声学百科引起发动机振动的4大原因及3大振动消除方法介绍

发动机振动是衡量发动机工作质量的一个重要标志。振动过大会加速机件的疲劳破坏,降低发动机工作寿命。发动机振动传给飞行器,会使乘员易于疲劳并有不舒适感,同时影响仪表的精度和指示,有时还造成结构和仪器的损坏。因此,对于每一种发动机的振动大小都有严格的规定。
燃气涡轮发动机的振动主要来自转子(即压气机和涡轮转子)、燃烧室和传动机匣。引起振动的原因有:
①转子不平衡:高速旋转时转子不平衡产生的离心力将激起垂直于转轴的横向振动,其频率等于转子的转速。它是发动机振动的主要来源。
②转子共振:当转子转速达到某一定值,转子不平衡引起的强迫振动频率会与转子的固有频率相耦合,这时会出现强烈的振动,振动中转轴有较大的位移和弯曲,严重时会使转子擦伤机匣和碰坏叶片等。出现强烈振动的转速称为临界转速。
③气流不稳定和脉动:压气机的喘振和燃烧室内的不稳定燃烧会引起整机的低频纵向振动。外界不稳定气流的进入,或是进气通路中的支柱、叶片等都会使气流产生脉动,从而激起发动机横向振动或局部振动。
④传动机匣中由齿轮传动啮合不平稳产生的振动。
减小转子引起振动的主要措施是在发动机生产过程中对转子进行仔细的平衡(静平衡和动平衡),以消除转子运转时产生的不平衡力和力矩,同时可调整转子刚性或采用弹性支承使临界转速高于或低于发动机工作转速。对于高转速的柔性转子(工作转速高于临界转速)可采用本机平衡方法,使转子在发动机工作状态下进行平衡调整。当转子振动时还可使用挤压油膜阻尼器减震。转轴带动阻尼器轴颈挤压滑油,使油压提高,产生阻尼效应以减小转子的振动。
液体火箭发动机振动
正常工作状态下,振动具有宽频带随机性,其中能量集中在几百赫到几千赫(加速度从几十到几百个g)的范围内。当出现窄频带随机振动或近似单频正弦振动时,容易引起结构破坏,表明发动机设计质量较差。液体火箭发动机的振动与设计特点和工作参数有关。一般说来,大发动机比小发动机振动严重。振动的激励源主要是推力室和涡轮泵,其中推力室对整机振动影响最大。推力室的燃烧不稳定性以及结构的共振会使发动机振动大大加剧。采用适当的减振措施,如推力室设置隔板或声腔(见火箭发动机燃烧不稳定性)、系统中设置液体阻容装置或者调整结构的固有振动特性(见纵向耦合振动),都有可能把发动机的振动值控制在允许的范围内。涡轮泵转子采用柔轴时,在某种条件下会出现强烈振动,这时转子除以工作转速自转外,还会以一定的转速绕轴承中心线进动。轴系进动时挠度相当大,容易使转子密封件损伤、齿轮磨损或轴承破坏,这种现象称为次同步共振。提高轴系的临界转速、减小结构内阻、避免干摩擦、选用弹性轴承座和改进密封设计等措施,可以有效地把发生次同步共振的转速排除在工作转速之外。
固体火箭发动机振动
主要由燃烧室中药柱燃烧不稳定性引起。燃烧不稳定性与推进剂能量释放率、氧化剂颗粒的平均直径、推进剂的配方和混合的均匀性以及药柱的几何形状等有关。燃烧不稳定性引起燃烧室压力振荡,频率常在几十赫至几千赫。它不仅会改变和降低发动机性能,而且会导致发动机壳体振动,影响火箭本体其他部件的正常工作,尤其是低频燃烧不稳定性的影响更大,在极端情况下会引起发动机爆炸。
发动机振动的消除
我单位的两台CAT950B型装载机,在检修完发动机的连杆瓦后重新启动时,发动机振动严重。其中一台出现了空气滤清器和消声器被振掉、减振块被振裂的严重情况。
该机型配置的是CAT3304型发动机,由于只有4个缸,为了平衡曲柄连杆机构因作功间隔大而产生的惯性力,设置了双平衡装置。要求装配时,必须严格保证正时齿轮和平衡曲轴齿轮的所有记号一一对准。只有这样才能使发动机惯性力平衡。保证发动机的平稳运转。根据该机结构和修理过程判断,故障是由发动机曲柄连杆机构惯性力失衡造成的。即在检修时,拆掉了机油泵,而装配时没有打开正时齿轮室盖去逐一对记号(无法看到记号)就装回了,结果导致双平衡轴不起平衡作用,引起了发动机振动。
机油泵齿轮是曲轴齿轮和平衡轴齿轮之间的中间齿轮。打开正时齿轮室盖后,在对准正时齿轮和平衡轴齿轮的记号装配后,试机表时,问题已解决。但如果仅为了检查曲轴瓦或机油泵就要拆掉正时齿轮室盖、再对记号,工作量实在太大。我们摸索了一简单的办法,现介绍如下:
(1) 找I缸的压缩上止点:将正时螺栓插入飞轮壳上的孔中,压向飞轮。逆时针转动曲轴,直到正时螺栓插入飞轮上的孔中,压向飞轮。逆时针转动曲轴,直到正时螺栓插入飞轮上的孔中,停止转动。卸下气门罩盖,查看I缸的两个气门,如果I缸活塞处于压缩行程的上止点位置,则两个气门都应该关闭,此时用手可以上下扳动摇臂。如果扳不动摇臂,则从飞轮上卸下正时螺栓,逆时针转动曲轴3600。并装上正时螺栓,此时为I缸压缩行程的上止点(如果正时螺栓插入飞轮后,卸下高压油泵的正时盖,能够将正时销插入喷油泵凸轮槽中,也可以断定此时I缸处于压缩行程的上止点)。
(2) 在发动机曲轴箱的底部,中间一道大瓦的两边各有一螺栓孔,用手转动平衡轴,当轴上的凹面部分对准螺栓孔时就拧入螺栓,以抵住平衡轴的凹面,使平衡轴不能转动。
(3) 将曲轴、平衡轴都定位后,再装上机油泵,无需对正记号。最后,拆掉使平衡轴定位的螺栓即可。
通过这样装配后,两台发动机都运转平稳,振动被消除了。

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