某型號航空發(fā)動機(jī)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子平衡精度控制

王 瑾 馮 碩 吳 斌 盧成玉

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

0 引言

轉(zhuǎn)子的不平衡量檢查是航空發(fā)動機(jī)生產(chǎn)制造過程中的重要環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)子平衡是轉(zhuǎn)子裝配完成后的減振措施，通過在轉(zhuǎn)子的某一個(gè)或多個(gè)截面上增加或者降低質(zhì)量，使轉(zhuǎn)子的質(zhì)心與其幾何中心靠近，從而降低轉(zhuǎn)子在工作中的不平衡力力偶或者在臨界轉(zhuǎn)速附近的橫向振動，進(jìn)而降低轉(zhuǎn)子系統(tǒng)以及整機(jī)振動。但從平衡數(shù)據(jù)來看，經(jīng)過平衡后，雖然轉(zhuǎn)子剩余的不平衡量達(dá)到一個(gè)相對較小的量值，但是在試車后重復(fù)測量時(shí)，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的剩余不平衡量會發(fā)生變化，對比某型號航空發(fā)動機(jī)各轉(zhuǎn)子試車前后剩余不平衡量的平均值可知，轉(zhuǎn)子在試車后剩余不平衡量會出現(xiàn)成倍增長的現(xiàn)象，某些轉(zhuǎn)子在試車后的剩余不平衡量甚至?xí)_(dá)到試車前的10倍以上。

這種變化部分是由2次平衡過程的過程誤差所導(dǎo)致的。如果平衡過程的誤差超過一定的量值，就會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)整機(jī)振動超標(biāo)，對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)來說，通過各種工藝方法提高高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的平衡精度，能有效降低因轉(zhuǎn)子不平衡而引起整機(jī)振動的風(fēng)險(xiǎn)。

1 某型號發(fā)動機(jī)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子平衡過程誤差

許多需要平衡的轉(zhuǎn)子部件本身沒有工作（支撐）軸，為了使它們處于平衡狀態(tài)，必須將這些轉(zhuǎn)子部件安裝在與轉(zhuǎn)子同軸線的支撐軸上，某型號發(fā)動機(jī)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子前端采用前軸頸作為支撐，后端采用高壓渦輪模擬轉(zhuǎn)子支撐，同時(shí)模擬了高壓渦輪轉(zhuǎn)子裝配時(shí)的工作狀態(tài)。由于模擬轉(zhuǎn)子不可避免地會出現(xiàn)一些誤差，例如軸向、徑向偏擺和自身不平衡等，因此在實(shí)際工作過程中，可以采用模擬轉(zhuǎn)子多次轉(zhuǎn)位平衡的方式計(jì)算這些誤差引起的不平衡量，并在后續(xù)的平衡過程中采用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行排除。

平衡機(jī)提供了多角度轉(zhuǎn)位的方式進(jìn)行平衡補(bǔ)償，從對高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子精度和現(xiàn)場實(shí)際工作效率的需求來看，目前采用180°轉(zhuǎn)位補(bǔ)償，即2次轉(zhuǎn)位的方式進(jìn)行平衡。

第二次裝配：將模擬轉(zhuǎn)子的0°對準(zhǔn)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的0°位

根據(jù)矢量加減法或者利用平行四邊形法則（圖1），由公式（1）、公式（2）可以得到公式（3）。

圖1 用平行四邊形法則求模擬轉(zhuǎn)子不平衡量帶來的誤差和轉(zhuǎn)子自身的不平衡量

某型號發(fā)動機(jī)的高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子有2個(gè)校正面，2個(gè)校正面均適用于公式（3）的算法，求解得到模擬轉(zhuǎn)子不平衡量帶來的誤差及高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子自身的不平衡量。

圖2 用平行四邊形法則求總的平衡誤差和轉(zhuǎn)子自身的不平衡量

2 某型號發(fā)動機(jī)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子平衡誤差分析

采用模擬轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)位補(bǔ)償?shù)姆椒ㄆ胶飧邏簤簹鈾C(jī)轉(zhuǎn)子，補(bǔ)償倍數(shù)的大小在很大程度上決定了高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子和高壓渦輪轉(zhuǎn)子組合在一起的不平衡量，是最直接的平衡誤差，而補(bǔ)償倍數(shù)受多方面因素的影響，是平衡穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的直觀反映，因此有必要通過各種措施降低補(bǔ)償倍數(shù)對轉(zhuǎn)子的平衡誤差進(jìn)行控制。

3 平衡過程中的誤差控制措施

轉(zhuǎn)子平衡是一項(xiàng)對操作要求比較高的過程，轉(zhuǎn)子的正確平衡不僅可以驗(yàn)證轉(zhuǎn)子裝配的正確性，而且還可以將轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動力和轉(zhuǎn)動扭矩降到最低，使轉(zhuǎn)子以最佳狀態(tài)運(yùn)行。轉(zhuǎn)子的平衡涉及裝配、測量等多個(gè)工藝過程，又受平衡夾具、模擬轉(zhuǎn)子精度的影響，控制轉(zhuǎn)子平衡過程可以提高轉(zhuǎn)子平衡的精度和準(zhǔn)確性。

3.1 平衡過程的一致性控制

為保證生產(chǎn)現(xiàn)場工作有序開展，節(jié)約高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子與模擬轉(zhuǎn)子裝配連接后等待進(jìn)行平衡的工作時(shí)間，生產(chǎn)現(xiàn)場常有多套模擬轉(zhuǎn)子。為了減少模擬轉(zhuǎn)子本身特征參數(shù)對轉(zhuǎn)子平衡結(jié)果的影響，對同一臺發(fā)動機(jī)的整個(gè)修理過程始終采用同一個(gè)模擬轉(zhuǎn)子進(jìn)行平衡。當(dāng)進(jìn)行高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子平衡時(shí)，不允許隨意使用模擬轉(zhuǎn)子，這樣能有效保證高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子在不同試車狀態(tài)下平衡結(jié)果的可對比性。

同時(shí)，也可通過同一高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子監(jiān)控模擬轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)的變化。如果平衡數(shù)據(jù)有較大的波動，就可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)模擬轉(zhuǎn)子的平衡誤差，對模擬轉(zhuǎn)子進(jìn)行參數(shù)校正，防止出現(xiàn)批次性問題。

平衡機(jī)通過調(diào)整擺架和設(shè)置不同的驅(qū)動方式，可以適用于不同類型轉(zhuǎn)子的平衡測量。如果同一臺平衡機(jī)頻繁測量不同類型轉(zhuǎn)子平衡的不平衡量，則需要頻繁的調(diào)整擺架和設(shè)置不同的驅(qū)動方式，容易產(chǎn)生人為誤差。并且調(diào)整擺架后易導(dǎo)致轉(zhuǎn)子在平衡機(jī)上支點(diǎn)位置、轉(zhuǎn)子水平發(fā)生變化，即使是同一個(gè)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子，如果測量狀態(tài)變化，也容易因設(shè)備測量狀態(tài)的調(diào)整而產(chǎn)生的誤差。

因此，為了保證轉(zhuǎn)子平衡結(jié)果的一致性和同一轉(zhuǎn)子不同時(shí)間測量數(shù)據(jù)的可比性，要求高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子在同一臺平衡機(jī)上平衡。同時(shí)，該平衡機(jī)只能用于平衡高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子，避免頻繁地調(diào)整擺架和設(shè)置不同的驅(qū)動方式。

模擬轉(zhuǎn)子與高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子連接表面不是絕對平整的，兩者的連接表面都有一定的絕對高點(diǎn)；同時(shí)，當(dāng)模擬轉(zhuǎn)子與高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子裝配在一起時(shí)，也不是絕對同心的。因此，根據(jù)工藝試驗(yàn)，模擬轉(zhuǎn)子與高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子之間采用不同的裝配角度，會對平衡結(jié)果產(chǎn)生很大的影響，而采用同一角度的重復(fù)裝配時(shí)轉(zhuǎn)子不平衡量的變化量不大。

如果對模擬轉(zhuǎn)子與壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子、平衡機(jī)刻度盤之間的位置進(jìn)行固定，就需要規(guī)定模擬轉(zhuǎn)子的參考零點(diǎn)位置。因此，為了方便數(shù)據(jù)分析和對比，當(dāng)對高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行平衡時(shí)，需要采用與原始測量一致的起始點(diǎn)。這樣就保證了每次平衡時(shí)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子與模擬轉(zhuǎn)子、模擬轉(zhuǎn)子與平衡機(jī)之間裝配的一致性。

當(dāng)對高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行平衡時(shí)，需要使用工藝螺母連接模擬轉(zhuǎn)子和高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子。因?yàn)樵谘b配時(shí)工藝螺母數(shù)量較多且質(zhì)量較重，因此工藝螺母也是影響轉(zhuǎn)子平衡誤差的因素之一。如果僅控制工藝螺母之間的質(zhì)量差，那么也不能有效防止不平衡量誤差的產(chǎn)生。即使控制了工藝螺母之間的質(zhì)量差，在極端情況下，當(dāng)較重的工藝螺母裝配至同一側(cè)時(shí)，也會對不平衡量產(chǎn)生較大的影響。為了避免出現(xiàn)這種情況，需要對螺母的裝配順序進(jìn)行優(yōu)化，對螺母進(jìn)行編號并固定螺母的裝配位置，將螺母質(zhì)量隨機(jī)性產(chǎn)生的平衡誤差降到最低。

3.2 平衡操作過程控制

由于模擬轉(zhuǎn)子與高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子連接是過盈配合的，需要將模擬轉(zhuǎn)子在液氮中冷卻后再裝配，這個(gè)過程中模擬轉(zhuǎn)子與高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的配合端面很容易在溫度變化過程中發(fā)生變形。因此，需要控制模擬轉(zhuǎn)子與高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的裝配過程，在模擬轉(zhuǎn)子冷卻裝配至高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子上后，優(yōu)化工藝螺母裝配，再使用十字交叉法用規(guī)定的扭矩?cái)Q緊。

高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子裝有多級葉片，葉片的榫頭與榫槽間軸向有微小間隙，在平衡過程中，軸向可能發(fā)生竄動，切向又因平衡的離散作用而存有活動量。因此，為減少葉片的自由活動量，會在高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片根部留有涂膠層。

但高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片根部的涂膠層在試車后常有葉片膠層磨損的現(xiàn)象，后續(xù)試車時(shí)葉片膠層的磨損使平衡數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。針對該問題，平衡前對榫頭的膠層進(jìn)行檢查，如果有膠層磨損的現(xiàn)象，就應(yīng)該重新涂膠，提高涂膠層的質(zhì)量，降低膠層脫落的概率。

當(dāng)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子在平衡機(jī)上運(yùn)行時(shí)，考慮其葉片數(shù)量較多、葉片活動量大的特點(diǎn)，控制了平衡機(jī)采集數(shù)據(jù)的時(shí)間。應(yīng)在高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子在平衡機(jī)上進(jìn)行充分運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)采集數(shù)據(jù)。此時(shí)，葉片處于穩(wěn)定的狀態(tài)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和記錄。不應(yīng)在平衡機(jī)剛剛進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)（平衡數(shù)據(jù)還不穩(wěn)定）時(shí)就采集平衡數(shù)據(jù)。

當(dāng)模擬轉(zhuǎn)子向高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子上落裝時(shí)，由于模擬轉(zhuǎn)子和高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子貼合面不可能完全平行，因此，在落裝過程中可能出現(xiàn)模擬轉(zhuǎn)子和高壓壓氣機(jī)貼合面存在先后接觸的現(xiàn)象，使模擬轉(zhuǎn)子和高壓壓氣機(jī)貼合面存在間隙，貼合面結(jié)合不緊密，產(chǎn)生較大的平衡誤差。針對這一問題，須對模擬轉(zhuǎn)子和高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行找平后再緩慢落裝，保證兩者裝配后緊密貼合。

3.3 平衡工裝和設(shè)備控制

模擬轉(zhuǎn)子的精度越高，由模擬轉(zhuǎn)子自身不平衡、徑向偏差和端面偏差帶來的不平衡量誤差就越小。目前，模擬轉(zhuǎn)子在使用和定期檢查的中發(fā)現(xiàn)有不平衡量變大、跳動變大和端面著色變差的趨勢，說明模擬轉(zhuǎn)子在使用過程中狀態(tài)會發(fā)生變化。模擬轉(zhuǎn)子的狀態(tài)變化是緩慢累積的過程，在使用過程中不易被及時(shí)發(fā)現(xiàn)。針對這些問題，需要在正常工裝定檢的基礎(chǔ)上，增加自檢頻次，及時(shí)修正相關(guān)問題，保證模擬轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)批次性平衡誤差問題。

平衡高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子組件的平衡機(jī)也是重點(diǎn)監(jiān)控的對象。運(yùn)行正常的平衡機(jī)本身差生的誤差是比較小的，但是如果平衡機(jī)的平衡數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，那么產(chǎn)生的平衡誤差是完全不可控制的，而且在生產(chǎn)過程中也較難發(fā)現(xiàn)。因此，需要在正常校驗(yàn)的基礎(chǔ)上增加檢查頻次，加強(qiáng)對平衡機(jī)（對重點(diǎn)轉(zhuǎn)子進(jìn)行平衡的平衡機(jī)）工作狀態(tài)的監(jiān)控，防止出現(xiàn)平衡機(jī)平衡數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的情況。

4 實(shí)施效果評估

通過逐步實(shí)施上述控制措施，高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子試車后的剩余不平衡量和補(bǔ)償倍數(shù)逐步降低，說明以上控制措施是合理的，其有效地控制了平衡過程中產(chǎn)生的誤差，為轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定工作運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

通過逐步摸索和改進(jìn)工藝，某型號發(fā)動機(jī)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的平衡誤差呈逐步降低的趨勢，但仍存在很多不足。目前，在平衡過程中仍會出現(xiàn)初始不平衡量大、跳動超差以及試車后變化大等問題，缺少對這些偶發(fā)問題的預(yù)防措施，這反映現(xiàn)有工作仍過多地依賴現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)和較為模糊的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，對理論研究和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性的研究不夠深入，后續(xù)須深入研究相關(guān)問題，進(jìn)一步提高平衡的精度和穩(wěn)定性。