吳元東，婁金偉，范順昌，姜廣義

（1.中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽(yáng)110015；2.駐沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)公司軍事代表室，沈陽(yáng)110043）

0 引言

振動(dòng)抑制是航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò)程中的重要考核目標(biāo)，發(fā)動(dòng)機(jī)出廠檢驗(yàn)試車(chē)要求的振動(dòng)水平比工廠內(nèi)試車(chē)嚴(yán)格，振動(dòng)超過(guò)限制值的發(fā)動(dòng)機(jī)不允許出廠試飛。對(duì)某軍用高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)問(wèn)題分析表明，在諸多因素中，轉(zhuǎn)子不平衡量過(guò)大是導(dǎo)致振動(dòng)超限的主要原因之一。轉(zhuǎn)子平衡技術(shù)（特別是轉(zhuǎn)子在整機(jī)裝配之前的動(dòng)平衡）是抑制振動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，但目前由于受客觀條件所限，平衡轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)低于發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作轉(zhuǎn)速，平衡不帶葉片，而實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)帶有葉片，且受到流體載荷和溫度影響，試驗(yàn)室條件下的轉(zhuǎn)子平衡無(wú)法保證平衡品質(zhì)[1-6]。本機(jī)平衡是發(fā)動(dòng)機(jī)在整機(jī)狀態(tài)下，對(duì)其轉(zhuǎn)子本身進(jìn)行的動(dòng)平衡，平衡轉(zhuǎn)速即為工作轉(zhuǎn)速，平衡結(jié)果直接決定實(shí)際振動(dòng)大小，該方法已被民機(jī)所采用，但受結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的限制，在軍機(jī)上難以應(yīng)用[7]。本機(jī)平衡對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)抑制具有重要意義，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制中的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是其結(jié)構(gòu)完整性研究中極其重要的內(nèi)容[8]。

某型軍用小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)在試車(chē)時(shí)，低壓風(fēng)扇轉(zhuǎn)子基頻的振動(dòng)超標(biāo)，不符合出廠檢驗(yàn)試車(chē)標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)法出廠裝機(jī)。本文介紹了利用三圓法對(duì)其低壓轉(zhuǎn)子風(fēng)扇進(jìn)行本機(jī)平衡的整個(gè)過(guò)程，平衡之后振動(dòng)值大幅度降低，符合出廠標(biāo)準(zhǔn)。

1 本機(jī)平衡基本方法

目前本機(jī)平衡常用相位分析法和三圓法[9～13]。

相位分析法要求測(cè)量振動(dòng)的同時(shí)測(cè)量轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的相位信號(hào)。通常是在轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)中增加1個(gè)奇異脈沖，該脈沖對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子的某個(gè)相位，再找到振動(dòng)時(shí)域信號(hào)中的峰值相位，根據(jù)差值，便可確定轉(zhuǎn)子初始不平衡量的相位，配重質(zhì)量由初始振動(dòng)大小決定。該型發(fā)動(dòng)機(jī)不具備輸出轉(zhuǎn)子相位信號(hào)的條件，所以采用三圓法進(jìn)行平衡試重。

三圓法只要求記錄平衡面振動(dòng)幅值。在發(fā)動(dòng)機(jī)原始狀態(tài)下測(cè)量轉(zhuǎn)子的振動(dòng)響應(yīng)，假定其初始振動(dòng)的振幅為X0，以X0為半徑，以O(shè)點(diǎn)為圓心作圖，并將該圓分為3等分，標(biāo)出圓周上的等分點(diǎn)A、B和C，如圖1所示。

圖1 三圓法繪圖方法

在轉(zhuǎn)子校正面上3等分校正圓的0°、120°、240°位置上分別安放1個(gè)已知配重m（假定校正圓的半徑不變），依次測(cè)得相應(yīng)的振動(dòng)響應(yīng)幅值為XA、XB和XC，以XA、XB和XC為半徑畫(huà)圓，3個(gè)圓交于P點(diǎn)，從圖上量出OP的數(shù)值，可得平衡校正量me

從圖上沿轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向量出OA和OP的夾角，然后從轉(zhuǎn)子上安放試驗(yàn)配重的0°位置開(kāi)始順著轉(zhuǎn)動(dòng)方向量出α。于是，m的安放位置即在校正圓上由α角所確定方位的E點(diǎn)。

理論上以XA、XB和XC為半徑畫(huà)圓，3個(gè)圓會(huì)交于1點(diǎn)P，但實(shí)際情況由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及測(cè)量誤差，3個(gè)圓往往不交于1點(diǎn)?？煞?類(lèi)討論，1是3圓圍成1個(gè)公共區(qū)域（如圖2所示），這時(shí)用3圓交點(diǎn)確定的Δabc的形心（中線(xiàn)交點(diǎn)）作為P點(diǎn)。

另1種3圓沒(méi)有公共區(qū)域，如圖3所示，這幾種情況發(fā)生的概率較小。一旦出現(xiàn)，建議重新檢查振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)、配重質(zhì)量和相位是否準(zhǔn)確，確保精度，然后重新進(jìn)行配重試驗(yàn)。如果現(xiàn)象重復(fù)出現(xiàn)，說(shuō)明不平衡量不是引起振動(dòng)的主要因素，若繼續(xù)進(jìn)行配重，效果會(huì)不理想，建議不再繼續(xù)進(jìn)行本機(jī)平衡，考慮其他方法解決。

圖2 P點(diǎn)常見(jiàn)的確定方式

圖3 無(wú)法確定P點(diǎn)的情況

2 發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)表現(xiàn)

本臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)測(cè)試方案如圖4所示。共有 A1、A13、V2、V3、A4、V56個(gè)測(cè)點(diǎn)，分布在3個(gè)振動(dòng)測(cè) 試 面 （A-A、B-B 和C-C），分別在進(jìn)氣機(jī)匣、中介機(jī)匣和渦輪后機(jī)匣，此3個(gè)機(jī)匣均為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的承力機(jī)匣，各測(cè)點(diǎn)測(cè)試參數(shù)見(jiàn)表1。本次本機(jī)平衡針對(duì)A-A截面，A-A截面即為轉(zhuǎn)子矯正面。

圖4 整機(jī)振動(dòng)測(cè)試方案

表1 整機(jī)振動(dòng)測(cè)試參數(shù)

在試車(chē)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣機(jī)匣跟蹤低壓基頻的水平A1和垂直A132個(gè)測(cè)點(diǎn)，在低壓轉(zhuǎn)速72%附近振動(dòng)超限，A1處最大200μm，A13處最大150μm，均超過(guò)限制值80μm，如圖5所示。

圖5 平衡之前振動(dòng)表現(xiàn)

經(jīng)過(guò)反復(fù)磨合之后，振動(dòng)值仍然沒(méi)有減小。該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣機(jī)匣的振動(dòng)表現(xiàn)是典型的低壓轉(zhuǎn)子過(guò)臨界特征[14]，懷疑引起過(guò)臨界振動(dòng)超限的主要原因是風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的初始?xì)堄嗖黄胶饬窟^(guò)大。

3 試重方案、準(zhǔn)備及實(shí)施

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，選擇風(fēng)扇轉(zhuǎn)子前支點(diǎn)軸承內(nèi)部的分油盤(pán)，在分油盤(pán)上添加2個(gè)配重螺釘，如圖6所示。配重質(zhì)量為23 g，質(zhì)心半徑為43 mm，等效不平衡量為 1000 g·mm。

在試車(chē)臺(tái)架上拆下發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣帽罩等相關(guān)組件，給分油盤(pán)添加配重。首次安裝相位不作要求，標(biāo)記為A狀態(tài)，第2、3次分別依次逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)添加配重位置120°，分別標(biāo)記為B狀態(tài)和C狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)原始狀態(tài)標(biāo)記為N狀態(tài)。3次試重的試車(chē)程序保持一致，如圖7所示。

圖6 試重方案

圖7 試車(chē)程序

分別記錄3次試重進(jìn)氣機(jī)匣2個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)A1和A13在不同轉(zhuǎn)速下的大小，試重結(jié)果振動(dòng)對(duì)比見(jiàn)表2，A1和A13處試重效果如圖8、9所示[15]。

表2 試重結(jié)果振動(dòng)對(duì)比 μm

根據(jù)三圓法的繪圖規(guī)則，繪制各轉(zhuǎn)速下的效果圖，如圖10所示。

圖8 A1測(cè)點(diǎn)試重效果

圖9 A13測(cè)點(diǎn)試重效果

圖10 不同轉(zhuǎn)速下三圓法繪圖結(jié)果

根據(jù)繪圖結(jié)果，匯總各轉(zhuǎn)速下的矯正不平衡量，見(jiàn)表3。

表3 不同轉(zhuǎn)速下的相位和矯正不平衡量

不同轉(zhuǎn)速下繪圖結(jié)果有差異，主要原因是不同轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)對(duì)不平衡量敏感程度不一樣，以及N1在接近70%附近，不平衡量引起的振動(dòng)有可能被臨界轉(zhuǎn)速放大，所以暫不考慮臨界轉(zhuǎn)速附近的計(jì)算結(jié)果。在低于臨界轉(zhuǎn)速60%～64%范圍內(nèi)的計(jì)算結(jié)果比較穩(wěn)定，考慮60%、63%和64%3個(gè)轉(zhuǎn)速的矯正不平衡量非常接近，折中選取63%的結(jié)果為參考。

另外，考慮局部振動(dòng)的影響，進(jìn)氣機(jī)匣2個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)轉(zhuǎn)子振動(dòng)的敏感程度不完全一致，發(fā)動(dòng)機(jī)走臺(tái)階程序和慢掃描程序3次，進(jìn)氣機(jī)匣垂直測(cè)點(diǎn)A13均比水平測(cè)點(diǎn)A1的一致性要好，如圖11所示。從圖中可見(jiàn)，A13測(cè)點(diǎn)比A1測(cè)點(diǎn)更能準(zhǔn)確反映轉(zhuǎn)子真實(shí)振動(dòng)情況，所以最終選取垂直測(cè)點(diǎn)A13為參考。

圖11 臺(tái)階和慢掃一致性對(duì)比

4 平衡方案、準(zhǔn)備及實(shí)施

由于試重方案主要考慮現(xiàn)場(chǎng)操作的便利性，選取在靠近風(fēng)扇轉(zhuǎn)子前支點(diǎn)的端面增加配重螺釘，但此方法在發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后并不可靠。所以最終的平衡方案是將發(fā)動(dòng)機(jī)下臺(tái)返廠，分解進(jìn)氣機(jī)匣，在第1級(jí)風(fēng)扇輪盤(pán)前緣螺釘處增加配重。

在輪盤(pán)對(duì)應(yīng)的135°（即C相位向B相位偏15°）位置添加配重，使平衡矯正量約為1800 g·mm，配重完畢，發(fā)動(dòng)機(jī)恢復(fù)裝配。

5 本機(jī)平衡效果

發(fā)動(dòng)機(jī)返回試車(chē)臺(tái)架，驗(yàn)證開(kāi)車(chē)，試車(chē)程序與試重方案一致，進(jìn)氣機(jī)匣振動(dòng)表現(xiàn)良好，在A1測(cè)點(diǎn)不超過(guò)65μm，在A13測(cè)點(diǎn)不超過(guò)50μm，振動(dòng)幅值相對(duì)于平衡之前有大幅度減小，為驗(yàn)證振動(dòng)的穩(wěn)定性，連續(xù)試推了3次，重復(fù)性較好，如圖12所示。

為了更直觀地表現(xiàn)本次本機(jī)平衡的效果，把平衡前后進(jìn)氣機(jī)匣的振動(dòng)數(shù)據(jù)放到同一坐標(biāo)系下對(duì)比，并把橫坐標(biāo)切換為低壓轉(zhuǎn)速N1，如圖13、14所示。

本次平衡是針對(duì)低壓轉(zhuǎn)子的前端——風(fēng)扇轉(zhuǎn)子，平衡之后，低壓轉(zhuǎn)子的后端——低壓渦輪的振動(dòng)也有所改善，如圖15所示。

圖12 本機(jī)平衡之后振動(dòng)表現(xiàn)

圖13 進(jìn)氣機(jī)匣水平A1測(cè)點(diǎn)對(duì)比

圖14 進(jìn)氣機(jī)匣垂直A13測(cè)點(diǎn)對(duì)比

圖15 渦輪后機(jī)匣垂直A4測(cè)點(diǎn)對(duì)比

由于本次平衡針對(duì)低壓轉(zhuǎn)子，平衡之后，高壓轉(zhuǎn)子振動(dòng)的變化具有不可預(yù)測(cè)性，所以把高壓轉(zhuǎn)子的振動(dòng)情況也作了對(duì)比，如圖16所示。從圖中可見(jiàn)，本次平衡之后，高壓轉(zhuǎn)速N2最大值略有增大，但增大幅度非常有限，仍遠(yuǎn)小于限制值?？梢?jiàn)本機(jī)平衡未對(duì)高壓振動(dòng)造成顯著影響。

平衡之后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行出廠檢驗(yàn)試車(chē)，整機(jī)振動(dòng)符合出廠標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)動(dòng)機(jī)順利出廠。

圖16 高壓轉(zhuǎn)子振動(dòng)對(duì)比

6 總結(jié)

（1）本次本機(jī)平衡過(guò)程，采用三圓法現(xiàn)場(chǎng)平衡，能夠有效定位某軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子不平衡量的方位，并給出合理的矯正不平衡量；

（2）對(duì)于三圓法繪圖過(guò)程中出現(xiàn)沒(méi)有公共交集的情況，本文既給出合理的處理方法，又闡述了可能發(fā)生的原因；

（3）矯正不平衡量平衡之后的發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓轉(zhuǎn)子振動(dòng)值大幅度減小，并小于振動(dòng)限制值，平衡結(jié)果有效；

（4）針對(duì)低壓風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的平衡，不僅能有效降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的低壓振動(dòng)，而且對(duì)低壓渦輪的振動(dòng)也有抑制作用；

（5）低壓轉(zhuǎn)子本機(jī)平衡之后，未對(duì)高壓轉(zhuǎn)子振動(dòng)造成顯著影響；

（6）作為試驗(yàn)器的初始動(dòng)平衡的補(bǔ)充，本機(jī)平衡可確保發(fā)動(dòng)機(jī)在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的振動(dòng)不超限，為發(fā)動(dòng)機(jī)安全運(yùn)行提供保證。