王洪明 孫汕民 李希順

摘要：為研究低壓系統(tǒng)振動(dòng)的影響因素，通過(guò)結(jié)構(gòu)平面簡(jiǎn)化和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，分析盤間封嚴(yán)環(huán)不平衡量、盤間封嚴(yán)環(huán)與低壓一級(jí)渦輪盤配合間隙值等因素對(duì)低壓系統(tǒng)振動(dòng)的影響，提出盤間封嚴(yán)環(huán)的不平衡量越大則低壓系統(tǒng)振動(dòng)的可能性越大、盤間封嚴(yán)環(huán)與低壓一級(jí)渦輪盤配合間隙值越大則低壓系統(tǒng)振動(dòng)的可能性越大。因此，控制盤間封嚴(yán)環(huán)不平衡量和盤間封嚴(yán)環(huán)與低壓一級(jí)渦輪盤的配合間隙值是控制低壓系統(tǒng)振動(dòng)的有效措施。

關(guān)鍵詞：低壓渦輪轉(zhuǎn)子部件，低壓系統(tǒng);不平衡量;配合間隙;發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)

中圖分類號(hào)：V231.92文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.19452/j.iss n 1007-5453.2018.08.023

航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為飛機(jī)的重要組成部分，被喻為飛機(jī)的“心臟”[1，2]，其工作中的振動(dòng)問(wèn)題是重要故障之一，影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命和工作效率[1，3]。航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)由四大核心轉(zhuǎn)子部件組成，即高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子部件、低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子部件、高壓渦輪轉(zhuǎn)子部件和低壓渦輪轉(zhuǎn)子部件，轉(zhuǎn)子部件工作過(guò)程中產(chǎn)生不平衡慣性力和慣性力矩，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)主要的激振源，因此，各轉(zhuǎn)子部件的不平衡量控制和穩(wěn)定性尤為重要[1，5～11]。

低壓渦輪轉(zhuǎn)子部件作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，盤間封嚴(yán)環(huán)的不平衡量對(duì)低壓渦輪轉(zhuǎn)子部件不平衡量貢獻(xiàn)較大。盤間封嚴(yán)環(huán)與低壓一級(jí)渦輪盤的配合關(guān)系影響低壓渦輪轉(zhuǎn)子部件的穩(wěn)定性，當(dāng)配合間隙較大時(shí)，盤間封嚴(yán)環(huán)的活動(dòng)量較大，給旋轉(zhuǎn)的低壓渦輪轉(zhuǎn)子部件帶來(lái)不穩(wěn)定性，影響低壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡。因此，亟待研究盤間封嚴(yán)環(huán)不平衡量、盤間封嚴(yán)環(huán)與低壓渦輪盤配合關(guān)系對(duì)低壓系統(tǒng)振動(dòng)的影響。

1 低壓渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

低壓渦輪轉(zhuǎn)子部件由低壓一級(jí)渦輪盤片組件、低壓二級(jí)渦輪盤片組件、盤間封嚴(yán)環(huán)和低壓渦輪軸等組成，如圖1所示。在裝配時(shí)，低壓一級(jí)渦輪盤片組件、低壓二級(jí)渦輪盤片組件、低壓渦輪軸通過(guò)螺栓連接，盤間封嚴(yán)環(huán)與低壓一級(jí)渦輪盤通過(guò)配合止口和定位銷定位、盤間封嚴(yán)環(huán)與低壓二級(jí)渦輪盤通過(guò)配合止口定位。其中，低壓一級(jí)渦輪盤片組件、低壓二級(jí)渦輪盤片組件、低壓渦輪軸不平衡量較小，低壓渦輪轉(zhuǎn)子部件不平衡量主要由盤間封嚴(yán)環(huán)貢獻(xiàn)。

2 盤間封嚴(yán)環(huán)不平衡量對(duì)低壓系統(tǒng)振動(dòng)影響分析

2.1 理論分析

低壓一級(jí)渦輪盤片組件、低壓二級(jí)渦輪盤片組件、低壓渦輪軸不平衡量較小，低壓渦輪轉(zhuǎn)子的不平衡量主要由盤間封嚴(yán)環(huán)不平衡量貢獻(xiàn)，在低壓渦輪轉(zhuǎn)子部件平衡時(shí)，以低壓渦輪軸兩端軸承面作為支點(diǎn)，對(duì)低壓渦輪轉(zhuǎn)子部件進(jìn)行不平衡量檢查，當(dāng)?shù)蛪簻u輪轉(zhuǎn)子部件存在不平衡量時(shí)，通過(guò)調(diào)整低壓二級(jí)渦輪工作葉片的順序使低壓渦輪轉(zhuǎn)子部件達(dá)到平衡狀態(tài)。

可以將低壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡過(guò)程簡(jiǎn)化成如圖2所示模型。

假設(shè)盤間封嚴(yán)環(huán)的不平衡量為P，則：

P=Δm×r（1）式中：Δm為盤間封嚴(yán)環(huán)對(duì)點(diǎn)質(zhì)量差，單位為kg;r為盤間封嚴(yán)環(huán)旋轉(zhuǎn)半徑，單位為m。

假設(shè)盤間封嚴(yán)環(huán)中心到各點(diǎn)的半相等，則說(shuō)明盤間封嚴(yán)環(huán)質(zhì)量不均勻，存在質(zhì)量差Δm，當(dāng)?shù)蛪簻u輪轉(zhuǎn)子部件旋轉(zhuǎn)時(shí)，所受到的離心力為：

F=Δm×ω²×r（2）式中：F為盤間封嚴(yán)環(huán)離心力，單位為N;w為盤間封嚴(yán)環(huán)旋轉(zhuǎn)角速度，單位為rad/s。

當(dāng)通過(guò)調(diào)整低壓二級(jí)渦輪葉片使低壓渦輪轉(zhuǎn)子部件達(dá)到力的平衡時(shí)，低壓二級(jí)渦輪盤片組件存在一個(gè)不平衡力F'，則：

F=F'

假設(shè)盤間封嚴(yán)環(huán)與低壓二級(jí)渦輪盤片組件之間距離為X，則低壓渦輪轉(zhuǎn)子部件承受的力矩不平衡量為：

M=F×X（3）式中：M為力矩，單位為N·m。

盤間封嚴(yán)環(huán)與低壓二級(jí)渦輪盤片組件之間距離X不變，根據(jù)式（1）～式（3），盤間封嚴(yán)環(huán)不平衡量越大時(shí)，低壓渦輪轉(zhuǎn)子部件的力矩不平衡量越大，對(duì)低壓系統(tǒng)的振動(dòng)越不利。并且發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)低壓渦輪轉(zhuǎn)子部件的角速度大于不平衡量檢查時(shí)低壓渦輪轉(zhuǎn)子部件的角速度，根據(jù)式（2）、式（3），隨著角速度的增大，力矩不平衡量會(huì)增大，對(duì)低壓系統(tǒng)的振動(dòng)越極為不利。

2.2 統(tǒng)計(jì)分析

統(tǒng)計(jì)200臺(tái)次盤間封嚴(yán)環(huán)的不平衡量，分析發(fā)動(dòng)機(jī)的試車表現(xiàn)，低壓分量值是低壓系統(tǒng)振動(dòng)結(jié)果的體現(xiàn)，一般以Y作為分界線，振動(dòng)值在Y以下的認(rèn)為表現(xiàn)良好，振動(dòng)值在Y以上的認(rèn)為表現(xiàn)較差。

將盤間封嚴(yán)環(huán)不平衡量每500g·mm劃分為一個(gè)階段，分析每個(gè)階段中低壓分量在0～Y以及低壓分量在Y以上的比例分布，如圖3所示。

根據(jù)圖3可知，隨著盤間封嚴(yán)環(huán)不平衡量值的增大，試車時(shí)低壓分量在0～Y之間的比例逐漸下降，而低壓分量超過(guò)Y的比例在不斷上升，表明盤間封嚴(yán)環(huán)的不平衡量越大，低壓系統(tǒng)振動(dòng)的可能性越大，因此，控制盤間封嚴(yán)環(huán)不平衡量是控制低壓系統(tǒng)振動(dòng)的有效措施之一。

3 盤間封嚴(yán)環(huán)、低壓渦輪盤配合量對(duì)低壓系統(tǒng)振動(dòng)影響分析

3.1 理論分析

盤間封嚴(yán)環(huán)通過(guò)止口配合與低壓一級(jí)渦輪盤連接，配合量在過(guò)盈0.10～間隙0.12之間，盤間封嚴(yán)環(huán)與低壓二級(jí)渦輪盤之間亦是間隙配合，配合量在間隙0.06～間隙0.24之間，因此，盤間封嚴(yán)環(huán)與低壓一級(jí)渦輪盤配合尺寸關(guān)系到盤間封嚴(yán)環(huán)在低壓渦輪轉(zhuǎn)子部件中的穩(wěn)定性。

當(dāng)盤間封嚴(yán)環(huán)與低壓一級(jí)渦輪盤配合量為間隙時(shí)，低壓一級(jí)渦輪盤與盤間封嚴(yán)環(huán)的理論圓心為口，低壓渦輪轉(zhuǎn)子部件旋轉(zhuǎn)時(shí)，盤間封嚴(yán)環(huán)的幾何圓心由口點(diǎn)移動(dòng)至口，點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)圓心仍然為口點(diǎn)，盤間封嚴(yán)環(huán)做偏心運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生新的不平衡量，如圖4所示。

設(shè)盤間封嚴(yán)環(huán)與低壓一級(jí)渦輪盤的配合為間隙z，則O點(diǎn)到O₁點(diǎn)的直線距離為z/2。設(shè)盤間封嚴(yán)環(huán)的幾何半徑為r，則盤間封嚴(yán)環(huán)旋轉(zhuǎn)半徑為：式中：r₁為短軸半徑，單位為m;r₂為長(zhǎng)軸半徑，單位為m。

設(shè)盤間封嚴(yán)環(huán)的整體質(zhì)量為M，以旋轉(zhuǎn)中心O為原點(diǎn)，在a°時(shí)，d_a的質(zhì)量為：式中：M_1a為短軸側(cè)在a°時(shí)d_a的質(zhì)量，單位為kg;r_1a為短軸側(cè)在a°時(shí)旋轉(zhuǎn)半徑，單位為m。式中：M_2a為長(zhǎng)軸側(cè)在a°時(shí)d_a的質(zhì)量，單位為kg;r_2a為長(zhǎng)軸側(cè)在a°時(shí)旋轉(zhuǎn)半徑，單位為m。

根據(jù)式（4）、式（5）可得：式中：ΔP為不平衡量差值。

將式（4）、式（5）代入式（6）得出：

根據(jù)余弦定理得：

由式（8）、式（9）得：

再根據(jù)：

由式（10）、式（11）得出：

將式（12）代入式（7）得出：

由式（13）可以得出，盤間封嚴(yán)環(huán)與低壓一級(jí)渦輪盤的止口配合間隙越大，由盤間封嚴(yán)環(huán)引起的不平衡量越大，低壓渦輪轉(zhuǎn)子在工作過(guò)程中穩(wěn)定性越差，越易引起發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)問(wèn)題。

3.2 統(tǒng)計(jì)分析

統(tǒng)計(jì)200臺(tái)次盤間封嚴(yán)環(huán)與低壓一級(jí)渦輪盤配合情況，分析發(fā)動(dòng)機(jī)的試車表現(xiàn)，低壓分量值是低壓系統(tǒng)振動(dòng)結(jié)果的體現(xiàn)，一般以Y作為分界線，振動(dòng)值在Y以下的認(rèn)為表現(xiàn)良好，振動(dòng)值在Y以上的認(rèn)為表現(xiàn)較差。

將盤間封嚴(yán)環(huán)不平衡量每0.02mm劃分為一個(gè)階段，分析每個(gè)階段中低壓分量在0～Y以及低壓分量在Y以上的比例分布，如圖5所示。

根據(jù)圖5可知，隨著盤間封嚴(yán)環(huán)與低壓一級(jí)渦輪盤的配合間隙值的增大，試車時(shí)低壓分量在0～Y之間的比例逐漸下降，而低壓分量超過(guò)Y的比例在不斷上升，表明盤間封嚴(yán)環(huán)與低壓一級(jí)渦輪盤的配合的間隙值越大，低壓系統(tǒng)振動(dòng)的可能性越大。當(dāng)盤間封嚴(yán)環(huán)與低壓一級(jí)渦輪盤配合在間隙0.04至過(guò)盈時(shí)，試車時(shí)低壓分量在0～Y之間的比例基本相當(dāng)，因?yàn)槭鼙P間封嚴(yán)環(huán)形位公差影響，盤間封嚴(yán)環(huán)與低壓一級(jí)渦輪盤存在局部過(guò)盈，配合尺寸對(duì)低壓系統(tǒng)振動(dòng)影響不明顯。因此，當(dāng)盤間封嚴(yán)環(huán)與低壓一級(jí)渦輪盤配合間隙在0.04以上時(shí)，控制盤間封嚴(yán)環(huán)與低壓一級(jí)渦輪盤的配合量是控制低壓系統(tǒng)振動(dòng)的有效措施之一。

4 結(jié)論

通過(guò)研究，可以得出以下結(jié)論：

（1）盤間封嚴(yán)環(huán)的不平衡量越大，低壓系統(tǒng)振動(dòng)的可能性越大，控制盤間封嚴(yán)環(huán)不平衡量是控制低壓系統(tǒng)振動(dòng)的有效措施之一。

（2）盤間封嚴(yán)環(huán)與低壓一級(jí)渦輪盤配合在間隙0.04至過(guò)盈時(shí)，試車時(shí)低壓分量在0～Y之間的比例基本相當(dāng)，當(dāng)盤間封嚴(yán)環(huán)與低壓一級(jí)渦輪盤配合間隙在0.04以上時(shí)，控制盤間封嚴(yán)環(huán)與低壓一級(jí)渦輪盤的配合量是控制低壓系統(tǒng)振動(dòng)的有效措施之一。

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