高涵道比渦扇發(fā)動機低壓渦輪平衡工藝淺析

孫貴青 王文宇 楊法立　

摘要：高涵道比渦扇發(fā)動機低壓渦輪具有轉(zhuǎn)靜子級數(shù)多、質(zhì)量大等特點，國內(nèi)的研制尚處于起步階段，其平衡技術(shù)是發(fā)動機的主要工藝技術(shù)難點之一。本文以PW4000、CFM56-7、V2500-A5、GE90-115B等發(fā)動機為主要研究對象，運用平衡相關(guān)理論和方法，總結(jié)其平衡工裝、平衡技術(shù)、盤軸連接工藝控制等特點和設(shè)計要求，得出的結(jié)論對今后發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計和裝配工藝實施具有參考價值。

關(guān)鍵詞：渦扇發(fā)動機;振動;低壓渦輪;平衡

0 引言

高涵道比渦扇發(fā)動機一般用作大型商用飛機的動力，與傳統(tǒng)小涵道比軍用渦扇發(fā)動機相比，現(xiàn)代大型商用航空發(fā)動機更多地追求安全性、可靠性和經(jīng)濟性[1]，進而對發(fā)動機振動特性要求較高。轉(zhuǎn)子平衡工藝是降低軸承不均衡負(fù)荷、減小發(fā)動機振動、保障發(fā)動機正常工作的重要手段，對滿足高涵道比渦扇發(fā)動機長壽命、高可靠性、低噪聲等技術(shù)指標(biāo)具有重要意義。高涵道比渦扇發(fā)動機低壓渦輪級數(shù)多（3～7級）[2]、軸向及徑向尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通常需要帶靜子組件進行平衡，平衡工藝相對難度較大。對于高涵道比發(fā)動機平衡工藝，國內(nèi)的研究主要集中在本機平衡或現(xiàn)場動平衡[3-13]，低壓轉(zhuǎn)子部件平衡仍處于技術(shù)起步或研發(fā)階段[14]，相較歐美等航空發(fā)達國家差距較大。

本文針對PW4000（94in風(fēng)扇）、CFM56-7、V2500-A5、GE90-115B等發(fā)動機，對低壓渦輪平衡工藝分類，進行平衡工藝選擇應(yīng)用分析，研究總結(jié)平衡工裝、平衡技術(shù)、盤軸連接工藝，為國內(nèi)高涵道比渦扇發(fā)動機的研發(fā)提供重要的技術(shù)參考。

1? 低壓渦輪平衡工藝分類

現(xiàn)代先進發(fā)動機為提高維修性，通常采用單元體設(shè)計，因此，低壓渦輪平衡組件主要由低渦軸組件和低渦轉(zhuǎn)靜子組件（低渦盤片轉(zhuǎn)子組件）兩部分組成，兩者之間通過圓柱面定心、短螺栓連接（見圖1）。

相應(yīng)地，低壓渦輪轉(zhuǎn)子組件在平衡工藝上有分體平衡、整體平衡兩種[15]。分體平衡工藝是分別對低渦軸組件（或低渦軸）和低渦轉(zhuǎn)靜子組件平衡，組裝后不再進行平衡;整體平衡工藝是將低渦軸組件和低渦轉(zhuǎn)靜子組件組裝后再進行低渦轉(zhuǎn)子組件平衡，如圖2所示。其中，低渦轉(zhuǎn)靜子組件中各級盤片轉(zhuǎn)子均靜平衡合格，并按照內(nèi)部彎力、彎矩最小原則進行相位匹配組裝，每級組裝后均進行盤后端面跳動檢查，確保裝配到位。

2? 平衡工藝選擇應(yīng)用分析

通常，整體平衡工藝是對低渦軸組件與轉(zhuǎn)靜子組件的本身不平衡量以及兩者裝配產(chǎn)生的附加裝配誤差進行綜合平衡，平衡效果更好，CFM56-7低壓渦輪采用的是整體平衡工藝，而PW4000（94in風(fēng)扇）、V2500-A5、GE90-115B等發(fā)動機主要采用分體平衡工藝。分析認(rèn)為主要原因如下。

1） 與CFM56-7不同，PW4000（94in風(fēng)扇）、V2500-A5、GE90-115B發(fā)動機的高壓轉(zhuǎn)子采用了1-0-1二支點支承方案，未采用中介支點，可有效減小高低壓轉(zhuǎn)子間振動耦合影響和振動變形，對于低壓渦輪轉(zhuǎn)子不平衡的敏感度要求降低。

2） 與CFM56-7不同，PW4000（94in風(fēng)扇）、V2500-A5、GE90-115B發(fā)動機低壓渦輪轉(zhuǎn)子后支點均采用了擠壓油膜阻尼器設(shè)計，可有效抑制不平衡量產(chǎn)生的整機振動響應(yīng)[16]。

3） 高涵道比渦扇發(fā)動機受制于風(fēng)扇葉尖速度限制[17]，低壓轉(zhuǎn)速均不高。在振動響應(yīng)值不變的情況下，不平衡量與轉(zhuǎn)速平方關(guān)系成反比，因此，低壓轉(zhuǎn)速越低，對剩余不平衡度的要求越寬松。根據(jù)表1所示，PW4000（94in風(fēng)扇）、GE90-115B發(fā)動機的要求均低于CFM56-7。

4） 高涵道比渦扇發(fā)動機低壓轉(zhuǎn)子設(shè)計有整機平衡功能及結(jié)構(gòu)，可在整機試車環(huán)節(jié)進一步修正及提高低壓轉(zhuǎn)子平衡精度。

另外，發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計對平衡工藝性影響較大，以PW4000（94in風(fēng)扇）為例，其低渦轉(zhuǎn)靜子組件前修正面（W面）安裝到低壓渦輪主單元體后，因被前封嚴(yán)蓖齒環(huán)封閉在不可達空間內(nèi)（見圖3），只能采用分體平衡技術(shù)。之后，在低壓渦輪前蓖齒環(huán)錐壁上改進設(shè)計了配重塊安裝邊（截面AS），可以使分體平衡后的低渦轉(zhuǎn)子組件利用AS修正面、X修正面再次進行平衡。其中，X修正面可以使用旋壓（SPIN-ON）配重塊再次修正，由于X修正面與轉(zhuǎn)靜子組件平衡中后修正面一致，這種平衡工藝稱為半整體平衡。如果對分體平衡后的低渦轉(zhuǎn)子組件利用AS修正面、AT修正面（6級低渦轉(zhuǎn)子葉片外緣，利用平衡夾修正）再次平衡，可修正低渦盤軸連接產(chǎn)生的附加裝配不平衡量，這種平衡工藝是分體平衡后的整體平衡。半整體平衡、整體平衡為改善低渦轉(zhuǎn)子平衡質(zhì)量提供了更多的技術(shù)選擇方案，但在PW4000實際生產(chǎn)中不作為強制執(zhí)行工藝，只有當(dāng)分體平衡效果不好時才使用整體平衡工藝。

又如GE90-115B，其低渦軸受發(fā)動機總體結(jié)構(gòu)設(shè)計限制（見圖4），長徑比較大，剛性較弱。為了控制工作轉(zhuǎn)速下的撓曲變形，采用低渦軸通風(fēng)管支架組件、低渦軸轉(zhuǎn)接錐段法蘭邊等結(jié)構(gòu)進行多面平衡修正。其中，低渦軸內(nèi)部裝有三個通風(fēng)管支架組件，中間支架組件用于靜平衡修正，前支架組件作為動平衡前修正面進行修正，低渦軸轉(zhuǎn)接錐段法蘭邊作為動平衡后修正面，工藝要求見表2。其他發(fā)動機低渦軸組件缺少不平衡量調(diào)整結(jié)構(gòu)，故只對低渦軸進行去材料動平衡，后續(xù)組件不再進行平衡。

3? 平衡關(guān)鍵技術(shù)分析

高涵道比渦扇發(fā)動機低壓渦輪平衡關(guān)鍵技術(shù)主要包括平衡工裝、平衡技術(shù)及盤軸連接工藝。

3.1? 平衡工裝

高涵道比渦扇發(fā)動機低壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡與其他部位的平衡原理相同，即視為剛性轉(zhuǎn)子采用臥式動平衡機進行低速動平衡。其中，平衡工裝是平衡工藝的重要組成部分，主要起到將支撐轉(zhuǎn)子固定到平衡機上、驅(qū)動轉(zhuǎn)子平衡等作用，對轉(zhuǎn)子平衡質(zhì)量有直接影響。

平衡工裝通常要求設(shè)計重量盡量輕，以減小工裝寄生重量給轉(zhuǎn)子平衡帶來的不利影響，剛度應(yīng)滿足要求，防止扭轉(zhuǎn)帶來的不平衡力，以及防止在平衡轉(zhuǎn)速或附近轉(zhuǎn)速產(chǎn)生共振。

1） 低渦軸組件平衡工裝

低渦軸組件前后端為軸頸結(jié)構(gòu)，如無后軸頸（如GE90-115B），應(yīng)設(shè)計模擬軸頸用于平衡支承，模擬軸頸的質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量、跨距等應(yīng)與發(fā)動機后軸頸一致，定位基準(zhǔn)參數(shù)應(yīng)不低于發(fā)動機機件。如后軸頸帶有軸承（如CFM56-7B），如圖5所示，應(yīng)將軸承拆下。因為如果采用軸承支承平衡工藝，軸承游隙會產(chǎn)生一定平衡誤差，影響平衡精度。此外，需采用工藝軸套保護發(fā)動機軸頸的精密配合面，避免平衡過程中產(chǎn)生表面損傷。這樣，前后端在平衡機上均可采用滾輪支承。

2） 低渦轉(zhuǎn)靜子組件平衡工裝

由于高涵道比渦扇發(fā)動機低壓渦輪級數(shù)較多，且渦輪機匣為整環(huán)式結(jié)構(gòu)，為避免平衡組件重復(fù)拆裝產(chǎn)生新的不平衡量，基本采用帶靜子平衡方式。

對于帶有靜子機匣的平衡工裝需要采用擺動軸承支架方式，因為擺動軸承支架可提供扭轉(zhuǎn)自由度，是平衡機進行雙面準(zhǔn)確動平衡所必需的結(jié)構(gòu)配置。

低渦轉(zhuǎn)靜子組件中轉(zhuǎn)子缺少軸頸結(jié)構(gòu)，因此轉(zhuǎn)子組件需借助平衡芯軸定位連接，平衡芯軸與平衡機驅(qū)動聯(lián)軸節(jié)相連，并通過滾珠軸承、滾棒軸承支承在支撐框架上，為拆裝方便，滾棒軸承通常與轉(zhuǎn)子支撐錐盤在低渦軸法蘭邊同側(cè)，如圖6所示。渦輪機匣可作為平衡工裝中支撐框架的重要組成部分，機匣前后端配以盤結(jié)構(gòu)，形成剛性連接支撐框架，用以保證平衡機軸承擺架之間精密的軸承對中。

其中，平衡芯軸設(shè)計成空心軸（見圖7），以減少寄生重量，提高平衡精度。在兩支承（截面K、截面L）跨距間有兩個平衡修正面，用于加裝平衡配重，經(jīng)過平衡合格的芯軸可用于低渦組件平衡。使用芯軸進行組件平衡操作超過20次（根據(jù)實際情況，也可小于20次）后，必須重新進行芯軸動平衡，保證芯軸剩余不平衡量滿足要求。為了保證重復(fù)性，轉(zhuǎn)子與芯軸連接應(yīng)使用過盈配合，選擇冷卻或者加熱方式進行裝配。

3） 整體平衡工裝

在整體平衡中，轉(zhuǎn)靜子組件需同低渦軸組件組裝后一起平衡，工裝結(jié)構(gòu)尺寸相對較大。由于帶靜子機匣，仍采用擺動軸承支架方式，為減輕重量、增加剛性，通常采用鋼板卷制的筒體和鋼管焊接而成的框架結(jié)構(gòu)。

由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量較大，低渦軸相對細(xì)長，為提高轉(zhuǎn)子支承剛性，在低渦軸前端采用兩個小滾輪輔助支撐，同時考慮到低渦軸后支點在渦輪內(nèi)部，結(jié)構(gòu)形式一般如圖8所示，軸承采用小徑向游隙的工藝軸承外環(huán)。不同于分體平衡帶有球軸承進行軸向位定位，在翻轉(zhuǎn)過程中應(yīng)有限制轉(zhuǎn)靜子軸向間隙的功能設(shè)計，如卡板等，同時需要考慮吊裝、停放、同聯(lián)軸節(jié)連接等功能設(shè)計。

3.2? 平衡技術(shù)

與平衡工裝一樣，平衡技術(shù)對于減少平衡誤差、提高平衡準(zhǔn)確度也具有非常重要的作用。對于高涵道比低壓渦輪平衡工藝來說，應(yīng)注意以下幾點。

1）平衡轉(zhuǎn)速應(yīng)避開“平衡機—機件—工裝”系統(tǒng)的共振轉(zhuǎn)速，選擇測量讀數(shù)相對穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速范圍，為安全起見，轉(zhuǎn)速不應(yīng)過高，可通過試驗確定。

2）為減小低渦轉(zhuǎn)子葉片松動帶來的影響，正式測量前應(yīng)開幾次車使轉(zhuǎn)子穩(wěn)定，并通過多次測量取平均值。

3）為減小平衡芯軸等本身不平衡量及工裝連接帶來的附加不平衡量影響，盡量采用轉(zhuǎn)位平衡法。

4）應(yīng)注意平衡工裝與機件間的連接，對于過盈止口配合部位，應(yīng)設(shè)計專門壓具，并按照完全十字交叉順序擰緊連接螺栓。

5）對于停放時間較長的轉(zhuǎn)子，尤其是長徑比較大、容易變形的低渦軸組件，為了保證測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定、真實可靠，需在平衡機上運轉(zhuǎn)一定時間后再進行測量，并進行檢查。如GE90-115B低渦軸組件要求測量BK、BM動不平衡量（參見圖4），在370rpm、920rpm下各截面矢量差不超過1015gmm。

6）檢查平衡結(jié)果的準(zhǔn)確性，可用橡皮泥作為檢驗配重，檢驗配重引起的不平衡量等于2倍剩余不平衡量。在沿平衡面圓周均布的4個點上依次加檢驗配重時，不平衡量顯示值均應(yīng)不小于放置檢驗配重前的值，角度應(yīng)該在檢驗配重位置±30?范圍內(nèi)。

3.3? 盤軸連接工藝

盤軸組件連接是影響低渦轉(zhuǎn)子裝配附加不平衡量值的關(guān)鍵因素。對于分體平衡而言，是影響整機低渦轉(zhuǎn)子組件平衡品質(zhì)表現(xiàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，除了盤軸端面跳動高點錯開180?安裝、采用專用壓具保證配合到位外，連接螺栓軸向預(yù)緊力的均勻性和準(zhǔn)確性對于整個低壓渦輪轉(zhuǎn)子組件影響最為重要。因此，對于連接螺栓的擰緊工藝需要精細(xì)控制。

如GE90-115B發(fā)動機，由于低壓渦輪轉(zhuǎn)子質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量很大，對連接結(jié)構(gòu)的連接剛性和穩(wěn)定性要求更高[18]，需要可靠的裝配工藝才能保障，因此采用了智能擰緊系統(tǒng)實施“扭矩-轉(zhuǎn)角”工藝法進行連接質(zhì)量控制，如圖9所示，在智能擰緊軸前段安裝有扭矩/轉(zhuǎn)角傳感器，需滿足智能擰緊軸與傳感器的扭矩⊿（差值）在0±7Nm、扭角⊿在0±3?之內(nèi)，以精確控制螺栓預(yù)緊力的準(zhǔn)確性和一致性。

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