紀(jì)福森，翟賢超

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機(jī)設(shè)計研究所，沈陽110015）

某壓氣機(jī)試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子平衡精度分析

紀(jì)福森，翟賢超

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機(jī)設(shè)計研究所，沈陽110015）

航空發(fā)動機(jī)及其轉(zhuǎn)動部件運(yùn)行的平穩(wěn)性與轉(zhuǎn)動件的平衡品質(zhì)密切相關(guān)。為保證壓氣機(jī)試驗(yàn)件可靠運(yùn)行，分析了壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子靜平衡、初始動平衡、最終動平衡允許剩余不平衡量控制方法，以及最終動不平衡量的分配方法，并針對某壓氣機(jī)試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子，通過采取零件靜平衡、組件初始動平衡、轉(zhuǎn)子最終低速動平衡的分步平衡方法，保證了該試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子的平衡品質(zhì)。試驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果表明：采取分步平衡精度控制方法，試驗(yàn)件運(yùn)行平穩(wěn)、振動水平低。

靜平衡；動平衡；平衡品質(zhì)；壓氣機(jī)；半撓性轉(zhuǎn)子

0　引言

振動問題是航空發(fā)動機(jī)研制中的1個難題，發(fā)動機(jī)及其部件試驗(yàn)件的振動始終伴隨并困擾著其研制進(jìn)程，有時甚至?xí)?yán)重阻礙研制工作。引起振動的因素很多，包括設(shè)計、生產(chǎn)、裝配、轉(zhuǎn)子不平衡量等。工程實(shí)踐表明，不論是航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，還是壓氣機(jī)、渦輪等轉(zhuǎn)動部件試驗(yàn)件，它們的運(yùn)行平穩(wěn)性均與轉(zhuǎn)子的平衡品質(zhì)關(guān)系密切。

設(shè)計手冊［1］、國家標(biāo)準(zhǔn)［2-4］、機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［6］對轉(zhuǎn)子的平衡方法、平衡品質(zhì)進(jìn)行了規(guī)范，本文從設(shè)計角度出發(fā)，進(jìn)一步分析轉(zhuǎn)子靜平衡、初始動平衡、最終動平衡平衡精度控制方法，以及平衡修正面確定的一般方法，并以某壓氣機(jī)試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子為例進(jìn)行工程應(yīng)用研究。

1　壓氣機(jī)試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子平衡控制

壓氣機(jī)試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子多為半撓性轉(zhuǎn)子，其設(shè)計轉(zhuǎn)速通常高于第1階臨界轉(zhuǎn)速而低于第2階臨界轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速計算值見表1。

表1　壓氣機(jī)試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速計算值r/min

工程上一般將半撓性轉(zhuǎn)子作為準(zhǔn)剛性轉(zhuǎn)子，參照剛性轉(zhuǎn)子進(jìn)行低速動平衡。多采用分步平衡的方法控制壓氣機(jī)試驗(yàn)件平衡精度，各級輪盤或葉盤零件通過去除實(shí)體材料的方法修正靜不平衡量，檢查并記錄其他零件靜不平衡量，通過調(diào)整葉片裝配位置進(jìn)行盤片組合件靜平衡，對壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子組合件進(jìn)行初始動平衡檢查，對轉(zhuǎn)子最終作動平衡時，通過在修正面上加裝平衡配重的方法來修正殘余不平衡量，動平衡精度一般采用ISO1940推薦的G1級平衡精度要求。

1.1靜不平衡量的控制

靜不平衡是中心主慣性軸僅平行偏離于軸線的不平衡狀態(tài)［5］。靜不平衡量一般由重心平面上的1個校正量予以校正。對于壓氣機(jī)輪盤、整體葉盤、鼓筒軸、軸頸、葉片和輪盤裝配組件等零組件，當(dāng)其直徑與長度的比值≥5時，一般采用靜平衡方法進(jìn)行修正。但如何控制靜不平衡量一直沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

機(jī)械工業(yè)部關(guān)于汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)零部件靜平衡標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：通常汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)零部件在工作轉(zhuǎn)速下的剩余靜不平衡質(zhì)量所產(chǎn)生的離心力不超過其質(zhì)量的5%［6］，即

工程上也有根據(jù)剛性轉(zhuǎn)子允許剩余動不平衡量來控制零件靜不平衡量的，即

式中：GRA為允許剩余靜不平衡質(zhì)量，g；G'RA為允許剩余靜不平衡量，g·mm；W為質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m/s2；n為旋轉(zhuǎn)速度，r/min；Ve為平衡精度，mm/s，一般選為1～2.5；r為平衡半徑，m。

由量綱分析可知，式（1）、（2）的物理本質(zhì)相同，但式（1）引入了平衡半徑。

根據(jù)式（1）、（2）的計算結(jié)果得出靜不平衡量的控制值的基礎(chǔ)，同時考慮具體結(jié)構(gòu)的靜平衡可修正量、靜平衡工藝特點(diǎn)以及經(jīng)濟(jì)性等因素確定靜不平衡量的控制值。

1.2初始動不平衡量控制

為了保證轉(zhuǎn)子的最終不平衡品質(zhì)，對完成初始裝配的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子組合件進(jìn)行不平衡量檢查，一般要求初始剩余不平衡量按G2.5精度進(jìn)行控制，若滿足要求則進(jìn)行最終動平衡，若不滿足要求可調(diào)整零件的角向位置進(jìn)行再裝配。轉(zhuǎn)子組合件初始動不平衡量的控制精度與各零件靜不平衡量的控制精度相關(guān)。

1.3最終不平衡量控制

工程上多根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定轉(zhuǎn)子允許的剩余不平衡量并分配至各平衡面，但較科學(xué)的方法是用軸承的單位承壓大小來衡量動平衡品質(zhì)，并要求在各平衡面上產(chǎn)生的軸承力不能超過剩余不平衡力位于轉(zhuǎn)子重心產(chǎn)生的軸承力。

圖1　簡支支撐轉(zhuǎn)子

簡支支撐轉(zhuǎn)子如圖1所示。按G1級平衡精度，允許剩余不平衡量為

式中：UPER為允許剩余動不平衡量；c為重心位置到前軸承距離；l為軸承間距；a為校正面1到前軸承的距離；b為校正面2到前軸承的距離；并規(guī)定0.4≤R≤2.5；k=l-c，若，取k=0.33c；UP1、UP2分別為校正面1、2許用剩余動不平衡量。

最終，取式（4）、（5）計算的最小值為UP1，這樣UP2=UPER-UP1。

1.4不平衡修正平面的確定

對于剛性轉(zhuǎn)子，不平衡修正平面數(shù)量為2；對于撓性轉(zhuǎn)子，一般不平衡修正平面數(shù)量為工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)臨界轉(zhuǎn)速數(shù)+2。

不平衡修正面應(yīng)位于轉(zhuǎn)子重心的兩側(cè)，并靠近前、后支點(diǎn)軸承位置，以使轉(zhuǎn)子在平衡時所需的校正量小，即配重的效果好。

2　某壓氣機(jī)試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子平衡精度控制

該壓氣機(jī)試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子為雙支點(diǎn)簡支支撐結(jié)構(gòu)，前支點(diǎn)為滾珠軸承，后支點(diǎn)為滾棒軸承，各級采用葉盤結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子質(zhì)量為63.96 kg，設(shè)計轉(zhuǎn)速為11346 r/min，計算第1、2階臨界轉(zhuǎn)速分別為4273～5705和12735～13045 r/min，試驗(yàn)件前、后支點(diǎn)間距為1151 mm，重心距前支點(diǎn)354.7 mm。

2.1各級葉盤許用靜不平衡量

各級整體葉盤采用不同的靜平衡控制方法允許的剩余靜不平衡量以及硬件實(shí)際剩余靜不平衡量見表2。考慮靜不平衡可修正量，以及工藝性、經(jīng)濟(jì)性因素，該試驗(yàn)件各級整體葉盤的靜平衡品質(zhì)參照剛性轉(zhuǎn)子允許剩余動不平衡量控制，平衡精度按Ve=2.0 mm/s。因航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子類零件質(zhì)量較輕，按汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)零部件靜平衡標(biāo)準(zhǔn)（JB3329-83）確定的許用剩余靜不平衡量要求高，工藝難度大，所以該方法應(yīng)用在航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動件上存在一定限制。

表2　各級整體葉盤許用剩余靜不平衡量g·mm

2.2初始動不平衡量精度

考慮到該試驗(yàn)件壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量、剛度分布均勻，轉(zhuǎn)子不平衡穩(wěn)定性好，加之轉(zhuǎn)子各零件止口為過盈配合，不宜反復(fù)拆裝，故該試驗(yàn)件壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子未按理論要求嚴(yán)格控制初始動不平衡剩余量，僅根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行要求。

2.3動不平衡修正平面的確定

根據(jù)該試驗(yàn)件的結(jié)構(gòu)及動力學(xué)特點(diǎn)，在靠近前、后支點(diǎn)軸承位置各設(shè)置1個動不平衡修正平面，并在重心后面與第1修正平面近似對稱位置設(shè)置第3個不平衡修正平面。

2.4最終動平衡精度

該試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子平衡系統(tǒng)如圖2所示。根據(jù)式（3）～（5）計算允許剩余動不平衡量，并分配至各平衡修正面，最終剩余動不平衡量見表3。

圖2　某壓氣機(jī)試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子平衡系統(tǒng)

表3　各修正平面最終剩余動不平衡量g·mm

2.5振動監(jiān)測

在試驗(yàn)過程中監(jiān)測了試驗(yàn)件前、后支點(diǎn)附近垂直與水平振動，結(jié)果如圖3所示。振動監(jiān)測結(jié)果表明，該試驗(yàn)件振動水平低。

圖3　試驗(yàn)件振動監(jiān)測結(jié)果

3　結(jié)論

（1）試驗(yàn)結(jié)果表明，采用本文所述的分步平衡及其平衡精度控制方法對壓氣機(jī)試驗(yàn)件準(zhǔn)剛性轉(zhuǎn)子進(jìn)行平衡是可行的，該壓氣機(jī)試驗(yàn)件試驗(yàn)運(yùn)行平穩(wěn)，振動小。

（2）對于榫連結(jié)構(gòu)葉片、輪盤，裝配前應(yīng)按葉片質(zhì)量或靜力矩大小合理排布，以保證葉片與輪盤裝配組件剩余靜不平衡量在許用范圍內(nèi)；對于原始不平衡量難以控制的轉(zhuǎn)軸，應(yīng)單獨(dú)測定不平衡量，并視情校正。

（3）動不平衡量修正最好采用增加平衡配重的方法，盡量避免采用去材料方法。設(shè)計時還需考慮動平衡品質(zhì)允許的誤差。

［1］航空發(fā)動機(jī)設(shè)計手冊總編委會.航空發(fā)動機(jī)設(shè)計手冊第8冊：壓氣機(jī)［M］.北京：航空工業(yè)出版社.2000：278-282. Editorial Board of Design Manual of Aeroengine.Design manual of aeroengine（8th album）：compressor［M］.Beijing：Aviation Industry Press，2000：278-282.（in Chinese）

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［3］中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T 9239.1-2006恒態(tài)（剛性）轉(zhuǎn)子平衡品質(zhì)要求（第1部分：規(guī)范與平衡允差的檢驗(yàn)）［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)化出版社，2006：1-23. Standardization Administration of China（SAC）.GB/T 9239.1-2006 Mechanical vibration-balance quality requirement of rigid rotor（part1：specifcation and verification of balance tolerances）［S］.Beijing：China Standardization Press，2006：1-23.（in Chinese）

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（編輯：趙明菁）

Analysis of Balance Precision for a Compressor Test Rig

JI Fu-sen，ZHAI Xian-chao
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute，Shenyang 110015，China）

Stationarity of aeroengine and its rotor components have relations with the rotor balance quality.For the compressor test article reliable operation，permission unbalance value for static balance，initial dynamic balance and final dynamic balance of compressor rotor were analyzed，and distributing method of final dynamic unbalance was introduced.For a compressor test article rotor，the balance precision was controlled by substep balance method，including static balance of parts，initial dynamic balance of compressor rotor assemble and final low speed dynamic balance of test article rotor.Result shows that substep balance method is effective for compressor test article rotor，the test article worked well，the vibration value is small.

static balance；dynamic balance；balance quality；compressor；half-flexible rotor

V 263.2

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.01.018

2015-04-10基金項(xiàng)目：國家重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目資助

紀(jì)福森（1981），男，高級工程師，從事壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計工作；E-mail：jifusen@126.com。

引用格式：紀(jì)福森，翟賢超.某壓氣機(jī)試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子平衡精度分析［J］.航空發(fā)動機(jī)，2016，42（1）：88-91.JI Fusen，ZHAI Xianchao.Analysis of balance precision for a compressor testrig［J］.Aeroengine，2016，42（1）：88-91.