孫貴青 王文宇 楊法立　

摘要：高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪具有轉(zhuǎn)靜子級(jí)數(shù)多、質(zhì)量大等特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)的研制尚處于起步階段，其平衡技術(shù)是發(fā)動(dòng)機(jī)的主要工藝技術(shù)難點(diǎn)之一。本文以PW4000、CFM56-7、V2500-A5、GE90-115B等發(fā)動(dòng)機(jī)為主要研究對(duì)象，運(yùn)用平衡相關(guān)理論和方法，總結(jié)其平衡工裝、平衡技術(shù)、盤軸連接工藝控制等特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求，得出的結(jié)論對(duì)今后發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和裝配工藝實(shí)施具有參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：渦扇發(fā)動(dòng)機(jī);振動(dòng);低壓渦輪;平衡

0 引言

高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)一般用作大型商用飛機(jī)的動(dòng)力，與傳統(tǒng)小涵道比軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)相比，現(xiàn)代大型商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)更多地追求安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性[1]，進(jìn)而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)特性要求較高。轉(zhuǎn)子平衡工藝是降低軸承不均衡負(fù)荷、減小發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)、保障發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作的重要手段，對(duì)滿足高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)壽命、高可靠性、低噪聲等技術(shù)指標(biāo)具有重要意義。高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪級(jí)數(shù)多（3～7級(jí)）[2]、軸向及徑向尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通常需要帶靜子組件進(jìn)行平衡，平衡工藝相對(duì)難度較大。對(duì)于高涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)平衡工藝，國(guó)內(nèi)的研究主要集中在本機(jī)平衡或現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡[3-13]，低壓轉(zhuǎn)子部件平衡仍處于技術(shù)起步或研發(fā)階段[14]，相較歐美等航空發(fā)達(dá)國(guó)家差距較大。

本文針對(duì)PW4000（94in風(fēng)扇）、CFM56-7、V2500-A5、GE90-115B等發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)低壓渦輪平衡工藝分類，進(jìn)行平衡工藝選擇應(yīng)用分析，研究總結(jié)平衡工裝、平衡技術(shù)、盤軸連接工藝，為國(guó)內(nèi)高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)提供重要的技術(shù)參考。

1? 低壓渦輪平衡工藝分類

現(xiàn)代先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)為提高維修性，通常采用單元體設(shè)計(jì)，因此，低壓渦輪平衡組件主要由低渦軸組件和低渦轉(zhuǎn)靜子組件（低渦盤片轉(zhuǎn)子組件）兩部分組成，兩者之間通過(guò)圓柱面定心、短螺栓連接（見(jiàn)圖1）。

相應(yīng)地，低壓渦輪轉(zhuǎn)子組件在平衡工藝上有分體平衡、整體平衡兩種[15]。分體平衡工藝是分別對(duì)低渦軸組件（或低渦軸）和低渦轉(zhuǎn)靜子組件平衡，組裝后不再進(jìn)行平衡;整體平衡工藝是將低渦軸組件和低渦轉(zhuǎn)靜子組件組裝后再進(jìn)行低渦轉(zhuǎn)子組件平衡，如圖2所示。其中，低渦轉(zhuǎn)靜子組件中各級(jí)盤片轉(zhuǎn)子均靜平衡合格，并按照內(nèi)部彎力、彎矩最小原則進(jìn)行相位匹配組裝，每級(jí)組裝后均進(jìn)行盤后端面跳動(dòng)檢查，確保裝配到位。

2? 平衡工藝選擇應(yīng)用分析

通常，整體平衡工藝是對(duì)低渦軸組件與轉(zhuǎn)靜子組件的本身不平衡量以及兩者裝配產(chǎn)生的附加裝配誤差進(jìn)行綜合平衡，平衡效果更好，CFM56-7低壓渦輪采用的是整體平衡工藝，而PW4000（94in風(fēng)扇）、V2500-A5、GE90-115B等發(fā)動(dòng)機(jī)主要采用分體平衡工藝。分析認(rèn)為主要原因如下。

1） 與CFM56-7不同，PW4000（94in風(fēng)扇）、V2500-A5、GE90-115B發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓轉(zhuǎn)子采用了1-0-1二支點(diǎn)支承方案，未采用中介支點(diǎn)，可有效減小高低壓轉(zhuǎn)子間振動(dòng)耦合影響和振動(dòng)變形，對(duì)于低壓渦輪轉(zhuǎn)子不平衡的敏感度要求降低。

2） 與CFM56-7不同，PW4000（94in風(fēng)扇）、V2500-A5、GE90-115B發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪轉(zhuǎn)子后支點(diǎn)均采用了擠壓油膜阻尼器設(shè)計(jì)，可有效抑制不平衡量產(chǎn)生的整機(jī)振動(dòng)響應(yīng)[16]。

3） 高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)受制于風(fēng)扇葉尖速度限制[17]，低壓轉(zhuǎn)速均不高。在振動(dòng)響應(yīng)值不變的情況下，不平衡量與轉(zhuǎn)速平方關(guān)系成反比，因此，低壓轉(zhuǎn)速越低，對(duì)剩余不平衡度的要求越寬松。根據(jù)表1所示，PW4000（94in風(fēng)扇）、GE90-115B發(fā)動(dòng)機(jī)的要求均低于CFM56-7。

4） 高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)低壓轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)有整機(jī)平衡功能及結(jié)構(gòu)，可在整機(jī)試車環(huán)節(jié)進(jìn)一步修正及提高低壓轉(zhuǎn)子平衡精度。

另外，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)平衡工藝性影響較大，以PW4000（94in風(fēng)扇）為例，其低渦轉(zhuǎn)靜子組件前修正面（W面）安裝到低壓渦輪主單元體后，因被前封嚴(yán)蓖齒環(huán)封閉在不可達(dá)空間內(nèi)（見(jiàn)圖3），只能采用分體平衡技術(shù)。之后，在低壓渦輪前蓖齒環(huán)錐壁上改進(jìn)設(shè)計(jì)了配重塊安裝邊（截面AS），可以使分體平衡后的低渦轉(zhuǎn)子組件利用AS修正面、X修正面再次進(jìn)行平衡。其中，X修正面可以使用旋壓（SPIN-ON）配重塊再次修正，由于X修正面與轉(zhuǎn)靜子組件平衡中后修正面一致，這種平衡工藝稱為半整體平衡。如果對(duì)分體平衡后的低渦轉(zhuǎn)子組件利用AS修正面、AT修正面（6級(jí)低渦轉(zhuǎn)子葉片外緣，利用平衡夾修正）再次平衡，可修正低渦盤軸連接產(chǎn)生的附加裝配不平衡量，這種平衡工藝是分體平衡后的整體平衡。半整體平衡、整體平衡為改善低渦轉(zhuǎn)子平衡質(zhì)量提供了更多的技術(shù)選擇方案，但在PW4000實(shí)際生產(chǎn)中不作為強(qiáng)制執(zhí)行工藝，只有當(dāng)分體平衡效果不好時(shí)才使用整體平衡工藝。

又如GE90-115B，其低渦軸受發(fā)動(dòng)機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)限制（見(jiàn)圖4），長(zhǎng)徑比較大，剛性較弱。為了控制工作轉(zhuǎn)速下的撓曲變形，采用低渦軸通風(fēng)管支架組件、低渦軸轉(zhuǎn)接錐段法蘭邊等結(jié)構(gòu)進(jìn)行多面平衡修正。其中，低渦軸內(nèi)部裝有三個(gè)通風(fēng)管支架組件，中間支架組件用于靜平衡修正，前支架組件作為動(dòng)平衡前修正面進(jìn)行修正，低渦軸轉(zhuǎn)接錐段法蘭邊作為動(dòng)平衡后修正面，工藝要求見(jiàn)表2。其他發(fā)動(dòng)機(jī)低渦軸組件缺少不平衡量調(diào)整結(jié)構(gòu)，故只對(duì)低渦軸進(jìn)行去材料動(dòng)平衡，后續(xù)組件不再進(jìn)行平衡。

3? 平衡關(guān)鍵技術(shù)分析

高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪平衡關(guān)鍵技術(shù)主要包括平衡工裝、平衡技術(shù)及盤軸連接工藝。

3.1? 平衡工裝

高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡與其他部位的平衡原理相同，即視為剛性轉(zhuǎn)子采用臥式動(dòng)平衡機(jī)進(jìn)行低速動(dòng)平衡。其中，平衡工裝是平衡工藝的重要組成部分，主要起到將支撐轉(zhuǎn)子固定到平衡機(jī)上、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子平衡等作用，對(duì)轉(zhuǎn)子平衡質(zhì)量有直接影響。

平衡工裝通常要求設(shè)計(jì)重量盡量輕，以減小工裝寄生重量給轉(zhuǎn)子平衡帶來(lái)的不利影響，剛度應(yīng)滿足要求，防止扭轉(zhuǎn)帶來(lái)的不平衡力，以及防止在平衡轉(zhuǎn)速或附近轉(zhuǎn)速產(chǎn)生共振。

1） 低渦軸組件平衡工裝

低渦軸組件前后端為軸頸結(jié)構(gòu)，如無(wú)后軸頸（如GE90-115B），應(yīng)設(shè)計(jì)模擬軸頸用于平衡支承，模擬軸頸的質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、跨距等應(yīng)與發(fā)動(dòng)機(jī)后軸頸一致，定位基準(zhǔn)參數(shù)應(yīng)不低于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)件。如后軸頸帶有軸承（如CFM56-7B），如圖5所示，應(yīng)將軸承拆下。因?yàn)槿绻捎幂S承支承平衡工藝，軸承游隙會(huì)產(chǎn)生一定平衡誤差，影響平衡精度。此外，需采用工藝軸套保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)軸頸的精密配合面，避免平衡過(guò)程中產(chǎn)生表面損傷。這樣，前后端在平衡機(jī)上均可采用滾輪支承。

2） 低渦轉(zhuǎn)靜子組件平衡工裝

由于高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪級(jí)數(shù)較多，且渦輪機(jī)匣為整環(huán)式結(jié)構(gòu)，為避免平衡組件重復(fù)拆裝產(chǎn)生新的不平衡量，基本采用帶靜子平衡方式。

對(duì)于帶有靜子機(jī)匣的平衡工裝需要采用擺動(dòng)軸承支架方式，因?yàn)閿[動(dòng)軸承支架可提供扭轉(zhuǎn)自由度，是平衡機(jī)進(jìn)行雙面準(zhǔn)確動(dòng)平衡所必需的結(jié)構(gòu)配置。

低渦轉(zhuǎn)靜子組件中轉(zhuǎn)子缺少軸頸結(jié)構(gòu)，因此轉(zhuǎn)子組件需借助平衡芯軸定位連接，平衡芯軸與平衡機(jī)驅(qū)動(dòng)聯(lián)軸節(jié)相連，并通過(guò)滾珠軸承、滾棒軸承支承在支撐框架上，為拆裝方便，滾棒軸承通常與轉(zhuǎn)子支撐錐盤在低渦軸法蘭邊同側(cè)，如圖6所示。渦輪機(jī)匣可作為平衡工裝中支撐框架的重要組成部分，機(jī)匣前后端配以盤結(jié)構(gòu)，形成剛性連接支撐框架，用以保證平衡機(jī)軸承擺架之間精密的軸承對(duì)中。

其中，平衡芯軸設(shè)計(jì)成空心軸（見(jiàn)圖7），以減少寄生重量，提高平衡精度。在兩支承（截面K、截面L）跨距間有兩個(gè)平衡修正面，用于加裝平衡配重，經(jīng)過(guò)平衡合格的芯軸可用于低渦組件平衡。使用芯軸進(jìn)行組件平衡操作超過(guò)20次（根據(jù)實(shí)際情況，也可小于20次）后，必須重新進(jìn)行芯軸動(dòng)平衡，保證芯軸剩余不平衡量滿足要求。為了保證重復(fù)性，轉(zhuǎn)子與芯軸連接應(yīng)使用過(guò)盈配合，選擇冷卻或者加熱方式進(jìn)行裝配。

3） 整體平衡工裝

在整體平衡中，轉(zhuǎn)靜子組件需同低渦軸組件組裝后一起平衡，工裝結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)較大。由于帶靜子機(jī)匣，仍采用擺動(dòng)軸承支架方式，為減輕重量、增加剛性，通常采用鋼板卷制的筒體和鋼管焊接而成的框架結(jié)構(gòu)。

由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量較大，低渦軸相對(duì)細(xì)長(zhǎng)，為提高轉(zhuǎn)子支承剛性，在低渦軸前端采用兩個(gè)小滾輪輔助支撐，同時(shí)考慮到低渦軸后支點(diǎn)在渦輪內(nèi)部，結(jié)構(gòu)形式一般如圖8所示，軸承采用小徑向游隙的工藝軸承外環(huán)。不同于分體平衡帶有球軸承進(jìn)行軸向位定位，在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中應(yīng)有限制轉(zhuǎn)靜子軸向間隙的功能設(shè)計(jì)，如卡板等，同時(shí)需要考慮吊裝、停放、同聯(lián)軸節(jié)連接等功能設(shè)計(jì)。

3.2? 平衡技術(shù)

與平衡工裝一樣，平衡技術(shù)對(duì)于減少平衡誤差、提高平衡準(zhǔn)確度也具有非常重要的作用。對(duì)于高涵道比低壓渦輪平衡工藝來(lái)說(shuō)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

1）平衡轉(zhuǎn)速應(yīng)避開(kāi)“平衡機(jī)—機(jī)件—工裝”系統(tǒng)的共振轉(zhuǎn)速，選擇測(cè)量讀數(shù)相對(duì)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速范圍，為安全起見(jiàn)，轉(zhuǎn)速不應(yīng)過(guò)高，可通過(guò)試驗(yàn)確定。

2）為減小低渦轉(zhuǎn)子葉片松動(dòng)帶來(lái)的影響，正式測(cè)量前應(yīng)開(kāi)幾次車使轉(zhuǎn)子穩(wěn)定，并通過(guò)多次測(cè)量取平均值。

3）為減小平衡芯軸等本身不平衡量及工裝連接帶來(lái)的附加不平衡量影響，盡量采用轉(zhuǎn)位平衡法。

4）應(yīng)注意平衡工裝與機(jī)件間的連接，對(duì)于過(guò)盈止口配合部位，應(yīng)設(shè)計(jì)專門壓具，并按照完全十字交叉順序擰緊連接螺栓。

5）對(duì)于停放時(shí)間較長(zhǎng)的轉(zhuǎn)子，尤其是長(zhǎng)徑比較大、容易變形的低渦軸組件，為了保證測(cè)量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定、真實(shí)可靠，需在平衡機(jī)上運(yùn)轉(zhuǎn)一定時(shí)間后再進(jìn)行測(cè)量，并進(jìn)行檢查。如GE90-115B低渦軸組件要求測(cè)量BK、BM動(dòng)不平衡量（參見(jiàn)圖4），在370rpm、920rpm下各截面矢量差不超過(guò)1015gmm。

6）檢查平衡結(jié)果的準(zhǔn)確性，可用橡皮泥作為檢驗(yàn)配重，檢驗(yàn)配重引起的不平衡量等于2倍剩余不平衡量。在沿平衡面圓周均布的4個(gè)點(diǎn)上依次加檢驗(yàn)配重時(shí)，不平衡量顯示值均應(yīng)不小于放置檢驗(yàn)配重前的值，角度應(yīng)該在檢驗(yàn)配重位置±30?范圍內(nèi)。

3.3? 盤軸連接工藝

盤軸組件連接是影響低渦轉(zhuǎn)子裝配附加不平衡量值的關(guān)鍵因素。對(duì)于分體平衡而言，是影響整機(jī)低渦轉(zhuǎn)子組件平衡品質(zhì)表現(xiàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，除了盤軸端面跳動(dòng)高點(diǎn)錯(cuò)開(kāi)180?安裝、采用專用壓具保證配合到位外，連接螺栓軸向預(yù)緊力的均勻性和準(zhǔn)確性對(duì)于整個(gè)低壓渦輪轉(zhuǎn)子組件影響最為重要。因此，對(duì)于連接螺栓的擰緊工藝需要精細(xì)控制。

如GE90-115B發(fā)動(dòng)機(jī)，由于低壓渦輪轉(zhuǎn)子質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大，對(duì)連接結(jié)構(gòu)的連接剛性和穩(wěn)定性要求更高[18]，需要可靠的裝配工藝才能保障，因此采用了智能擰緊系統(tǒng)實(shí)施“扭矩-轉(zhuǎn)角”工藝法進(jìn)行連接質(zhì)量控制，如圖9所示，在智能擰緊軸前段安裝有扭矩/轉(zhuǎn)角傳感器，需滿足智能擰緊軸與傳感器的扭矩⊿（差值）在0±7Nm、扭角⊿在0±3?之內(nèi)，以精確控制螺栓預(yù)緊力的準(zhǔn)確性和一致性。

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