柔性轉(zhuǎn)子高速動平衡工藝優(yōu)化研究

夏華騰 葉飛 唐湘林 李軍 陳凱 王超

摘要：通過對某型渦軸發(fā)動機動力渦輪傳動軸組件高速動平衡測試技術(shù)研究，分析了裝配重復(fù)性對動力渦輪傳動軸高速動平衡測試結(jié)果的影響，并制定改進措施。統(tǒng)計分析動力渦輪傳動軸加工對單元體高速動平衡測試結(jié)果影響，提出帶模擬盤的柔性傳動軸組件高速動平衡工藝方法，提高了單元體狀態(tài)動力渦輪傳動軸高速動平衡測試合格率。

關(guān)鍵詞：動力渦輪軸；組件；高速動平衡；柔性轉(zhuǎn)子；撓曲變形；試驗研究

Keywords： power turbine shaft；components ；high-speed dynamic balance；flexible rotor；flexible deflection；experimental study

0 引言

現(xiàn)代中型、小型航空發(fā)動機的轉(zhuǎn)子正朝著轉(zhuǎn)速越來越高、越來越“柔”性的方向發(fā)展，結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，對動力特性和高速平衡研究提出了新的挑戰(zhàn)。然而，由于試驗條件和經(jīng)費的限制，國內(nèi)在這方面的研究大多停留在理論分析、數(shù)值模擬以及模擬轉(zhuǎn)子的試驗驗證階段，很少開展真實航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子的高速動平衡研究。國外只有美國、德國等國家開展了較深入的研究。

某新型渦軸發(fā)動機采用了前輸出軸方案（動力渦輪傳動軸穿過燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)子內(nèi)腔，伸到發(fā)動機前端），導(dǎo)致動力渦輪軸組件（與動力渦輪轉(zhuǎn)子相比，僅不裝兩級動力渦輪盤）工作在彎曲臨界轉(zhuǎn)速之上。動力渦輪軸組件是一個非常柔性的轉(zhuǎn)子，具有空心、薄壁、大長徑比、帶彈性支承和擠壓油膜阻尼器、內(nèi)置測扭基準(zhǔn)軸的結(jié)構(gòu)特點，傳動軸的長徑比大于30。結(jié)構(gòu)簡圖（含輸出軸組件）如圖1所示。鑒于柔性轉(zhuǎn)子的高速動平衡技術(shù)是減少渦軸發(fā)動機整機振動的重要手段，本文開展對軸組件的高速動平衡試驗方法研究，通過試驗測得了轉(zhuǎn)子在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的動力特性，解決了動力渦輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)過二階彎曲臨界振動大的技術(shù)問題，取得了良好的平衡效果。

1高速動平衡工藝

1.1試驗介紹

動力渦輪軸組件的高速動平衡試驗在臥式高速旋轉(zhuǎn)試驗器上進行，試驗器由驅(qū)動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、支承系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和測試系統(tǒng)等組成，其設(shè)計轉(zhuǎn)速和功率完全滿足試驗要求，配有氣動打磨去料系統(tǒng)。動力渦輪軸組件高速動平衡試驗時通過驅(qū)動軸連接輸出軸，帶轉(zhuǎn)動力渦輪傳動軸組件，轉(zhuǎn)速從零增至發(fā)動機額定工作轉(zhuǎn)速，以檢查動力渦輪傳動軸組件在發(fā)動機全工作轉(zhuǎn)速下的撓曲變形特性，試驗安裝及測試示意圖如圖2所示。

1.2平衡工藝介紹

某型渦軸發(fā)動機裝配過程中，其動力渦輪傳動軸組件需經(jīng)過兩次高速動平衡試驗，具體裝配及平衡流程如圖3所示。通過裝配流程可知，動力渦輪傳動軸組件在整個裝配過程中至少要完成1次光身高速動平衡和1次單元體高速動平衡，其中光身高速動平衡檢查是為了檢查動力渦輪傳動軸的動撓度特性，單元體高速動平衡檢查是為了檢查整改動力渦輪單元體最終狀態(tài)動力渦輪傳動軸的動撓度特性，保證發(fā)動機使用安全。

1.3高速平衡結(jié)果統(tǒng)計分析

光身與單元體狀態(tài)動力渦輪傳動軸組件上轉(zhuǎn)動件的裝配流程與控制要求一致，其高速動平衡測試結(jié)果理論上應(yīng)具有一致性，但會受裝配重復(fù)性影響。為分析裝配重復(fù)性對高速動平衡測試結(jié)果的影響是否可控，統(tǒng)計了動力渦輪轉(zhuǎn)子分別在光身、單元體狀態(tài)下的高速動平衡測試結(jié)果。運用Minitab分析工具進行測量系統(tǒng)分析，結(jié)果如下：

1）臨界狀態(tài)下，重復(fù)性=79.23%>30%，再現(xiàn)性=37.12%>30%，可區(qū)分的類別數(shù)=1<4，表明動力渦輪傳動軸在光身和單元體狀態(tài)下，臨界狀態(tài)動撓度測試結(jié)果統(tǒng)計上不一致。

2）額定狀態(tài)下，重復(fù)性=61.10%>30%，再現(xiàn)性=61.42%>30%，可區(qū)分的類別數(shù)=1<4，表明動力渦輪傳動軸在光身和單元體狀態(tài)下，額定狀態(tài)動撓度測試結(jié)果統(tǒng)計上不一致。

按統(tǒng)計上的定義，當(dāng)測量結(jié)果重復(fù)性和再現(xiàn)性高于30%或可區(qū)分?jǐn)?shù)小于4時，測量結(jié)果統(tǒng)計上不一致，數(shù)據(jù)不可用于分析。

分析發(fā)現(xiàn)，按現(xiàn)有裝配流程及過程控制要求，裝配重復(fù)性難以保證光身與單元體狀態(tài)動力渦輪傳動軸高速動平衡測試數(shù)據(jù)的重復(fù)性，導(dǎo)致分解返工、重復(fù)平衡，造成浪費。

2高速動平衡工藝改進研究

2.1帶模擬盤高速動平衡工藝試驗

通過試驗發(fā)現(xiàn)，動力渦輪傳動軸光軸狀態(tài)高速動平衡不能反映正常工作狀態(tài)動撓度特性。通過分析，決定采取用模擬盤代替正式渦輪轉(zhuǎn)子組件安裝在動力渦輪傳動軸上，進行高速動平衡測試。

由于模擬盤具有設(shè)計配合過盈量小、連接結(jié)構(gòu)簡單、裝配時間短、拆裝方便且不損傷零件的優(yōu)點，可有效提高裝配平衡效率，采用模擬盤取代渦輪轉(zhuǎn)子裝配進行高速動平衡測試可實現(xiàn)轉(zhuǎn)子裝配與動力渦輪傳動軸高速動平衡的平行作業(yè)，有效縮短裝配周期。

通過動力渦輪傳動軸帶模擬盤高速動平衡測試，如圖4所示結(jié)果顯示，通過臨界點后，傳動軸撓度漸趨平穩(wěn)直到額定轉(zhuǎn)速。

2.2 平衡試驗結(jié)果對比分析

試驗數(shù)據(jù)顯示動力渦輪傳動軸帶模擬盤高速動平衡測試與正常工作狀態(tài)動撓度特性一致，為檢查測試結(jié)果在統(tǒng)計上的一致性，收集了帶模擬盤狀態(tài)和單元體狀態(tài)動力渦輪傳動軸高速動平衡測試數(shù)據(jù)，運用Minitab分析工具進行測量系統(tǒng)分析，結(jié)果如下：

1）重復(fù)性=17.94%<30%，再現(xiàn)性=10.78%<30%，可區(qū)分的類別數(shù)=4，數(shù)據(jù)分析表明動力渦輪傳動軸在帶模擬盤和單元體狀態(tài)下，臨界狀態(tài)動撓度測試結(jié)果具有統(tǒng)計上的一致性。

2）重復(fù)性=24.95%<30%，再現(xiàn)性=18.11%<30%，可區(qū)分的類別數(shù)=4，數(shù)據(jù)分析表明動力渦輪傳動軸在帶模擬盤和單元體狀態(tài)下，額定狀態(tài)動撓度測試結(jié)果具有統(tǒng)計上的一致性。

帶模擬盤和單元體狀態(tài)下的動力渦輪傳動軸高速動平衡測試結(jié)果具有統(tǒng)計意義上的一致性，可用帶模擬盤的動力渦輪傳動軸高速動平衡測試取代光身高速動平衡測試。

2.3平衡工藝優(yōu)化

經(jīng)裝配過程控制優(yōu)化及帶模擬盤高速動平衡應(yīng)用，對動力渦輪傳動軸裝配平衡流程進行了改進，如圖5所示。

改進后增加了動力渦輪傳動軸加工過程的單件帶模擬盤高速動平衡測試及組件帶模擬盤高速動平衡測試，取消了裝配過程光身高速動平衡測試。裝配過程實現(xiàn)帶導(dǎo)向器組件低速動平衡校準(zhǔn)，直接進行單元體高速動平衡測試，實現(xiàn)了動力渦輪單元體低、高速動平衡全過程無分解控制，有效提高了裝配效率及裝配可靠性。

2.4 效果驗證

通過動力渦輪傳動軸加工、裝配平衡流程優(yōu)化，提高單組件高速動平衡測試控制精度及裝配過程控制，有效縮短了動力渦輪單元體裝配周期，且單元體高速動平衡一次合格率顯著提升。自項目應(yīng)用以來，某型發(fā)動機動力渦輪傳動軸單元體高速動平衡一次通過率由68.4%提升至90.5%（見圖6）。

3 結(jié)束語

本文試驗應(yīng)用高速動平衡測試技術(shù)，研究了動力渦輪傳動軸組件動撓度特性，提出并開展了帶模擬盤代替轉(zhuǎn)子組件的對比試驗。試驗表明，兩種高速動平衡試驗結(jié)果基本一致，可有效提高動力渦輪傳動軸組件單元體高速動平衡一次合格率，提高裝配效率。

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