低壓渦輪初始不平衡量超限計算分析與排除

孫貴青，孫慧潔，趙 哲

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，沈陽110015）

0 引言

轉子不平衡是航空發(fā)動機的主要激振源，直接影響發(fā)動機可靠性及其部件使用壽命，在發(fā)動機裝配中需要設計嚴格的裝配、平衡工藝來控制轉子初始不平衡量和剩余不平衡量[1-5]。其中，初始不平衡量是轉子裝配后、平衡前轉子存在的不平衡，其量值過大會使最終平衡好的轉子內部仍存在不平衡力或不平衡力矩[6-7]，在轉子高速運轉過程中形成較大的轉子內部應力，進而破壞轉子本身的平衡狀態(tài)，引起整機振動過大等故障。針對初始不平衡量控制，文獻[8-9]基于各單件不平衡量提出了優(yōu)化各級盤角向裝配位置方法；文獻[10-12]基于轉子部件跳動測量，利用轉子不同心度和不平衡量雙目標優(yōu)化原則，得到更優(yōu)化的初始不平衡量。但在工程實踐中，受各單件及組合裝配的不平衡量、不同心度測量完整性、準確性限制，部分轉子仍然會出現初始不平衡量超限問題。

某型航空發(fā)動機低壓渦輪轉子出現初始不平衡量超限問題，由于缺少有效方法，在排除過程中往往帶有一定的盲目性，不僅延誤裝配周期，而且反復裝拆會增加機件損傷風險。本文通過計算和分析機件形位誤差對不平衡量的影響，形成了相應的超限處理流程，為快速排除及在裝配中抑制轉子初始不平衡量超限提供了具體指導。

1 問題描述

某型航空發(fā)動機低壓渦輪轉子平衡組件主要由低壓渦輪軸組件、低壓渦輪轉子組件、低壓渦輪靜子組件組成，前2者構成低壓渦輪轉子平衡組件的主要部分，如圖1所示。平衡組件采用盤鼓式結構，低壓渦輪軸組件通過轉子支承錐盤與低壓渦輪轉子組件連接在一起，轉子支承錐盤的上部連接在第3、4級盤的伸臂之間，下部固定在低壓渦輪軸的轉接盤上，轉子各級渦輪盤采用精密螺栓在盤的伸臂處連接和定心。

圖1 低壓渦輪動平衡

低壓渦輪轉子平衡要求如下：首先對低壓渦輪各級盤片組件進行靜平衡，在各級盤片平衡至殘余不平衡量不大于400 g·mm后，進行低壓渦輪轉子平衡組件組裝，以圖1中的基準A、B為支點，在臥式平衡機上進行低壓渦輪動平衡。要求在C、D 2處（安裝螺栓處）初始不平衡量都小于7500 g·mm，否則，需要將低壓渦輪分解到零件狀態(tài)，重新進行裝配和動平衡，直至初始不平衡量達到要求為止。

在實際中，低壓渦輪轉子時常出現初始不平衡量超限的情況（見表1），已成為制約科研生產的關鍵環(huán)節(jié)，亟待分析解決。

表1 初始不平衡量超差臺份示例

2 技術分析

為減小平衡機、平衡工裝、葉片活動量等因素造成的測量不穩(wěn)定性，在平衡工藝及生產操作中測量結果均要求使用4次測量的矢量平均法，通過多臺份低壓渦輪轉子平衡試驗分析，不平衡量隨機誤差均在215 g·mm以內。同時，在低壓渦輪轉子組件前、后修正面分別加蠟檢查測量的準確性，試驗結果也在要求范圍內。因此，裝配工藝方法應是影響初始不平衡量超差的主要因素。

圖3 端面跳動傾斜引起的偶不平衡影響

影響初始不平衡量的因素主要包括單件殘余不平衡量、單件定位基準、機件間裝配相位角度、連接螺栓擰緊順序、擰緊力矩大小等[13]，對于單件殘余不平衡量合格，固化連接螺栓擰緊順序、擰緊力矩數值等工藝規(guī)范情況下，單件定位基準、機件間裝配相位是影響轉子初始不平衡量的主要裝配參數。從低壓渦輪轉子平衡組件結構來看，當盤與軸間、支承錐盤與盤片組件之間、盤與盤之間定位基準誤差較大且裝配相位角度不利時，就會使得平衡組件慣性軸與旋轉軸間偏差超出合理范圍，造成轉子初始不平衡量超差。

3 初始不平衡量影響計算

3.1 定位基準對初始不平衡量影響公式

在一般情況下，轉子不平衡由2類基本不平衡混合而成，即：靜不平衡與偶不平衡。靜不平衡是中心主慣性軸僅平行偏離于（轉子）軸線的不平衡狀態(tài)；偶不平衡是中心主慣性軸與（轉子）軸線在質心相交的不平衡狀態(tài)[14]。

圖2 端面跳動傾斜引起的靜不平衡影響

按照“Balancing Machines：Tooling Design Criteria”（SAE ARP4163）標準[15]，定位接口對轉子不平衡量的影響分為：（1）定位接口柱面跳動引起的靜不平衡；（2）定位接口端面跳動引起的靜不平衡（如圖2所示）；（3）定位接口端面跳動引起的偶不平衡（如圖3所示）。計算公式分別為：

定位接口柱面跳動引起的轉子組件靜不平衡量

式中：M為轉子組件質量；aR為定位接口柱面跳動引起的轉子組件靜不平衡量。

定位接口端面跳動引起的轉子組件靜不平衡量

式中：aA為定位接口端面跳動；L為定位接口端面至轉子組件重心的軸向距離；RD為定位接口定位半徑。

定位接口端面跳動引起的轉子組件偶不平衡量

式中：RC為轉子組件修正面修正塊分布半徑。

3.2 轉子組件初始不平衡量影響計算

低壓渦輪結構參數見表2。分別對盤與軸間、支承錐盤與盤片組件間、盤片組件間裝配相位角度最不利影響進行分析計算。

表2 低壓渦輪結構參數

3.2.1 盤與軸間影響計算

根據式（1），代入數據計算可得盤軸定位接口柱面跳動引起的盤片轉子組件靜不平衡量最大值USRS=M1×aR/2=1720 g·mm。

根據式（2），盤軸定位接口端面跳動引起的盤片轉子組件靜不平衡量最大值USCS=M1×aA/2×（LS/RSD）=798 g·mm。

又根據式（3），盤軸定位接口端面跳動引起的盤片轉子組件偶不平衡量最大值UCSAC=M1×RAV×aA/2×（RAV/RSD）=868675 g·mm2，偶不平衡 UC的計算式為

式中：U為2個平面上的相對不平衡量大??；LK為2個平面間的距離。

按照式（4）可得單面不平衡量USAC=3913 g·mm。

不平衡量在校正平面內側（質心不對稱的內質心轉子，如圖4所示）的校正方法為

式中：UperA、UperB分別為 A、B校正平面上的許用剩余不平衡量；Uper為（總）許用剩余不平衡量（在質心平面）；LA、LB分別為從質心平面到A、B校正平面的距離；L為支承跨距。

圖4 質心不對稱的內質心轉子

根據式（5），單個修正面最大靜不平衡量UperCS=（USRS+USCS）×LK2/LK=1304 g·mm。

當定位基準引起的盤片轉子組件最大靜不平衡UperCS和最大偶不平衡USAC處于最不利組合時，最大值為 UperCS+USAC=5217 g·mm。

3.2.2 支承錐盤與盤片組件間影響計算

在最不利情況下，支承錐盤柱面跳動引起的5級盤片組件（不包含支承錐盤）靜不平衡量最大值為UPRS=M2×aPR/2=6900 g·mm。

支承錐盤端面跳動引起的5級盤片組件（不包含支承錐盤）靜不平衡量最大值為UPAS=M2×aPA/2×（LG/RZ）=700 g·mm。

支承錐盤端面跳動引起的5級盤片組件（不包含支承錐盤）偶不平衡量最大值為UCPAC=M2×RAV×aPA/2×（RAV/RZ）=1742400 g·mm2，根據式（4），單面不平衡量為 UPAC=7849 g·mm。

根據不平衡量在校正平面內側的校正方法（式（5）），單個修正面最大靜不平衡量 UperCS=（UPRS+UPAS）×LK2/LK=3937 g·mm。

當支承錐盤與盤片組件之間形位誤差引起的盤片轉子組件靜不平衡UperCS和偶不平衡UPAC處于最不利組合時，單個修正面不平衡量最大值UperCS+UPAC=11786 g·mm。

3.2.3 盤片組件間影響計算

為了減小裝配后的殘余不平衡力和力矩，第1～5級盤片組件優(yōu)化組合裝配要求如下：根據已標記好的第1、2、3級盤片的剩余不平衡量，將剩余不平衡量相對小的2級盤的重點位置放在同一角度，剩余不平衡量最大的1級盤的重點位置放置在相對180毅方向；第4級盤片剩余不平衡量重點位置與第1、2、3級盤片中剩余不平衡量最大的1級盤重點位置相同；第5級盤片剩余不平衡量重點位置與第4級盤重點位置相對180毅，具有3種低壓渦輪盤片組件組合可能，如圖5所示。因此，在最不利情況下，盤片組件剩余靜不平衡量最大值UPSS=800 g·mm，根據式（5），單個修正面最大不平衡量為 UperCS=UPSS×LK2/LK=414 g·mm。

圖5 低壓渦輪盤片組件組合形式

如果按上述工藝方法裝配后，跳動值不符合要求，則按照滿足跳動值相位安裝，若跳動值合格但盤片組件剩余不平衡量相位處于最不利組合時，盤片組件剩余靜不平衡量最大值為2000 g·mm，單個修正面不平衡量最大為1035 g·mm。

根據以上計算結果可知，轉子支撐錐盤與盤片組件間、低壓渦輪盤軸間裝配結果對初始不平衡量影響較大，主要原因為：（1）低壓渦輪軸定位基準由于半徑較小，盤片轉子組件修正半徑相對較大，使得盤片轉子組件不平衡量對盤軸間裝配相位角度特別敏感；（2）轉子支撐錐盤與盤片組件間形位誤差要求相對較大。

因此，預先控制轉子初始不平衡量以防止超差的主要方法包括：

（1）嚴格控制低壓渦輪5級盤片轉子組件相對轉子支承錐盤的柱面跳動、端面跳動等裝配精度，應盡可能?。ǜ鶕酝鶎嵺`經驗不應超過0.05 mm），在裝配相位角度上，端面跳動優(yōu)先于柱面跳動；

（2）應用裝配優(yōu)化技術對低壓渦輪軸、轉子支承錐盤、各級盤的幾何要素進行準確測量后，利用組合優(yōu)化算法保證裝配后組件端面跳動和柱面跳動最優(yōu)，轉子初始不平衡量盡可能小。

4 初始不平衡量超限排除流程

應用裝配優(yōu)化技術是控制轉子組件初始不平衡量的根本方法，相應地需要研發(fā)工藝裝備和軟件算法進行試驗驗證，相對而言周期較長，成本較高。當低壓渦輪轉子平衡組件初始不平衡量超限時，按照機件裝配先后順序及分解檢查工作量最小原則制定流程，可快速排除初始不平衡量超差問題。低壓渦輪平衡超差處理流程如圖6所示。

為檢查盤片組件間及盤軸間裝配到位情況，可以在平衡機上檢查第1級盤前和第5級盤后端面跳動，如果跳動值超過0.15 mm，則說明存在裝配不到位情況，需要分解檢查。

圖6 低壓渦輪平衡超差處理流程

前、后修正面不平衡量相位小于90毅時，判定靜不平衡為主模式，反之，判定偶不平衡為主模式。

根據研究制定的低壓渦輪轉子初始不平衡量超差排除流程，應用6臺次發(fā)動機進行平衡驗證，不平衡量超差均全部得以排除（見表3）。

表3 平衡結果對比

5 結論

本文針對某型發(fā)動機低壓渦輪轉子初始不平衡量超限問題進行了深入分析，制定了排除流程，經過實踐檢驗有效。得到了如下結論：

（1）轉子機件定位基準是影響初始不平衡量的重要因素，在生產實際中，可通過優(yōu)化轉子組件的裝配相位，減小定位基準誤差帶來的不平衡量影響。

（2）利用轉子定位基準誤差影響不平衡的計算公式，可對轉子各定位基準影響進行計算，識別出重要部位并排序，制定出針對性的工藝控制措施。

（3）在工藝設計階段，應做好轉子初始不平衡量超差排除預案，對于提高現場生產快速反應能力、識別及控制質量風險具有重要指導意義。

裝配優(yōu)化技術是未來航空發(fā)動機精益化、智能化裝配的必由之路，可延伸至零部件生產、故檢檢測等上游工序，按照優(yōu)化需求提供精確完整的技術數據，為裝配優(yōu)化實施提供充分的便利條件。