孫貴青，趙 哲，孫慧潔，李澤林

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽(yáng)110015）

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)在工作中對(duì)其振動(dòng)有一定的限制。產(chǎn)生振動(dòng)的原因很多，其中以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡而引起的振動(dòng)最為普遍。轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡則是減小發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)量的1 個(gè)重要手段。高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，其工作轉(zhuǎn)速高，氣動(dòng)負(fù)荷大[1]，運(yùn)行是否平穩(wěn)可靠，與轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡工藝合理性密切相關(guān)。雖然有設(shè)計(jì)手冊(cè)[2]、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[3-5]、機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[6]等理論指導(dǎo)，但受轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、工作轉(zhuǎn)速、長(zhǎng)徑比、轉(zhuǎn)子本身剛度和平衡精度要求等影響[7]，在型號(hào)或試驗(yàn)件設(shè)計(jì)中，仍會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)計(jì)要求偏高或工藝制定不合理的問(wèn)題。

目前，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子在平衡機(jī)上仍采用低速平衡為主[8-9]。在轉(zhuǎn)子平衡精度設(shè)計(jì)方面，紀(jì)福森等[10]分析壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子初始動(dòng)平衡、最終動(dòng)平衡允許剩余不平衡量控制方法，以及最終動(dòng)不平衡量的分配方法；在研究裝配工藝提高轉(zhuǎn)子平衡精度方面，曹茂國(guó)[11]提出1 種采用Powell 法優(yōu)化各級(jí)盤(pán)角向安裝位置的工藝裝配設(shè)計(jì)方法；李立新等[12]采用遺傳算法優(yōu)化各級(jí)盤(pán)的角向安裝位置；劉君等[13]研究針對(duì)轉(zhuǎn)子不同心度和不平衡量雙目標(biāo)優(yōu)化原則，并采用蒙特卡洛仿真法進(jìn)行仿真驗(yàn)證；琚易鵬等[14]提出1 種基于雙目標(biāo)優(yōu)化理論且適用于工程應(yīng)用的裝配工藝優(yōu)化方法；在轉(zhuǎn)子平衡工藝方面，劉叢輝等[15]研究了帶模擬轉(zhuǎn)子平衡工藝；王蘊(yùn)奇等[16]進(jìn)一步提出通過(guò)轉(zhuǎn)位平衡法，消除模擬轉(zhuǎn)子自身不平衡量及同心度誤差影響；杜立鋒等[17]對(duì)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子帶模擬轉(zhuǎn)子平衡工藝和整體平衡工藝進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究。國(guó)外針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子平衡工藝的研究工作公開(kāi)極少，Yang 等[18-19]對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子平衡中的堆疊優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行對(duì)比研究；Hussain 等[20]對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子裝配時(shí)的偏心度和同軸度誤差進(jìn)行了最小化研究工作。

CFM56 發(fā)動(dòng)機(jī)為民航發(fā)展史上最成功的機(jī)型。1984年，首臺(tái)CFM56-3 發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始運(yùn)營(yíng)，目前仍有24000 余臺(tái)在線(xiàn)運(yùn)營(yíng)[21]，其具有壽命長(zhǎng)、可靠性高、可維修性好等特點(diǎn)。裝配平衡工藝經(jīng)過(guò)充分實(shí)踐驗(yàn)證，具有重要的參考借鑒價(jià)值。本文以CFM56 發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子為例，總結(jié)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子平衡原理和方法，對(duì)其平衡工藝流程及技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行分析，為其他發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子平衡工藝設(shè)計(jì)及實(shí)施提供借鑒與指導(dǎo)。

1 CFM56 發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

CFM56 發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子為盤(pán)鼓混合式結(jié)構(gòu)，主要由前軸頸、1～2 級(jí)轉(zhuǎn)子、3 級(jí)輪盤(pán)、4～9 級(jí)轉(zhuǎn)子、壓氣機(jī)后篦齒封嚴(yán)盤(pán)組成，其中，1～2 級(jí)轉(zhuǎn)子為1～2 級(jí)鈦合金盤(pán)焊接成盤(pán)鼓式一體，4～9 級(jí)轉(zhuǎn)子為4～9 級(jí)高溫合金盤(pán)焊接成盤(pán)鼓式一體。在3 級(jí)輪盤(pán)處用短螺栓將2 段轉(zhuǎn)子、前軸頸連接，在壓氣機(jī)后篦齒封嚴(yán)盤(pán)處，用螺栓將壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子和高壓渦輪轉(zhuǎn)子連接組成發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓轉(zhuǎn)子。該結(jié)構(gòu)兼具鼓式轉(zhuǎn)子抗彎剛性好和盤(pán)式轉(zhuǎn)子強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)連接止口均為過(guò)盈配合，保證各組件適當(dāng)對(duì)齊并保持轉(zhuǎn)子穩(wěn)定[22]。第1～3 級(jí)工作葉片用軸向燕尾榫頭裝在相應(yīng)級(jí)中的輪盤(pán)軸向榫槽中，而第4～9 級(jí)工作葉片則分別裝在各級(jí)輪盤(pán)的環(huán)形燕尾槽中通過(guò)鎖緊螺釘鎖緊，所有工作葉片均可在不分解轉(zhuǎn)子的情況下拆換。壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子平衡組件如圖1 所示。

圖1 壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子平衡組件

2 轉(zhuǎn)子低速動(dòng)平衡方法

對(duì)CFM56 發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行低速動(dòng)平衡，主要原因?yàn)椋?/p>

（1）在CFM56 發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，將彎曲型臨界轉(zhuǎn)速調(diào)整到最大工作轉(zhuǎn)速以上，將剛體（平動(dòng)、俯仰）型臨界轉(zhuǎn)速置于慢車(chē)轉(zhuǎn)速以下[23]。彎曲振型的模態(tài)對(duì)不平衡分布很敏感，對(duì)于工作轉(zhuǎn)速以下存在彎曲臨界轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，需進(jìn)行高速動(dòng)平衡，而壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子作為剛性轉(zhuǎn)子，可用低速動(dòng)平衡達(dá)到較為精確的平衡；

（2）用戶(hù)通常要求轉(zhuǎn)子部件具有互換性或者在不顯著增加不平衡量水平的前提下完成組件裝配，在整個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)及各部、組件的制造和組裝中，只有采用多級(jí)平衡工藝才能滿(mǎn)足要求，這也需要低速平衡才能實(shí)現(xiàn)。

CFM56 發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子由可拆卸的多個(gè)圓盤(pán)和剛性軸段組成，對(duì)應(yīng)的低速平衡方法有2 種選擇：裝配前單部件平衡+雙面平衡和裝配期間分級(jí)平衡。由于CFM56 發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子盤(pán)及盤(pán)鼓等零部件全部組裝后才能形成平衡軸，因此，適用前一種方法，其主要工藝要求如下：

（1）在組裝前，將每個(gè)單部件（包括軸）作為剛性轉(zhuǎn)子分別單獨(dú)做低速平衡，平衡校正到指定的不平衡量要求之內(nèi)。同時(shí)各單部件在軸上安裝處的不同軸度或其他定位配合面相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的允差應(yīng)該?。?/p>

（2）雙面平衡，如果組裝后的轉(zhuǎn)子不平衡主要分布在剛性相當(dāng)大的軸段內(nèi)且在該軸段上進(jìn)行校正，那么該轉(zhuǎn)子在所有轉(zhuǎn)速下都將平衡；

（3）當(dāng)1 個(gè)轉(zhuǎn)子包括各獨(dú)立部件成套同心安裝時(shí)，例如壓氣機(jī)葉片、連接螺栓等，應(yīng)進(jìn)行分揀后裝配，以保證剩余不平衡量在允許公差內(nèi)。

按照上述要求，CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子主要平衡工藝流程如圖2 所示，不同軸度等允差要求如圖3 所示，不平衡量及不同軸度等允差要求見(jiàn)表1。

圖2 壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子平衡流程

從以上分析可知：

（1）轉(zhuǎn)子組合件的不同軸度等允差要求比較小，基本與轉(zhuǎn)子零部件等單件加工精度相近，對(duì)裝配工藝提出了較高要求；

圖3 不同軸度等允差要求

（2）定位面端面跳動(dòng)精度對(duì)轉(zhuǎn)子組件最終不同心度和不平衡量影響較大，且越接近軸頸處影響越大，因此，端面跳動(dòng)控制要求相對(duì)嚴(yán)格，目標(biāo)值為0.020 mm 以?xún)?nèi)；

表1 不平衡量及不同軸度等允差要求

（3）第1、2 級(jí)盤(pán)組合件未處于高壓轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)形成路徑上，因此要求相對(duì)寬松。

3 壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡工藝分析

3.1 校正面確定和平衡轉(zhuǎn)速選擇

在轉(zhuǎn)子組裝后的雙面平衡中，2 個(gè)校正面為第4級(jí)盤(pán)截面和第9 級(jí)盤(pán)截面，主要是防止破壞各部件已經(jīng)平衡好的結(jié)果，且2 個(gè)校正面之間距離比較大，位于轉(zhuǎn)子重心兩側(cè)（壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子重心處于第4～5 級(jí)之間），這樣可使得轉(zhuǎn)子在平衡時(shí)所需的校正量小些。

平衡轉(zhuǎn)速要求不低于900 r/min。通常平衡轉(zhuǎn)速應(yīng)盡量高，以有利于轉(zhuǎn)子葉片充分甩開(kāi)，提高平衡準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，但受限于平衡機(jī)設(shè)備能力及從安全角度考慮，該轉(zhuǎn)速要求相對(duì)合理且經(jīng)濟(jì)。

3.2 初始不平衡量和剩余不平衡量確定分析

當(dāng)轉(zhuǎn)子由已做過(guò)單獨(dú)平衡的各單部件組裝而成時(shí)，不平衡狀態(tài)可能仍不滿(mǎn)意，只有在組裝件的初始不平衡量不超過(guò)規(guī)定值時(shí)，才允許在低速下做后續(xù)平衡，初始不平衡量及剩余不平衡量要求見(jiàn)表2。

按照“Balancing Machines：Tooling Design Criteria”（SAE ARP4163）標(biāo)準(zhǔn)[24]，定位接口對(duì)轉(zhuǎn)子不平衡量的影響分為：（1）定位接口柱面跳動(dòng)引起的靜不平衡；（2）定位接口端面跳動(dòng)引起的靜不平衡；（3）定位接口端面跳動(dòng)引起的偶不平衡。

表2 初始不平衡量及剩余不平衡量要求

定位接口柱面跳動(dòng)引起的轉(zhuǎn)子組件靜不平衡量為

式中：URS為柱面跳動(dòng)引起的轉(zhuǎn)子組件靜不平衡量；M為轉(zhuǎn)子組件質(zhì)量；αR為定位接口柱面跳動(dòng)端面跳動(dòng)引起的轉(zhuǎn)子組件靜不平衡量。

端面跳動(dòng)引起的轉(zhuǎn)子組件靜不平衡量為

式中：UAS為端面跳動(dòng)引起的轉(zhuǎn)子組件靜不平衡量；αA為定位接口端面跳動(dòng)；L為定位接口端面至轉(zhuǎn)子組件重心的軸向距離；RD為定位接口定位半徑。

定位接口端面跳動(dòng)引起的轉(zhuǎn)子組件偶不平衡量為

式中：UAC為端面跳動(dòng)引起的轉(zhuǎn)子組件偶不平衡量；RC為轉(zhuǎn)子組件修正面修正塊分布半徑。

端面跳動(dòng)引起的靜不平衡影響和端面跳動(dòng)引起的偶不平衡影響分別如圖4、5 所示。

圖4 端面跳動(dòng)引起的靜不平衡影響

圖5 端面跳動(dòng)引起的偶不平衡影響

假設(shè)各部件轉(zhuǎn)子剩余不平衡量及不同軸度等允差處于最不利組合條件下，按照上面公式對(duì)定位接口柱面跳動(dòng)誤差引起的靜不平衡、定位接口端面跳動(dòng)誤差引起的靜不平衡、定位接口端面跳動(dòng)誤差引起的偶不平衡進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果約為4570 g·mm/面?？紤]到各部件裝配相位優(yōu)化和第4～9 級(jí)葉片排序補(bǔ)償優(yōu)化等措施，可將轉(zhuǎn)子第4、9 級(jí)校正面上的初始不平衡量控制為不大于3048 g·mm/面。

壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量約為110 kg，工作轉(zhuǎn)速為15183 r/min，按照GB/T 9239.1 轉(zhuǎn)子平衡品質(zhì)計(jì)算方法，該壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子剩余不平衡量精度約為G3.6，介于G6.3（航空燃?xì)廨啓C(jī)）和G2.5（壓縮機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)）之間，分析該限度值是根據(jù)實(shí)際測(cè)試重復(fù)得到的最小不平衡狀態(tài)確定的，兼顧了平衡精度需要和實(shí)際可裝配性。

3.3 采用模擬轉(zhuǎn)子平衡工藝分析

CFM56 發(fā)動(dòng)機(jī)為維修單元體設(shè)計(jì)，要求壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子和高壓渦輪轉(zhuǎn)子間具有完全互換性，因此，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子只需單獨(dú)平衡，不需再進(jìn)行組合平衡。

根據(jù)第3.2 節(jié)中分析可知，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子與高渦轉(zhuǎn)子組合后，除了各轉(zhuǎn)子自身不平衡量外，二者間的定位基準(zhǔn)偏心和傾斜還會(huì)產(chǎn)生附加不平衡量。因此，在單獨(dú)平衡時(shí)，需采用形位公差要求更高的模擬轉(zhuǎn)子來(lái)再現(xiàn)定位接口產(chǎn)生的附加不平衡量。模擬轉(zhuǎn)子關(guān)鍵參數(shù)（質(zhì)量、重心位置、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、剛性、配合尺寸及支撐跨距等）應(yīng)與被模擬高壓渦輪轉(zhuǎn)子參數(shù)理論值一致。模擬轉(zhuǎn)子自身質(zhì)量較大，即便是完全合格的模擬轉(zhuǎn)子，也會(huì)由于其微小的形位誤差引起系統(tǒng)平衡誤差，在實(shí)踐中可應(yīng)用轉(zhuǎn)位平衡方法盡量降低該影響[16]。

3.4 多校正面平衡工藝分析及流程

根據(jù)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分析可知，在第4～9 級(jí)葉片下均可安裝配重塊進(jìn)行校正。為了保證轉(zhuǎn)子的功能和部件強(qiáng)度，應(yīng)根據(jù)初始不平衡量結(jié)果在第4～9 級(jí)葉片上沿轉(zhuǎn)子軸向分散校正，可以有效減小旋轉(zhuǎn)時(shí)由不平衡量離心力與校正量離心力不在同一平面或同一體上而引起的內(nèi)應(yīng)力或內(nèi)應(yīng)力矩，降低轉(zhuǎn)子高速時(shí)的陣型不平衡量[25]。

按照合成不平衡矢量靜力學(xué)分解原理，第4～9級(jí)葉片上的各級(jí)校正配重Ui分解到第4 級(jí)和第9 級(jí)2 個(gè)校正面上，對(duì)應(yīng)的2 個(gè)分矢量U′i和U″i為[26]

式中：ai為Ui與4 級(jí)校正面間的軸向距離；l為2個(gè)校正面間的軸向距離。

按照式（4）可以計(jì)算出在第4～9 級(jí)葉片上安裝配重塊的分量影響，見(jiàn)表3。

根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及配重塊在校正面上的影響系數(shù)結(jié)果，分析如下：

（1）當(dāng)校正配重塊越接近于2 個(gè)校正面的中間部位時(shí)，2 個(gè)校正分量的影響越相近，對(duì)于2 個(gè)校正面上的同相初始不平衡量（靜不平衡）效果越顯著；

表3 配重塊在校正面上的分量影響

（2）當(dāng)校正配重塊越接近于2 個(gè)校正面的一側(cè)時(shí)，對(duì)于本側(cè)校正面的校正影響越大，對(duì)另一側(cè)影響越小，適用于2 個(gè)校正面上的反相初始不平衡量（偶不平衡）校正；

（3）通常以90°作為同相和反相的相位區(qū)分點(diǎn)，本轉(zhuǎn)子由于6 級(jí)配重對(duì)應(yīng)的影響系數(shù)比為0.55：0.45，按照比例換算約為100°，即相位差不超過(guò)100°時(shí)，認(rèn)為是靜不平衡表現(xiàn)為主，超過(guò)100°時(shí)是偶不平衡表現(xiàn)為主；

（4）從強(qiáng)度和安全方面考慮，不能在鎖緊葉片榫頭下方安裝平衡塊，同時(shí)為防止葉片鎖緊塊對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子工作構(gòu)成危害，對(duì)每級(jí)平衡塊數(shù)量進(jìn)行如下限制：每級(jí)修正量不大于2280 g·mm（相當(dāng)于2 g 配重塊5 個(gè)，1.5 g 配重塊7 個(gè)）；

（5）第5～8 級(jí)葉片配重塊校正結(jié)果會(huì)同時(shí)影響第4、9 級(jí)，為防止本側(cè)修正合格、另一側(cè)超出太大無(wú)法繼續(xù)修正情況，規(guī)定在靠近本側(cè)的級(jí)數(shù)上初次修正時(shí)，只校正本側(cè)最終修正面上約1/3 顯示不平衡量，再次在靠近本側(cè)的級(jí)數(shù)上修正時(shí)，校正本側(cè)最終修正面上約1/2 顯示不平衡量。

按照上述分析，CFM56 發(fā)動(dòng)機(jī)在第4 級(jí)和（或）第9 級(jí)葉片初始不平衡量超差時(shí)，按照如圖6 所示工藝流程方法安裝配重塊。

另外，對(duì)于新機(jī)或大修發(fā)動(dòng)機(jī)，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子組裝后會(huì)進(jìn)行2 次動(dòng)平衡：磨葉尖前平衡和最終動(dòng)平衡。磨葉尖前平衡主要用于減小壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子在葉尖高速磨床上的振動(dòng)水平，確保葉尖直徑精度；在最終動(dòng)平衡后進(jìn)行整機(jī)組裝，確保發(fā)動(dòng)機(jī)可靠工作。因此，磨葉尖前平衡還可以采用串動(dòng)各級(jí)葉片位置的方法減小不平衡量分布（剩余不平衡量精度允許較最終動(dòng)平衡要求稍大，規(guī)定為254 g·mm）。但壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子組件磨完葉尖后，串動(dòng)葉片位置會(huì)影響壓氣機(jī)葉尖間隙，從而影響整機(jī)性能，只能采用在葉片下加平衡塊的方法消除不平衡量。

圖6 多校正面平衡工藝流程

4 結(jié)論

針對(duì)CFM56 發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)其平衡工藝方法及參數(shù)要求進(jìn)行分析，重點(diǎn)研究了低速多面平衡的工藝方法，得到以下結(jié)論：

（1）CFM56 發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子剩余不平衡量精度（G3.6 平衡等級(jí)）設(shè)計(jì)合理，在“裝配前單部件平衡+雙面平衡”低速動(dòng)平衡基礎(chǔ)上，基于初始不平衡量控制的多面平衡工藝方法有效；

（2）利用轉(zhuǎn)子定位基準(zhǔn)誤差影響不平衡的計(jì)算公式識(shí)別重要影響部位以及計(jì)算分析配重塊在各校正面上的影響系數(shù)等分析工作，可高效地實(shí)現(xiàn)平衡結(jié)果最優(yōu)化。