劉艷良 馮 碩

（中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責任公司，遼寧 沈陽 110043）

燃氣輪機是一種高速旋轉的機械，應用范圍廣闊，其主要故障之一是在運行中產生的振動問題，它影響燃氣輪機的使用壽命和工作效率。高壓壓氣機轉子和高壓渦輪轉子構成了燃氣輪機的核心轉子系統(tǒng)，轉子運行過程中產生的不平衡慣性力及力矩是燃氣輪機振動的主要來源。該文主要分析高壓渦輪轉子轉位平衡誤差因素產生的原因。

1 高壓渦輪轉子結構

高壓渦輪轉子為維修單元體設計，典型高壓渦輪轉子主要由鼓筒、封嚴盤、渦輪盤、后軸頸和葉片五部分構成。鼓筒為環(huán)形薄壁結構；封嚴盤的作用為封嚴及葉片前擋板；渦輪盤是高壓渦輪轉子的主要承力部件和傳扭部件；后軸頸是高壓渦輪轉子的中介軸承的支點，通過懸臂結構與渦輪盤相連接。葉片以樅樹型榫槽的連接方式與渦輪盤相連接。前四部分的連接均為過盈裝配，短螺栓連接，剛性好。渦輪葉片工作狀態(tài)下的熱膨脹及離心力導致葉片裝配后須存在較大的周向及徑向活動量，使得在平衡狀態(tài)下難以模擬真實工作狀態(tài)。

2 高壓渦輪轉子平衡過程

高壓渦輪轉子采用模擬轉子進行轉位平衡方式平衡，模擬轉子模擬對應的高壓壓氣機轉子的質量、重心位置、轉動慣量及剛度，并平衡到預設精度。高壓渦輪轉子轉位平衡過程如下：1）液氮冷卻高壓渦輪轉子止口并立即裝配到模擬轉子上。裝配時保證模擬轉子端面與高壓渦輪轉子安裝端面平行，模擬轉子止口與高壓渦輪轉子連接止口及螺栓孔對正，裝配過程須緩慢平穩(wěn)。模擬轉子上的標記位置與轉子上標記的起始位置保持一致。2）冷卻裝配后，迅速用工藝螺母進行預壓緊，施加扭矩均勻擰緊且均勻分布，防止在恢復至室溫的過程中裝配部位發(fā)生回彈，其余安裝位置的螺母應擰靠，不施加扭矩。3）當轉子結合部位溫度恢復至室溫時，可借助測溫裝置測量，轉子恢復室溫的過程應在室溫條件下進行，通過使用風扇加快恢復室溫的進程。4）完全松開施加扭矩的工藝螺母和未施加扭矩的工藝螺母，然后按十字交叉法擰緊所有工藝螺母，螺母施加扭矩均勻擰緊。5）將安裝模擬轉子的高壓渦輪轉子組合件調整至水平，吊裝至平衡機上，吊裝過程應平穩(wěn)，避免沖擊擺架。將轉子與萬向聯(lián)軸節(jié)連接，平衡機 0°位置對應轉子初始位置，檢查轉子及萬向聯(lián)軸節(jié)水平，通過調整平衡機擺架的高度來保證所有條件符合要求。按文件要求檢查相應表面跳動，對比轉位前與轉位后的相應表面跳動及相位，保證它們在規(guī)定差值范圍內，當相應表面跳動超出規(guī)定要求時，應分解模擬轉子，檢查模擬轉子及高壓渦輪轉子貼合表面應無多余物，再重新裝配。6）選擇轉位補償?shù)拇螖?shù)及補償方式，啟動平衡機測量安裝模擬轉子的高壓渦輪轉子組合件不平衡矢量，在平衡機開始測量數(shù)據(jù)前應運行一段時間來保證測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定。7）將安裝模擬轉子的高壓渦輪轉子組合件從平衡機上吊下，并將模擬轉子從高壓渦輪轉子上分解。8）重復第 1 步～第6 步，在不同角度進行轉位裝配，測量轉位后不平衡矢量。最后一次轉位平衡測量停車后，進行轉位補償確認，測量高壓渦輪轉子的初始不平衡，模擬轉子及裝配誤差帶來的不平衡應不大于規(guī)定倍數(shù)的許用剩余不平衡量，當轉位補償倍數(shù)超差時，重新進行轉位平衡工作，如果重新平衡仍不合格，應確認模擬轉子和高壓渦輪轉子的技術狀態(tài)。9）在高壓渦輪轉子上按規(guī)定增加配重，將轉子的平衡降至許用剩余不平衡之內。如果平衡過程中不平衡量發(fā)生變化導致無法平衡，應檢查高壓渦輪轉子上活動零件的裝配間隙，如果不符合要求應進行排除。10）平衡完成后，將安裝模擬轉子的高壓渦輪轉子組合件從平衡機上吊下，吊裝過程應平穩(wěn)、避免沖擊，從高壓渦輪轉子上分解模擬轉子。

高壓渦輪轉子對不平衡量有嚴格的要求，在科研生產中會出現(xiàn)轉子不平衡量合理變化范圍不確定、同一轉子兩次測量是否合格、結論不確定等現(xiàn)象。高壓渦輪轉子平衡的過程受平衡機、人員、模擬轉子、轉子本身構成等因素的影響，這些因素會使得不平衡量存在波動。

3 高壓渦輪轉子平衡問題定位

針對高壓渦輪轉子平衡時存在較大的平衡量差異的問題，從“人、機、料、法、環(huán)、測”等因素方面按照高壓渦輪轉子平衡工藝流程進行分析。其中“人”和“機”的因素無法排除，須分析具體影響。差異因素見表1。

表1 高壓渦輪轉子平衡差異因素分析

4 不同操作者的平衡方法影響分析

兩臺發(fā)動機的高壓渦輪轉子使用相同的平衡機、相同的模擬轉子、更換不同操作者進行平衡，兩名操作者操作方法基本一致，對比兩臺高壓渦輪轉子的平衡數(shù)據(jù)，平衡量及補償倍數(shù)均存在一定量的變化，不同操作者的裝配平衡過程會對測量結果存在影響。整理不同操作者平衡相同高壓渦輪轉子的平衡數(shù)據(jù)，可以看出不同操作者按照相同的操作過程會對平衡結果造成一定影響，見表2。

表2 不同操作者平衡高壓渦輪轉子數(shù)據(jù)

對比不同操作者的操作方法，主要差異為恢復室溫時間。高壓渦輪轉子冷卻安裝后，使用測溫儀測量高壓渦輪轉子安裝邊溫度，達到室溫后進行平衡，一般在安裝后2min 左右溫度已接近室溫，但體感溫度還低于室溫。對高壓渦輪轉子在不同恢復室溫時間測量轉子不平衡量進行分析后認為，測溫儀測得的轉子溫度不能準確反映轉子恢復室溫情況，不同的恢復室溫時間會對轉子不平衡量產生較大的影響，合適的恢復室溫時間需要根據(jù)實際情況試驗確定。試驗分析數(shù)據(jù)見表3。

表3 不同恢復室溫時間高壓渦輪轉子平衡數(shù)據(jù)

5 平衡擺架調整對高壓渦輪轉子平衡量的影響分析

分析高壓渦輪轉子在不同次平衡中出現(xiàn)的平衡數(shù)據(jù)差異問題，較大的平衡數(shù)據(jù)差異均出現(xiàn)在平衡機平衡完其他轉子調整擺架后的平衡過程中。

5.1 平衡擺架調整對高壓渦輪轉子平衡量的影響

平衡擺架通常分為上下兩部分，靠螺栓連接固定。平衡擺架上部與轉子接觸，負責承載、感知轉子不平衡量并傳遞給傳感器；平衡擺架下部與導軌接觸，主要起支撐作用，同時傳感器安裝在平衡擺架下部。高壓渦輪轉子平衡工作需要的軸端擺架為高度可調的滾輪式擺架，盤端擺架為不可調高度的軸瓦式擺架。當更換轉子進行平衡擺架調整時，一般會分解平衡擺架上半部分進行更換，松開平衡擺架下半部分調整距離，更換平衡擺架的過程中存在擺架上半部分連接到下半部分狀態(tài)不一致、上部擺架彈簧螺母鎖緊安裝和運行狀態(tài)不一致的問題。對上半部分擺架連接及運行狀態(tài)進行對比試驗分析可知，平衡擺架須按合適的限力進行擰緊，擰緊后支撐剛度達到最佳，不平衡量趨于穩(wěn)定。平衡擺架彈簧螺母鎖緊安裝狀態(tài)的不同會導致不平衡數(shù)據(jù)存在較大的變化量，相同的安裝運行狀態(tài)平衡數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定，一般推薦按照鎖緊安裝自由運行進行平衡。分析數(shù)據(jù)見表4 和表5。

表4 擺架不同連接狀態(tài)高壓渦輪轉子平衡數(shù)據(jù)

表5 擺架彈簧螺母不同鎖緊高壓渦輪轉子平衡數(shù)據(jù)

5.2 轉子水平對高壓渦輪轉子平衡量的影響

在高壓渦輪轉子安裝到平衡機上之后轉子存在水平傾斜度，對不同傾斜度狀態(tài)的平衡數(shù)據(jù)進行整理可知，改變轉子水平狀態(tài)會小幅影響轉子不平衡量，平衡擺架調平后能確保系統(tǒng)測量準確性。試驗結果見表6。

表6 不同傾斜度高壓渦輪轉子平衡數(shù)據(jù)

5.3 轉子轉向對高壓渦輪轉子平衡量的影響

受高渦葉片結構影響，高壓渦輪轉子在不同轉向中會承受不同方向的軸向力，對應在平衡機上為聯(lián)軸節(jié)承受拉應力或壓應力，導致高壓渦輪轉子不平衡量存在更大的不平衡量影響。當平衡時轉子須按照工作中的旋轉方向進行旋轉，這能夠保證高壓渦輪轉子平衡狀態(tài)與工作狀態(tài)平衡一致，降低不平衡量誤差。對比數(shù)據(jù)見表7。

表7 平衡轉向對高壓渦輪轉子平衡量的影響

6 模擬轉子變化對高壓渦輪轉子平衡量的影響

高壓渦輪轉子平衡采用模擬轉子進行轉位平衡，模擬轉子模擬對應的高壓壓氣機轉子的關鍵結構參數(shù)為質量、重心位置、跨距、轉動慣量等，制造精度允許誤差一般不大于4%。模擬轉子以配合止口和結合面端面為基準，控制軸徑全跳動跳動量一般不大于0.015，模擬轉子結合面平面度不大于0.005 及其他尺寸公差精度。當模擬轉子自身平衡時如果需要調整不平衡量，應該使用固定的配重進行調整并安裝牢固防止脫落。當模擬轉子平衡校正到需要用剩余不平衡量時，與高渦模擬轉子進行組合，按照4 個不同相位（如0°、90°、180°、270°）進行對接，檢查模擬轉子在不同位置的剩余不平衡量，一般剩余不平衡量不超過10 倍剩余不平衡均為良好狀態(tài)。配套使用的工藝螺母須控制最大、最小質量差并編號，裝配時按照相應編號順序進行裝配和擰緊。典型的模擬轉子結構如圖1 所示。

圖1 模擬轉子檢測位置示意圖

高壓渦輪轉子平衡過程采用兩臺模擬轉子進行平衡，對兩臺模擬轉子進行分析，兩臺模擬轉子均已平衡校正到規(guī)定剩余不平衡量，4 個不同相位的平衡數(shù)據(jù)中有1 個模擬轉子平衡量偏大。分析造成不平衡量差異的主要原因為模擬轉子自身形位精度-軸徑表面的全跳動差異。采用高精密氣浮轉臺檢查模擬轉子，模擬轉子定位止口基準模擬轉子A、B 的跳動均在0.005 以內，軸頸相對轉子連接定位止口基準A、B跳動實測值分別為0.005mm、0.013mm，與模擬轉子平衡數(shù)據(jù)分布相對應。

根據(jù)“Balancing Machines：Tooling Design Criteria”（SAE ARP4163）標準，連接定位止口對轉子不平衡量的影響分為以下3 點：1）定位止口柱面跳動引起的靜不平衡。2）定位止口端面跳動引起的靜不平衡。3）定位止口端面跳動引起的偶不平衡。這些由模擬轉子止口形位精度導致的不平衡量理論上會在轉位平衡過程中被補償?shù)?，存在的微小差異基本不會對不平衡量造成影響。模擬轉子的軸徑跳動導致的平衡量差異會在轉位平衡過程中進行補償，但會體現(xiàn)在高壓渦輪轉子平衡的補償倍數(shù)中，根據(jù)計算，由跳動引發(fā)的不平衡會導致兩個模擬轉子的補償倍數(shù)相差約2 倍。進行對比試驗后的數(shù)據(jù)整理見表8。在模擬轉子平衡合格后，模擬轉子形位精度會隨著使用不斷變差，形位精度轉子不平衡量的影響較小，但會影響轉子平衡過程中的補償倍數(shù)，補償倍數(shù)會隨形位精度變差而增大，在模擬轉子使用過程中需要監(jiān)控補償倍數(shù)的變化情況，并定期對模擬轉子進行形位精度檢查。

表8 不同模擬轉子對高壓渦輪轉子平衡量影響

7 結論

針對某高壓渦輪轉子平衡誤差的過程進行對比分析，找到了影響平衡誤差的原因，經過工藝驗證，控制了平衡誤差的產生，提高了轉子的平衡穩(wěn)定性。對其他燃氣輪機轉子平衡工藝設計具有指導意義。具體結論如下：1）測溫儀測得轉子溫度不能準確反映轉子恢復室溫情況，不同的恢復室溫時間會對轉子不平衡量產生較大的影響，合適的恢復室溫時間需要根據(jù)實際情況試驗確定。2）平衡擺架須按合適的限力進行擰緊，擰緊后支撐剛度達到最佳，不平衡量趨于穩(wěn)定。不同平衡擺架彈簧螺母的鎖緊安裝狀態(tài)會導致不平衡數(shù)據(jù)存在較大的變化量，相同的安裝運行狀態(tài)平衡數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定，一般推薦按照鎖緊安裝自由運行進行平衡。3）改變轉子水平狀態(tài)會小幅影響轉子不平衡量，調平平衡擺架之后能確保系統(tǒng)測量準確性。4）當平衡時轉子須按照工作中的轉向進行旋轉，這能夠最大限度地保證轉子平衡狀態(tài)與工作狀態(tài)平衡一致。5）模擬轉子平衡合格后，模擬轉子形位精度會隨使用不斷變差，形位精度轉子不平衡量的影響較小，但會影響轉子平衡過程中的補償倍數(shù)，補償倍數(shù)會隨形位精度變差而增大，在模擬轉子使用過程中需要監(jiān)控補償倍數(shù)的變化情況，并定期對模擬轉子進行形位精度檢查。