某機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子平衡工藝

孟 濤

（海軍裝備部，西安 710021）

壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的核心部件，工作在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。它的振動(dòng)水平對發(fā)動(dòng)機(jī)的使用安全至關(guān)重要。實(shí)踐證明，轉(zhuǎn)子的不平衡是影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程振動(dòng)超限的主要原因，會直接導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲增大，加速軸承磨損，縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命[1]。因此，航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子等轉(zhuǎn)動(dòng)件的平衡在發(fā)動(dòng)機(jī)制造中占有重要地位。

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子為典型的撓性轉(zhuǎn)子，平衡精度要求高，在不具備高速動(dòng)平衡的條件下如何通過低速平衡獲得較為滿意的平衡效果是研究重點(diǎn)。

1 剛性轉(zhuǎn)子與撓性轉(zhuǎn)子

1.1 剛性轉(zhuǎn)子

所謂剛性轉(zhuǎn)子是指從零至工作轉(zhuǎn)速整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)其不平衡狀態(tài)不發(fā)生明顯變化的轉(zhuǎn)子。這里的不發(fā)生明顯變化是指轉(zhuǎn)子的不平衡量應(yīng)該始終維持在一個(gè)固定的許可容限以內(nèi)。

剛性轉(zhuǎn)子的平衡一般都在遠(yuǎn)低于工作轉(zhuǎn)速的低轉(zhuǎn)速下任取兩個(gè)平面，在其上加上（或減去）某些質(zhì)量，使得加重（或去重）所產(chǎn)生的離心慣性力與轉(zhuǎn)子由于加工、裝配誤差而造成的初始不平衡量所產(chǎn)生的離心慣性力相抵消，從而消除或降低轉(zhuǎn)子對支承的動(dòng)壓力[2]。

1.2 撓性轉(zhuǎn)子

與剛性轉(zhuǎn)子相反，隨著轉(zhuǎn)速的升高直至工作轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子的不平衡狀態(tài)發(fā)生明顯變化的轉(zhuǎn)子為撓性轉(zhuǎn)子。一般最高工作轉(zhuǎn)速超過其一階臨界轉(zhuǎn)速70%的轉(zhuǎn)子，就其平衡而言可判定為撓性轉(zhuǎn)子。

撓性轉(zhuǎn)子的平衡不僅要通過加重（或去重）平衡初始不平衡量的剛體慣性力，而且要消除轉(zhuǎn)子的彎曲變形。一般是在轉(zhuǎn)子最高工作轉(zhuǎn)速和最高工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)接近一階、二階臨界轉(zhuǎn)速下進(jìn)行平衡[3]。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)低速動(dòng)平衡的意義

當(dāng)今，航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造與維修業(yè)對轉(zhuǎn)子的平衡要求是盡量避免高速平衡。究其原因，主要有3個(gè)[4]：一是轉(zhuǎn)子必須定期精密維修，其中包括嚴(yán)格的動(dòng)平衡，如果采用高速動(dòng)平衡工藝，就要求發(fā)動(dòng)機(jī)制造、維修廠配備高速動(dòng)平衡機(jī)，投資較高；二是發(fā)動(dòng)機(jī)維修中對轉(zhuǎn)子的零件或組件的互換性要求越來越高，這就要求更換后轉(zhuǎn)子的平衡狀態(tài)不應(yīng)有太大變化，而這一要求只能靠轉(zhuǎn)子制造過程中正確的平衡工藝及方法來實(shí)現(xiàn)；三是低速動(dòng)平衡具有操作方便、省時(shí)、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。

3 某機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子平衡難點(diǎn)

3.1 撓性轉(zhuǎn)子采用低速平衡條件

某機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速達(dá)7 000 r·min-1。轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速在二階臨界轉(zhuǎn)速以上，為典型的撓性轉(zhuǎn)子。一般應(yīng)在高速動(dòng)平衡機(jī)上進(jìn)行動(dòng)平衡，但在不具備高速動(dòng)平衡條件下只能在低速下平衡，原理如圖1所示。

圖1 動(dòng)平衡原理示意圖

3.2 轉(zhuǎn)子上的活動(dòng)葉片造成平衡結(jié)果分散度大

壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子共有9級葉片，其中0、1、2級葉片榫頭與輪盤為間隙配合，0級葉片間隙最大，其葉尖擺動(dòng)量在圓周方向最大達(dá)到4 mm，軸向活動(dòng)量達(dá)1 mm（如圖2所示）。由于葉片活動(dòng)量大且單片葉片質(zhì)量大（2.3 kg），在轉(zhuǎn)子低速平衡過程中，受葉片擺動(dòng)影響，平衡量值不穩(wěn)定，分散度大，不易達(dá)到平衡要求。

圖2 低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子

3.3 轉(zhuǎn)子平衡精度高

壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速7 000 r·min-1，轉(zhuǎn)子質(zhì)量440 kg，平衡要求轉(zhuǎn)子前、后校正面剩余不平衡量不大于40 g·cm。

精度等級計(jì)算公式為[5]：

式中：U許用為轉(zhuǎn)子許用不平衡量，取值為0.4 2 kg·mm；M為轉(zhuǎn)子質(zhì)量，取440 kg；n為轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速，取7 000 r·min-1；e為轉(zhuǎn)子重心偏移量；eω為轉(zhuǎn)子重心的線速度。代入數(shù)值，有eω為1.3 mm·s-1。按平衡精度分類（G0.4，G1，G2.5，G6.3，……），壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子重心線速度為1.3 mm·s-1，對應(yīng)的平衡精度等級為G1，為高精度平衡[6]。

4 壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子采用低速平衡的工藝方案

4.1 撓性轉(zhuǎn)子采用低速平衡可行性分析

撓性轉(zhuǎn)子因工作轉(zhuǎn)速大于一階臨界轉(zhuǎn)速，因此其不平衡狀態(tài)的變化往往是因?yàn)檗D(zhuǎn)子軸向各個(gè)位置上的部件發(fā)生徑向、周向或軸向移動(dòng)（即部件變形）而引起的，平衡時(shí)需消除軸向各個(gè)位置上發(fā)生移動(dòng)引起的彎矩。

基于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子一般由兩個(gè)以上沿軸向分布的分離部件組成的特點(diǎn)，每一個(gè)零件相當(dāng)于一個(gè)彎曲截面。根據(jù)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對每一個(gè)部件進(jìn)行單獨(dú)平衡，然后組裝轉(zhuǎn)子，安裝一個(gè)部件進(jìn)行一次平衡，逐步控制轉(zhuǎn)子各組裝狀態(tài)的不平衡量。當(dāng)轉(zhuǎn)子各狀態(tài)不平衡量在規(guī)定的限度內(nèi)時(shí)，撓性轉(zhuǎn)子的最終平衡在兩個(gè)校正面上僅進(jìn)行低速平衡同樣可獲得滿意的平衡狀態(tài)，同時(shí)可將轉(zhuǎn)子的初始不平衡量控制到較低水平[7-10]。

4.2 低速平衡工藝方案

4.2.1 分步平衡方案

壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子由0～2級轉(zhuǎn)鼓、3～7級轉(zhuǎn)鼓、8級盤以及后軸頸等零件沿軸向組裝而成[11]。每個(gè)零組件都是一個(gè)不平衡校正面，在裝配前需對每一個(gè)零組件進(jìn)行精確平衡。在裝配壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子時(shí)，采用邊裝配邊平衡的分步平衡法，以減小轉(zhuǎn)子各截面不平衡力和各段不平衡力矩產(chǎn)生的附加彎矩，最終組成的轉(zhuǎn)子只需用低速平衡在兩個(gè)校正平面上進(jìn)行校正。低速動(dòng)平衡機(jī)如圖3所示。

圖3 低速動(dòng)平衡機(jī)

具體措施如下。

（1）平衡零組件，降低轉(zhuǎn)子初始不平衡量。裝配前對8級盤進(jìn)行靜平衡，對0～2級轉(zhuǎn)鼓、3～7級轉(zhuǎn)鼓和后軸頸分別進(jìn)行動(dòng)平衡。每一個(gè)校正面的不平衡量均應(yīng)小于40 g·cm[12]。

（2）葉片科學(xué)排序。在安裝葉片前，對各級葉片進(jìn)行靜力矩測量，按質(zhì)量矩最小的原則進(jìn)行排序，以減少因葉片質(zhì)量和質(zhì)心高度差異帶來新的質(zhì)心偏移。

（3）適宜的平衡轉(zhuǎn)速。壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子在1.0工況下的工作轉(zhuǎn)速是7 000 r·min-1，按照工作轉(zhuǎn)速的1/10作為平衡轉(zhuǎn)速的常規(guī)方法，考慮到現(xiàn)有平衡機(jī)電測系統(tǒng)在820 r·min-1以上時(shí)精度最高，選擇820 r·min-1為平衡轉(zhuǎn)速[13-15]。

（4）合理規(guī)劃分步平衡方案，滿足低速平衡要求。分步平衡方案為“未裝葉片的轉(zhuǎn)子平衡→裝3～5級葉片→平衡→裝2、6級葉片→平衡→裝1、7級葉片→平衡→裝8級葉片→平衡→裝0級葉片→最終平衡”。

4.2.2 減少可活動(dòng)葉片對平衡結(jié)果的干擾

壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子上0～2級葉片為可活動(dòng)葉片，在進(jìn)行低速平衡時(shí)葉片不能夠被完全甩出達(dá)到工作狀態(tài)。在相同轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)方向下，每次啟動(dòng)后葉片的位置都不唯一，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子不平量值變化大[16]。

針對這些情況，可采取以下措施降低影響。

（1）轉(zhuǎn)子平衡轉(zhuǎn)向與發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)向相反，以減少風(fēng)阻，提高測量穩(wěn)定性。

（2）平衡前手動(dòng)將轉(zhuǎn)子間隙排向一側(cè)，即統(tǒng)一轉(zhuǎn)子葉片的軸向位置。

（3）固定平衡量值讀取時(shí)間。轉(zhuǎn)子平衡啟動(dòng)后，待裝配的應(yīng)力完全釋放出來，葉片恢復(fù)到工作位置后再進(jìn)行平衡量值的讀取，減小測量結(jié)果的分散度。

（4）采用8次測量計(jì)算向量平均值，得到綜合的剩余不平衡量。

采取上述措施后，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子采取低速平衡即可達(dá)到令人滿意的平衡效果。

5 結(jié)語

利用合理的分步平衡方案，采取嚴(yán)格措施，裝有可活動(dòng)葉片的柔性轉(zhuǎn)子在低轉(zhuǎn)速下平衡即可獲得滿意的平衡效果，保證轉(zhuǎn)子在整個(gè)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。此外，通過預(yù)排間隙、穩(wěn)態(tài)采集不平衡量、取8次向量平均值等，可有效減小可活動(dòng)葉片造成的不平量值的分散度。