子转速基频振动幅值小于限制值，以速度为单位进行监控时，高、低压转子转速基频振动幅值小于20mm/s，也即是限制值为20mm/s；振动幅值与转速跟随性较好，振动幅值与转速在稳态转速下不存在突增突降。
19.监控模式监控模式是指发动机转子系统处于基本正常工作状态，无构件损伤，长期工作存在转子构件损伤积累的风险，但短期不会造成损伤，发动机可以在监控下正常开展试验和使用。
20.发动机处于监控模式的判断标准为：各振动测点的振动频谱中仅存在高低压转子转速基频振动频率，且高低压转子转速基频振动幅值偏大，但未超过限制值，以速度为单位进行监控时，高、低压转子转速基频
振动幅值大于20mm/s，小于限制值；振动幅值与转速在稳态转速下存在突增突降，但突增突降较小（一般小于15mm/s），则说明转子关键连接结构界面接触状态在工作过程中出现了变化，长期工作可能会产生接触界面损伤积累，进而进一步恶化整机振动，造成转子系统损伤累计加剧。
21.关注模式关注模式是指发动机转子系统处于基本正常工作状态，无构件损伤，长期工作存在转子支点损伤的风险，发动机需要在密切关注下开展试验和使用，关注各主支点的工作模式。
22.发动机处于关注模式下的判断标准为：各振动测点在高低压转子转速基频振动幅值未超过限制值，但在整机振动频率中存在高低压转子转速倍频振动特征。
23.高、低压转子转速倍频振动特征产生原因可能为支点轴承游隙过大或支承结构稳健性差导致转子支点定位不可靠，导致支点与支承结构产生碰撞激励。倍频振动幅值较小时（一般小于10mm/s），短期试车和使用不会造成转子系统和支点轴承损伤，幅值较大时（一般大于10mm/s），但需要对支点支承结构和游隙进行优化调整，并进行试验验证。
24.告警模式告警模式是指发动机转子系统工作存在一定异常，此时发动机无构件失效，但已存在构件损伤累积，需要密切关注发动机整机振动情况，必要时暂停发动机试验和使用，分解检查以排除该问题。
25.发动机处于告警模式下的判断标准分为两种：1）各振动测点的振动频谱中仅存在高低压转子转速基频振动频率，转速基频振动幅值超过限制值，但基频振动幅值与转速跟随性较好，则整机振动情况与发动机转子平衡品质相关，需密切关注振动随发动机工作状态和时长增加的变化情况。同时需密切关注振动频谱是否出现其他特征频率，以及在发动机稳态工作时基频振动幅值是否出现较大突增突降（突增突降幅值大于15mm/s）。若高低压基频振动特征发现明显变化，需对发动机分解检查，重点关注转子关键连接界面的损伤累积情况。
26.2）各振动测点的振动频谱中存在高低压转子转速基频振动频率，且振动频谱中存在低压转子激起高压转子模态振动特征或高压转子激起低压转子模态振动特征，即出现高低压转子耦合模态，同时伴有高低压转子基频与模态频率的组合频率特征；此时高、低压转子产生了交互激励振动。该振动频率对转子和轴承会产生具有较大的动载荷，需要密切关注发动机振动情况及振动特征，尽早对发动机分解，重点检查转子关键连接界面及支点支承的同心度。
27.上述判断标准中存在任意一项即可认为发动机处于告警模式；严重模式严重模式是指发动机转子系统工作存在异常，此时发动机轴承可能已存在轻微损伤，需要综合高低压基频及其他振动频率成分，决定暂停发动机试验或使用，将发动机进行分解检查。
28.发动机处于严重模式的判断标准为：1）各振动测点的振动频谱中存在较小的高低压转子转速基频振动频率，并且振动
频谱中出现小于设定阈值（幅值小于10mm/s）的高低压转子基频与轴承工作频率的调整频率(f1
±
fc，f2
±
fc)，f1表示低压转子的转速频率，f2表示高压转子的转速频率，fc表示转速频率的上下波动量，产生原因主要是轴承内外环偏斜角偏大或轴承自身加工质量在问题，此时滚子-保持架与转子产生碰撞、摩擦作用，滚子-保持架与转子处于相互影响的状态，对转子的影响效果主要为进动状态的改变以及调制频率的出现，对滚子-保持架而言，作用效果主要体现为滚子的磨损及轴承内外环的磨损。此时需要密切关注发动机基频振动幅值和调制频率幅值是否存在增大趋势，频谱是否出现新增异常频率，若出现变化应及时暂停试验和使用，发动机下台分解后检查支点及其支承结构。
29.2）各振动测点的振动频谱中存在高低压转子转速基频振动频率，但是幅值较小，并且振动频谱在高转速区出现小于设定阈值（小于10mm/s）的高低压转子的转速组合频率f1+f2，产生的原因是高、低压转子在中介轴承处或共用承力框架处发生了较强的耦合，此时对转子、轴承和承力框架会产生较大的动载荷，造成轴承损伤。此时需综合考虑高、低压基频幅值及频谱中其他调制频率的变化趋势，如有明显变化和增大趋势，应及时暂停试验和使用，分解检查中介支点及其支承结构，或共用承力框架支承结构。
30.上述判断标准中存在任意一项即可认为发动机处于告严重模式；危险模式危险模式是指发动机转子系统及支承结构已出现明显的工作异常，发动机轴承已出现严重损伤，应立刻停止发动机试验和使用，并进行分解检查。
31.发动机处于危险模式的判断标准为：在振动频谱中出现幅值大于设定阈值（10mm/s）的高低压转子转速基频与轴承工作频率的调制频率(f1
±
fc，f2
±
fc)，且随着试验时数增加，轴承工作频率逐渐升高到高低压转速差的一半（（f1+f2）/2），并同步出现较大幅值的高低压组合频率（f1+f2），则表明滚子打滑情况不断恶化，轴承保持架与轴承内外环产生了较强的相互作用，轴承已出现或即将出现严重损伤，应立刻停止试验和使用，分解检查发动机。
32.步骤s200，实时采集不同工作状态下发动机的高低压转子的振动频率特征和振动幅值，并确定发动机的振动总量，该振动总量为当前某一时刻；发动机的工作状态包括起动、加速、巡航、节流、停车等状态，不同工作状态下的振动频率特征和振动幅值并不相同。
33.步骤s300，根据发动机的振动频率特征确定不同工作状态下发动机的振动类型，发动机的振动类型包括高低压转子转速基频振动、高低压转子转速倍频振动、高低压转子转速组合频率振动、高低压转子转速耦合频率振动、主轴承工作振动和轴承与转子调制频率振动。
34.高低压转子转速基频振动是指振动频率与高低压转子转速相同的振动特征。当发动机处于高低压转子转速基频振动状态时，判断：发动机稳态工作时基频振动幅值是否超过限制值（航空燃气涡轮发动机限制值一般为50~60mm/s）；发动机稳态工作时基频振动幅值是否存在突增突降；发动机稳态工作时基频振动幅值（相同工作状态）随试车次数增加的幅度是否超过限制值；
发动机过渡态工作时（启动、上推、下拉、进退加力等）的基频振动幅值是否超过限制值。
35.若上述均为否，则判断发动机当前状态下处于正常模式；高、低压转子转速倍频振动是指振动频率为高、低压转子转速频率整数倍的振动特征，如2f1、2f2、3f1等，当发动机处于高低压转子转速倍频振动状态时，判断：发动机稳态工作时是否存在转速倍频振动特征，若是，则振动幅值是否超过限制值（以速度为单位进行监控时，一般认为大于10mm/s）；发动机工作时的倍频振动幅值随发动机工作状态变化是否超过限制值；发动机稳定工作时基频振动幅值（相同工作状态）随试车次数增加的幅度是否超过限制值；若上述均为否，则判断发动机当前状态下处于正常模式。
36.高、低压转子转速组合频率振动是指振动频率为高、低压转子转速基频与低、高压转子转速基频或倍频相加的振动特征，如f1
±
f2、2f1
±
f2、f1
±
2f2等；当发动机处于高低压转子组合振动状态时，判断：发动机稳态工作时是否存在组合频率振动特征，若是，则振动幅值是否超过限制值（以速度为单位进行监控时，一般认为大于10mm/s时）；发动机稳态工作时组合频率振动幅值随发动机工作状态变化是否超过限制值；发动机稳态工作时组合频率振动幅值（相同工作状态）随试车次数增加的幅度是否超过限制值；若上述均为否，则判断发动机当前状态下处于正常模式。
37.高低压转子耦合频率振动是指因高低压转子交互激励而产生的耦合振动，振动特征频率通常是低压激起高压转子模态振动频率，和高压激起低压转子模态振动频率，对应的激振频率可能为高、低压转速差（f2-f1），或高低压转子转速的一半（f1/2、f2/2）等，此激振频率与高低压转子模态频率相同或相近，也可产生较大的振动响应。当发动机处于高低压转子耦合频率振动特征时，判断：发动机稳态工作时是否存在高低压转子耦合频率振动特征，若是，则振动幅值是否超过限制值（以速度为单位进行监控时，一般认为大于10mm/s）；发动机稳态工作时耦合频率振动幅值（相同工作状态）随试车次数增加的幅度是否超过限制值。
38.若上述均为否，则判断发动机当前状态下处于正常模式。
39.如图2所示，主轴承工作振动特征是指主轴承滚子和保持架在自转和公转过程中产生的工作频率，理论公式如下:；。
40.其中：fc为轴承保持架理论工作频率、fb为轴承滚子理论工作频率、f1为轴承外环转速，f2为轴承内环转速，r1为滚子外径，r2为滚子内径，rb为滚子自身半径，rc为保持架半径。
41.由于轴承在工作过程中会出现个别滚子打滑现象，因此轴承工作时保持架和滚子实际工作频率会等于或略小于理论计算值。通常燃气涡轮发动机主轴承仅在出现轴承内外环偏斜角过大、滚子严重打滑、滚子卡滞等异常情况时，才会在整机振动信号监测中出现较明显的轴承工作振动频率。当发动机处于主轴承工作振动时，判断：发动机工作时是否存在主轴承工作振动特征，若是，则振动幅度是否超过限制值；发动机工作时主轴承工作振动特征幅值随发动机工作状态变化和工作时长增加是否超过限制值；若上述均为否，则判断发动机当前状态下处于正常模式。
42.轴承与转子调制频率振动是指高、低压转子转速基频与轴承工作频率耦合后产生的振动特征，如f1
±
fc和f2
±
fc等。通常调制频率成对出现，即f1+fc和f1-fc同时出现。当发动机处于轴承与转子调制频率振动时，判断：发动机工作时是否存在调制频率振动特征，若是，则振动幅值是否超过限制值（以速度为单位进行监控时，一般认为大于10mm/s）；发动机工作时调制频率振动特征随发动机工作状态变化和工作时长增加是否超过限制值；若上述均为否，则判断发动机当前状态下处于正常模式。
43.上述限制值均可以按照实际情况进行调整，振动幅值、振动特征幅值的增加对应的限制值按照经验进行设定。
44.步骤s400，若判断出发动机处于监控模式，则发动机在监控下能够正常开展试验与使用；若判断出发动机处于关注模式，则在振动幅值达到一限制值时，对支点支承结构和游隙进行优化调整，并进行试验验证；若判断出发动机处于告警模式，则判断发动机的各项振动是否存在超过限制值的情况，若存在则暂停发动机的试验与使用，对发动机进行分解检查；若判断出发动机处于严重模式，则判断发动机基频振动幅值和调制频率幅值是否存在增大趋势，频谱是否出现新增异常频率，若是则暂停发动机的试验与使用，对发动机进行分解检查；若判断出发动机处于危险模式，则立刻停止发动机的试验与使用，并对发动机进行分解检查。
45.本技术先根据发动机转子运动状态及构件损伤情况将发动的工作模式分成正常模式、监控模式、关注模式、告警模式、严重模式和危险模式；而后通过实时采集不同工作状态下发动机的高低压转子的振动频率特征、振动幅值以及发动机的振动总量来确定发动机的振动类型，再根据振动类型判断当前状态下发动机所处的工作模式，通过判断出发动机当前所处的工作模式，从而能够采取不同的手段来监控和处理当前的发动机，使得发动机在发生故障之前即可得到及时处理，具有及时和准确的特点。
46.与现有的只监视高、低压转子转速基频的振动监控方法相比，给出的监视和预判方法更加系统全面，也更为精细，解决以往仅通过监控高、低压转子转速振动基频或总量幅值，带来的无法及时识别和预判发动机工作异常的问题，通过对整机振动特性变化全面的监控和深入的分析，及时识别发动机工作的异常信号和准确预判构件出现的轻微或先期损伤，从而解决整机振动监控无法及时准确判断整机构件工作异常或故障征兆的问题。本专利提出了振动频谱以及振动特征频率的监控方法，建立根据整机振动表现判断发动机转子系统工作状态以及构件损伤情况的预警体系，能够在发现发动机转子系统出现异常时，及
时识别故障特征，采取相应处置手段，避免发动机构件严重损伤，保证发动机安全。
47.最后应说明的几点是：首先，在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变，则相对位置关系可能发生改变；其次：本发明公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计，在不冲突情况下，本发明同一实施例及不同实施例可以相互组合；最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种航空发动机振动特征变化与构件损伤监视和预判方法，其特征在于，包括：根据发动机转子运动状态及构件损伤情况从低至高将发动机的工作模式分成正常模式、监控模式、关注模式、告警模式、严重模式和危险模式；实时采集不同工作状态下发动机的高低压转子的振动频率特征和振动幅值，并确定发动机的振动总量；根据发动机的振动频率特征确定不同工作状态下发动机的振动类型，而后当发动机处于高低压转子转速基频振动状态时，判断：发动机稳态工作时基频振动幅值是否超过限制值；发动机稳态工作时基频振动幅值是否存在突增突降；发动机稳态工作时基频振动幅值随试车次数增加的幅度是否超过限制值；发动机过渡态工作时的基频振动幅值是否超过限制值；若上述均为否，则判断发动机当前状态下处于正常模式；当发动机处于高低压转子转速倍频振动状态时，判断：发动机稳态工作时是否存在转速倍频振动特征，若是，则判断振动幅值是否超过限制值；发动机工作时的倍频振动幅值随发动机工作状态变化是否超过限制值；发动机稳定工作时基频振动幅值随试车次数增加的幅度是否超过限制值；若上述均为否，则判断发动机当前状态下处于正常模式；当发动机处于高低压转子组合振动状态时，判断：发动机稳态工作时是否存在组合频率振动特征，若是，则判断振动幅值是否超过限制值；发动机稳态工作时组合频率振动幅值随发动机工作状态变化是否超过限制值；发动机稳态工作时组合频率振动幅值随试车次数增加的幅度是否超过限制值；若上述均为否，则判断发动机当前状态下处于正常模式；当发动机处于高低压转子耦合频率振动特征时，判断：发动机稳态工作时是否存在高低压转子耦合频率振动特征，若是，则判断振动幅值是否超过限制值；发动机稳态工作时耦合频率振动幅值随试车次数增加的幅度是否超过限制值；若上述均为否，则判断发动机当前状态下处于正常模式；当发动机处于主轴承工作振动时，判断：发动机工作时是否存在主轴承工作振动特征，若是，则判断振动幅度是否超过限制值；发动机工作时主轴承工作振动特征幅值随发动机工作状态变化和工作时长增加是否超过限制值；若上述均为否，则判断发动机当前状态下处于正常模式；当发动机处于轴承与转子调制频率振动时，判断：发动机工作时是否存在调制频率振动特征，若是，则判断振动幅值是否超过限制值；发动机工作时调制频率振动特征随发动机工作状态变化和工作时长增加是否超过限制值；若上述均为否，则判断发动机当前状态下处于正常模式；
若存在一项为是，则根据当前状态下的振动频率与振动幅值的具体数值判断发动机处于的工作模式；若判断出发动机处于监控模式，则发动机在监控下能够正常开展试验与使用；若判断出发动机处于关注模式，则在振动幅值达到一限制值时，对支点支承结构和游隙进行优化调整，并进行试验验证；若判断出发动机处于告警模式，则判断发动机的各项振动是否存在超过限制值的情况，若存在则暂停发动机的试验与使用，对发动机进行分解检查；若判断出发动机处于严重模式，则判断发动机基频振动幅值和调制频率幅值是否存在增大趋势，频谱是否出现新增异常频率，若是则暂停发动机的试验与使用，对发动机进行分解检查；若判断出发动机处于危险模式，则立刻停止发动机的试验与使用，并对发动机进行分解检查。2.如权利要求1所述的航空发动机振动特征变化与构件损伤监视和预判方法，其特征在于：所述发动机的振动类型包括高低压转子转速基频振动、高低压转子转速倍频振动、高低压转子转速组合频率振动、高低压转子转速耦合频率振动、主轴承工作振动和轴承与转子调制频率振动。3.如权利要求1所述的航空发动机振动特征变化与构件损伤监视和预判方法，其特征在于，发动机处于监控模式的判断标准为：各振动测点的振动频谱中仅存在高低压转子转速基频振动频率，且高低压转子转速基频振动幅值小于限制值；振动幅值与转速在稳态转速下存在突增突降；发动机处于关注模式下的判断标准为：各振动测点在高低压转子转速基频振动幅值未超过限制值，但在整机振动频率中存在高低压转子转速倍频振动特征；发动机处于告警模式下的判断标准为：1）各振动测点的振动频谱中仅存在高低压转子转速基频振动频率，转速基频振动幅值超过限制值，基频振动幅值在稳态转速下存在突增突降；2）各振动测点的振动频谱中存在高低压转子转速基频振动频率，且振动频谱中存在低压转子激起高压转子模态振动特征或高压转子激起低压转子模态振动特征，同时伴有高低压转子基频与模态频率的组合频率特征；上述判断标准中存在任意一项则认为发动机处于告警模式；发动机处于严重模式的判断标准为：各振动测点的振动频谱中存在高低压转子转速基频振动频率，并且振动频谱中出现小于设定阈值的高低压转子基频与轴承工作频率的调整频率；各振动测点的振动频谱中存在高低压转子转速基频振动频率，并且振动频谱在高转速区出现小于设定阈值的高低压转子的转速组合频率；上述判断标准中存在任意一项则认为发动机处于告严重模式；发动机处于危险模式的判断标准为：在振动频谱中出现幅值大于设定阈值的高低压转子转速基频与轴承工作频率的调制频率，且随着试验时数增加，轴承工作频率逐渐升高到高低压转速差的一半，并同步出现高低压组合频率。4.如权利要求3所述的航空发动机振动特征变化与构件损伤监视和预判方法，其特征
在于：所述设定阈值为10mm/s，对所述支点支承结构和游隙进行优化调整的振动幅值的限制值为10mm/s。

技术总结
本申请属于航空发动机监控领域，为一种航空发动机振动特征变化与构件损伤监视和预判方法，根据发动机转子运动状态及构件损伤情况将发动的工作模式分成正常模式、监控模式、关注模式、告警模式、严重模式和危险模式；而后通过实时采集不同工作状态下发动机的高低压转子的振动频率特征、振动幅值以及发动机的振动总量来确定发动机的振动类型，再根据振动类型判断当前状态下发动机所处的工作模式，通过判断出发动机当前所处的工作模式，从而能够采取不同的手段来监控和处理当前的发动机，使得发动机在发生故障之前即可得到及时处理。能够有效发现发动机转子系统出现异常时，采取相应处置手段，避免发动机构件严重损伤，保证发动机安全。安全。安全。


技术研发人员：王东 程荣辉 洪杰 王楚君 田静 马艳红 吴元东
受保护的技术使用者：中国航发沈阳发动机研究所
技术研发日：2023.09.12
技术公布日：2023/10/20