某壓氣機(jī)試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子平衡精度分析

紀(jì)福森，翟賢超

（中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng)110015）

某壓氣機(jī)試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子平衡精度分析

紀(jì)福森，翟賢超

（中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng)110015）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)及其轉(zhuǎn)動(dòng)部件運(yùn)行的平穩(wěn)性與轉(zhuǎn)動(dòng)件的平衡品質(zhì)密切相關(guān)。為保證壓氣機(jī)試驗(yàn)件可靠運(yùn)行，分析了壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子靜平衡、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，并針對(duì)某壓氣機(jī)試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子，通過(guò)采取零件靜平衡、組件初始動(dòng)平衡、轉(zhuǎn)子最終低速動(dòng)平衡的分步平衡方法，保證了該試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子的平衡品質(zhì)。試驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果表明：采取分步平衡精度控制方法，試驗(yàn)件運(yùn)行平穩(wěn)、振動(dòng)水平低。

靜平衡；動(dòng)平衡；平衡品質(zhì)；壓氣機(jī)；半撓性轉(zhuǎn)子

0　引言

振動(dòng)問(wèn)題是航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制中的1個(gè)難題，發(fā)動(dòng)機(jī)及其部件試驗(yàn)件的振動(dòng)始終伴隨并困擾著其研制進(jìn)程，有時(shí)甚至?xí)?yán)重阻礙研制工作。引起振動(dòng)的因素很多，包括設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、裝配、轉(zhuǎn)子不平衡量等。工程實(shí)踐表明，不論是航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，還是壓氣機(jī)、渦輪等轉(zhuǎn)動(dòng)部件試驗(yàn)件，它們的運(yùn)行平穩(wěn)性均與轉(zhuǎn)子的平衡品質(zhì)關(guān)系密切。

設(shè)計(jì)手冊(cè)［1］、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)［2-4］、機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［6］對(duì)轉(zhuǎn)子的平衡方法、平衡品質(zhì)進(jìn)行了規(guī)范，本文從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，進(jìn)一步分析轉(zhuǎn)子靜平衡、初始動(dòng)平衡、最終動(dòng)平衡平衡精度控制方法，以及平衡修正面確定的一般方法，并以某壓氣機(jī)試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子為例進(jìn)行工程應(yīng)用研究。

1　壓氣機(jī)試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子平衡控制

壓氣機(jī)試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子多為半撓性轉(zhuǎn)子，其設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速通常高于第1階臨界轉(zhuǎn)速而低于第2階臨界轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算值見(jiàn)表1。

表1　壓氣機(jī)試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算值r/min

工程上一般將半撓性轉(zhuǎn)子作為準(zhǔn)剛性轉(zhuǎn)子，參照剛性轉(zhuǎn)子進(jìn)行低速動(dòng)平衡。多采用分步平衡的方法控制壓氣機(jī)試驗(yàn)件平衡精度，各級(jí)輪盤或葉盤零件通過(guò)去除實(shí)體材料的方法修正靜不平衡量，檢查并記錄其他零件靜不平衡量，通過(guò)調(diào)整葉片裝配位置進(jìn)行盤片組合件靜平衡，對(duì)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子組合件進(jìn)行初始動(dòng)平衡檢查，對(duì)轉(zhuǎn)子最終作動(dòng)平衡時(shí)，通過(guò)在修正面上加裝平衡配重的方法來(lái)修正殘余不平衡量，動(dòng)平衡精度一般采用ISO1940推薦的G1級(jí)平衡精度要求。

1.1靜不平衡量的控制

靜不平衡是中心主慣性軸僅平行偏離于軸線的不平衡狀態(tài)［5］。靜不平衡量一般由重心平面上的1個(gè)校正量予以校正。對(duì)于壓氣機(jī)輪盤、整體葉盤、鼓筒軸、軸頸、葉片和輪盤裝配組件等零組件，當(dāng)其直徑與長(zhǎng)度的比值≥5時(shí)，一般采用靜平衡方法進(jìn)行修正。但如何控制靜不平衡量一直沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

機(jī)械工業(yè)部關(guān)于汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)零部件靜平衡標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：通常汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)零部件在工作轉(zhuǎn)速下的剩余靜不平衡質(zhì)量所產(chǎn)生的離心力不超過(guò)其質(zhì)量的5%［6］，即

工程上也有根據(jù)剛性轉(zhuǎn)子允許剩余動(dòng)不平衡量來(lái)控制零件靜不平衡量的，即

式中：GRA為允許剩余靜不平衡質(zhì)量，g；G'RA為允許剩余靜不平衡量，g·mm；W為質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m/s2；n為旋轉(zhuǎn)速度，r/min；Ve為平衡精度，mm/s，一般選為1～2.5；r為平衡半徑，m。

由量綱分析可知，式（1）、（2）的物理本質(zhì)相同，但式（1）引入了平衡半徑。

根據(jù)式（1）、（2）的計(jì)算結(jié)果得出靜不平衡量的控制值的基礎(chǔ)，同時(shí)考慮具體結(jié)構(gòu)的靜平衡可修正量、靜平衡工藝特點(diǎn)以及經(jīng)濟(jì)性等因素確定靜不平衡量的控制值。

1.2初始動(dòng)不平衡量控制

為了保證轉(zhuǎn)子的最終不平衡品質(zhì)，對(duì)完成初始裝配的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子組合件進(jìn)行不平衡量檢查，一般要求初始剩余不平衡量按G2.5精度進(jìn)行控制，若滿足要求則進(jìn)行最終動(dòng)平衡，若不滿足要求可調(diào)整零件的角向位置進(jìn)行再裝配。轉(zhuǎn)子組合件初始動(dòng)不平衡量的控制精度與各零件靜不平衡量的控制精度相關(guān)。

1.3最終不平衡量控制

工程上多根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定轉(zhuǎn)子允許的剩余不平衡量并分配至各平衡面，但較科學(xué)的方法是用軸承的單位承壓大小來(lái)衡量動(dòng)平衡品質(zhì)，并要求在各平衡面上產(chǎn)生的軸承力不能超過(guò)剩余不平衡力位于轉(zhuǎn)子重心產(chǎn)生的軸承力。

圖1　簡(jiǎn)支支撐轉(zhuǎn)子

簡(jiǎn)支支撐轉(zhuǎn)子如圖1所示。按G1級(jí)平衡精度，允許剩余不平衡量為

式中：UPER為允許剩余動(dòng)不平衡量；c為重心位置到前軸承距離；l為軸承間距；a為校正面1到前軸承的距離；b為校正面2到前軸承的距離；并規(guī)定0.4≤R≤2.5；k=l-c，若，取k=0.33c；UP1、UP2分別為校正面1、2許用剩余動(dòng)不平衡量。

最終，取式（4）、（5）計(jì)算的最小值為UP1，這樣UP2=UPER-UP1。

1.4不平衡修正平面的確定

對(duì)于剛性轉(zhuǎn)子，不平衡修正平面數(shù)量為2；對(duì)于撓性轉(zhuǎn)子，一般不平衡修正平面數(shù)量為工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)臨界轉(zhuǎn)速數(shù)+2。

不平衡修正面應(yīng)位于轉(zhuǎn)子重心的兩側(cè)，并靠近前、后支點(diǎn)軸承位置，以使轉(zhuǎn)子在平衡時(shí)所需的校正量小，即配重的效果好。

2　某壓氣機(jī)試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子平衡精度控制

該壓氣機(jī)試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子為雙支點(diǎn)簡(jiǎn)支支撐結(jié)構(gòu)，前支點(diǎn)為滾珠軸承，后支點(diǎn)為滾棒軸承，各級(jí)采用葉盤結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子質(zhì)量為63.96 kg，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為11346 r/min，計(jì)算第1、2階臨界轉(zhuǎn)速分別為4273～5705和12735～13045 r/min，試驗(yàn)件前、后支點(diǎn)間距為1151 mm，重心距前支點(diǎn)354.7 mm。

2.1各級(jí)葉盤許用靜不平衡量

各級(jí)整體葉盤采用不同的靜平衡控制方法允許的剩余靜不平衡量以及硬件實(shí)際剩余靜不平衡量見(jiàn)表2?？紤]靜不平衡可修正量，以及工藝性、經(jīng)濟(jì)性因素，該試驗(yàn)件各級(jí)整體葉盤的靜平衡品質(zhì)參照剛性轉(zhuǎn)子允許剩余動(dòng)不平衡量控制，平衡精度按Ve=2.0 mm/s。因航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子類零件質(zhì)量較輕，按汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)零部件靜平衡標(biāo)準(zhǔn)（JB3329-83）確定的許用剩余靜不平衡量要求高，工藝難度大，所以該方法應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)件上存在一定限制。

表2　各級(jí)整體葉盤許用剩余靜不平衡量g·mm

2.2初始動(dòng)不平衡量精度

考慮到該試驗(yàn)件壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量、剛度分布均勻，轉(zhuǎn)子不平衡穩(wěn)定性好，加之轉(zhuǎn)子各零件止口為過(guò)盈配合，不宜反復(fù)拆裝，故該試驗(yàn)件壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子未按理論要求嚴(yán)格控制初始動(dòng)不平衡剩余量，僅根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行要求。

2.3動(dòng)不平衡修正平面的確定

根據(jù)該試驗(yàn)件的結(jié)構(gòu)及動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)，在靠近前、后支點(diǎn)軸承位置各設(shè)置1個(gè)動(dòng)不平衡修正平面，并在重心后面與第1修正平面近似對(duì)稱位置設(shè)置第3個(gè)不平衡修正平面。

2.4最終動(dòng)平衡精度

該試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子平衡系統(tǒng)如圖2所示。根據(jù)式（3）～（5）計(jì)算允許剩余動(dòng)不平衡量，并分配至各平衡修正面，最終剩余動(dòng)不平衡量見(jiàn)表3。

圖2　某壓氣機(jī)試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子平衡系統(tǒng)

表3　各修正平面最終剩余動(dòng)不平衡量g·mm

2.5振動(dòng)監(jiān)測(cè)

在試驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)了試驗(yàn)件前、后支點(diǎn)附近垂直與水平振動(dòng)，結(jié)果如圖3所示。振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，該試驗(yàn)件振動(dòng)水平低。

圖3　試驗(yàn)件振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果

3　結(jié)論

（1）試驗(yàn)結(jié)果表明，采用本文所述的分步平衡及其平衡精度控制方法對(duì)壓氣機(jī)試驗(yàn)件準(zhǔn)剛性轉(zhuǎn)子進(jìn)行平衡是可行的，該壓氣機(jī)試驗(yàn)件試驗(yàn)運(yùn)行平穩(wěn)，振動(dòng)小。

（2）對(duì)于榫連結(jié)構(gòu)葉片、輪盤，裝配前應(yīng)按葉片質(zhì)量或靜力矩大小合理排布，以保證葉片與輪盤裝配組件剩余靜不平衡量在許用范圍內(nèi)；對(duì)于原始不平衡量難以控制的轉(zhuǎn)軸，應(yīng)單獨(dú)測(cè)定不平衡量，并視情校正。

（3）動(dòng)不平衡量修正最好采用增加平衡配重的方法，盡量避免采用去材料方法。設(shè)計(jì)時(shí)還需考慮動(dòng)平衡品質(zhì)允許的誤差。

［1］航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)總編委會(huì).航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)第8冊(cè)：壓氣機(jī)［M］.北京：航空工業(yè)出版社.2000：278-282. Editorial Board of Design Manual of Aeroengine.Design manual of aeroengine（8th album）：compressor［M］.Beijing：Aviation Industry Press，2000：278-282.（in Chinese）

［2］中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 6557-2009撓性轉(zhuǎn)子機(jī)械平衡的方法和準(zhǔn)則［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化出版社，2009：1-28. Standardization Administration of China（SAC）.GB/T 6557-2009 Mechanical vibration-methods and criteria for the mechanical balancing of flexible rotor［S］.Beijing：China Standardization Press，2009：1-28.（inChinese）

［3］中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 9239.1-2006恒態(tài)（剛性）轉(zhuǎn)子平衡品質(zhì)要求（第1部分：規(guī)范與平衡允差的檢驗(yàn)）［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化出版社，2006：1-23. Standardization Administration of China（SAC）.GB/T 9239.1-2006 Mechanical vibration-balance quality requirement of rigid rotor（part1：specifcation and verification of balance tolerances）［S］.Beijing：China Standardization Press，2006：1-23.（in Chinese）

［4］中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 9239.1-2006恒態(tài)（剛性）轉(zhuǎn)子平衡品質(zhì)要求（第2部分：平衡誤差）［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化出版社，2006：1-23. Standardization Administration of China（SAC）.GB/T 9239.1-2006 Mechanical vibration-balance quality requirement of rigid rotor（part2：balance errors）［S］.Beijing：China Standardization Press，2006：1-23.（in Chinese）

［5］周仁睦.轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡—原理、方法和標(biāo)準(zhǔn)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1992：1-101. Zhou Renmu.Rotor dynamic balancing theory，method，standardization［M］.Beijing：Chemical Industry Press，1992：1-101.（in Chinese）

［6］中華人民共和國(guó)機(jī)械工業(yè)部.JB 3329-83汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)零部件靜平衡標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1983：1-3. China Ministry of Machinery Industry.JB 3329-83 Static balance standards of steam turbine rotation parts and components［S］.Beijing：China Standardization Press，1983：1-3.

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（編輯：趙明菁）

Analysis of Balance Precision for a Compressor Test Rig

JI Fu-sen，ZHAI Xian-chao
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute，Shenyang 110015，China）

Stationarity of aeroengine and its rotor components have relations with the rotor balance quality.For the compressor test article reliable operation，permission unbalance value for static balance，initial dynamic balance and final dynamic balance of compressor rotor were analyzed，and distributing method of final dynamic unbalance was introduced.For a compressor test article rotor，the balance precision was controlled by substep balance method，including static balance of parts，initial dynamic balance of compressor rotor assemble and final low speed dynamic balance of test article rotor.Result shows that substep balance method is effective for compressor test article rotor，the test article worked well，the vibration value is small.

static balance；dynamic balance；balance quality；compressor；half-flexible rotor

V 263.2

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.01.018

2015-04-10基金項(xiàng)目：國(guó)家重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目資助

紀(jì)福森（1981），男，高級(jí)工程師，從事壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作；E-mail：jifusen@126.com。

引用格式：紀(jì)福森，翟賢超.某壓氣機(jī)試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子平衡精度分析［J］.航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2016，42（1）：88-91.JI Fusen，ZHAI Xianchao.Analysis of balance precision for a compressor testrig［J］.Aeroengine，2016，42（1）：88-91.