高壓轉(zhuǎn)子平衡技術(shù)改進(jìn)方案分析

杜立峰　韋周慶　王海寧　荀于凌

摘? 要：轉(zhuǎn)動件平衡工藝過程主要解決轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時(shí)離心力的影響，一般通過平衡測量并對應(yīng)性補(bǔ)償來解決。平衡工藝方法和工藝裝備在這個(gè)過程中起著決定性作用，發(fā)動機(jī)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子是典型的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子部件，目前平衡工藝方案能夠準(zhǔn)確的測量和分析轉(zhuǎn)子的不平衡量，需要進(jìn)一步研究和分析其工藝方法并對比分析優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：高壓轉(zhuǎn)子;平衡技術(shù);工藝方法

中圖分類號：V231? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）18-0114-03

Abstract： The balancing process of rotating parts mainly solves the influence of centrifugal force when the rotor rotates， which is generally solved by balance measurement and corresponding compensation. The balancing process method and equipment play a decisive role in this process. The engine high pressure compressor rotor is a typical compressor rotor component. At present， the balancing process scheme can accurately measure and analyze the unbalance of the rotor. It is necessary to further study and analyze its process methods and compare their advantages and disadvantages.

Keywords： high pressure rotor; balancing technology; process method

引言

發(fā)動機(jī)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子平衡采用現(xiàn)有的模擬轉(zhuǎn)子平衡工藝技術(shù)，該方案需要高精度和形位公差的模擬轉(zhuǎn)子來實(shí)現(xiàn)平衡工藝過程，但模擬轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)、制造成本高，使用后磨損較大，造成工裝管理成本增高，對轉(zhuǎn)子平衡也產(chǎn)生一定的影響。所以擬采用簡單方案設(shè)計(jì)新結(jié)構(gòu)平衡工裝，并通過對比試驗(yàn)的方法，進(jìn)一步分析驗(yàn)證該簡單平衡工裝的實(shí)用性和可靠性。

1 研究目標(biāo)

1.1 任務(wù)來源

該項(xiàng)目的研究目標(biāo)為，通過高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)結(jié)合現(xiàn)有模擬轉(zhuǎn)子平衡工藝方法，分析采用簡單芯軸進(jìn)行動平衡的可行性和可靠性。

1.2 主要研究內(nèi)容

該項(xiàng)目針對高壓轉(zhuǎn)子的不同平衡工藝方案，比較兩種方案技術(shù)上的可行性，從而將模擬轉(zhuǎn)子平衡方案完善為芯軸平衡工藝方案，保證平衡狀態(tài)的穩(wěn)定性、技術(shù)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、平衡結(jié)果的可靠性的同時(shí)降低平衡過程成本和減少平衡影響因素。

該項(xiàng)目的難點(diǎn)在于對比試驗(yàn)和分析兩種工藝方案的差異，從平衡原理上，兩種工藝方法可保證平衡狀態(tài)的一致性，需要研究在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的差異點(diǎn)和原因，該項(xiàng)目主要針對高壓轉(zhuǎn)子采用模擬轉(zhuǎn)子平衡方案進(jìn)行研究，創(chuàng)新的提出采用平衡芯軸方案，解決模擬轉(zhuǎn)子平衡工藝過程中的制造難、成不高、工藝過程復(fù)雜、平衡影響大的技術(shù)難題。

1.2.1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

目前國內(nèi)使用的航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子平衡技術(shù)是較為先進(jìn)的裝配技術(shù)，理論基礎(chǔ)成熟，平衡技術(shù)水平應(yīng)用與國外水平較為接近，且實(shí)際應(yīng)用范圍也較為廣泛。

國外的平衡技術(shù)具備成熟的理論基礎(chǔ)，特別是德國、美國等國家，在軍用、民用各類航空、航天、儀表、汽車等多方面常規(guī)和高精的平衡技術(shù)均有較高發(fā)展，包含平衡機(jī)研發(fā)和制造技術(shù)居于世界前列。目前國內(nèi)平衡設(shè)備制造技術(shù)仍然相對較落后，平衡設(shè)備的發(fā)展也是平衡技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，平衡設(shè)備的先進(jìn)性直接影響平衡技術(shù)的發(fā)展和平衡技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果。

轉(zhuǎn)子動平衡方向相關(guān)專利及文獻(xiàn)相對較少，一般主要涉及燃?xì)廨啓C(jī)及泵類行業(yè)，航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子平衡專業(yè)技術(shù)方面國內(nèi)外專利和文獻(xiàn)較少，特別是關(guān)于航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子平衡方向暫未檢索到相關(guān)文獻(xiàn)。

1.2.2 高壓轉(zhuǎn)子平衡技術(shù)要求

（1）高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子動平衡簡圖見圖1。

按圖紙組裝轉(zhuǎn)子，并滿足以下要求， 止口面徑跳與端跳應(yīng)滿足要求。

（2）按照圖1的要求組裝轉(zhuǎn)子動平衡系統(tǒng)。平衡采用模擬轉(zhuǎn)子，允許用聯(lián)軸節(jié)傳動，高壓渦輪轉(zhuǎn)子模擬件要求模擬渦輪轉(zhuǎn)子的重量、重心和剛性。

（3）在不裝四～九級葉片情況下轉(zhuǎn)子的初始平衡。

（4）轉(zhuǎn)子最終動平衡。

（5）平衡校正與調(diào)整。

（6）平衡后記錄各級平衡塊的位置，標(biāo)記最終不平衡量的大小和方位，標(biāo)記鼓筒間的相對位置。

1.2.3 該平衡技術(shù)方案存在以下問題

（1）模擬轉(zhuǎn)子動平衡的實(shí)際意義。模擬轉(zhuǎn)子平衡在于采用的平衡工裝模擬相配轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)尺寸、質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量等參數(shù)，并在使用前進(jìn)行工裝平衡，與被平衡轉(zhuǎn)子裝配及平衡時(shí)采用轉(zhuǎn)位方式進(jìn)一步補(bǔ)償消除平衡模擬轉(zhuǎn)子的不平衡量，最終對被平衡轉(zhuǎn)子進(jìn)行平衡的工藝過程，模擬轉(zhuǎn)子的重要特點(diǎn)如下：模擬與被平衡轉(zhuǎn)子相配轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)尺寸、質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量等參數(shù)進(jìn)行工裝設(shè)計(jì)。模擬轉(zhuǎn)子需要成對進(jìn)行相互平衡，平衡時(shí)控制平衡參數(shù)。平衡被平轉(zhuǎn)子時(shí)一般采用轉(zhuǎn)位平衡的方式進(jìn)一步補(bǔ)償工裝的不平衡量。模擬轉(zhuǎn)子提出依據(jù)在于轉(zhuǎn)子裝配時(shí)存在互換性的優(yōu)勢。

（2）模擬轉(zhuǎn)子加工精度和質(zhì)量的影響。由于模擬轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是與實(shí)際發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)相接近，其質(zhì)量及轉(zhuǎn)動摜量均較大，所以其尺寸精度則至關(guān)重要，因?yàn)槌叽缇群托挝还钪苯佑绊懩M轉(zhuǎn)子自身平衡和平衡發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)子，而且影響系數(shù)較高，如果在采用轉(zhuǎn)位平衡時(shí)，模擬轉(zhuǎn)子的裝配重復(fù)性不好的情況下，轉(zhuǎn)位平衡后的模擬轉(zhuǎn)子不平衡量補(bǔ)償值將會存在假象，造成發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子平衡結(jié)果的偏差。

（3）影響轉(zhuǎn)位補(bǔ)償?shù)囊蛩?。模擬轉(zhuǎn)子由于質(zhì)量大，結(jié)構(gòu)尺寸大，其自身制造加工要求高，所以在加工制造時(shí)存在一定的困難，況且由于自身質(zhì)量因素，模擬轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)位補(bǔ)償時(shí)，偏心矩偏差相對較大，所以對轉(zhuǎn)位補(bǔ)償影響系數(shù)大，這就需要在模擬轉(zhuǎn)子加工時(shí)提高加工精度，以減少后續(xù)裝配平衡中存在的誤差因素。

（4）模擬轉(zhuǎn)子自身不平衡量的控制。模擬轉(zhuǎn)子的不平衡量控制一般在兩個(gè)方面，一是模擬轉(zhuǎn)子自身平衡時(shí)的不平衡量控制，因?yàn)槟M轉(zhuǎn)子需要成套使用和平衡，平衡時(shí)除嚴(yán)格控制兩個(gè)成套模擬轉(zhuǎn)子的裝配和平衡參數(shù)外，還需要反復(fù)轉(zhuǎn)位補(bǔ)償相對不平衡量，并最終達(dá)到平衡要求數(shù)據(jù)。二是采用模擬轉(zhuǎn)子平衡發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子時(shí)，要保證裝配控制參數(shù)滿足要求，并采用轉(zhuǎn)位補(bǔ)償方式，但目前由于模擬轉(zhuǎn)子自身質(zhì)量較大，控制平衡參數(shù)影響系數(shù)大，所以轉(zhuǎn)位補(bǔ)償只能在一定不平衡量范圍內(nèi)進(jìn)行控制。

2 常規(guī)平衡技術(shù)方案

2.1 常規(guī)平衡技術(shù)方案分析

常規(guī)平衡技術(shù)方案是采用常規(guī)工裝結(jié)構(gòu)，從工裝尺寸和質(zhì)量上控制，并采用同樣加工精度，從工裝自身不平衡量和高尺寸精度上來減少工裝對被平衡轉(zhuǎn)子的影響。

（1）常規(guī)平衡方案設(shè)計(jì)的工裝盡可能的在保證工裝使用結(jié)構(gòu)和剛性的前提下減少工裝的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量，從根本上降低工裝對被平衡轉(zhuǎn)子的影響。（2）工裝結(jié)構(gòu)尺寸精度仍然需要很高，目的在于進(jìn)一步保證裝配和平衡狀態(tài)和穩(wěn)定性的控制。（3）工裝自身平衡方法簡單有效，可從根本上降低工裝不平衡量對被平轉(zhuǎn)子的影響。（4）采用常規(guī)工裝平衡的轉(zhuǎn)子仍然采用轉(zhuǎn)位平衡方案，可進(jìn)一步降低工裝尺寸精度帶來的平衡影響。

2.2 具體方案制定

2.2.1 基本方案

針對發(fā)動機(jī)高壓轉(zhuǎn)子無支承結(jié)構(gòu)剛性轉(zhuǎn)子動平衡的目的在于完成剛性轉(zhuǎn)子在某轉(zhuǎn)速下的不平衡量校正，目前采用模擬轉(zhuǎn)子平衡是一個(gè)主要手段，但由于剛性轉(zhuǎn)子低速動平衡目的在于完成剛性轉(zhuǎn)子校正，采用模擬轉(zhuǎn)子的平衡成本較高，模擬轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)制造難度較大，所以擬采用一種較簡單的平衡方式降低工藝裝備設(shè)計(jì)制造難度，減少生產(chǎn)成本。

如圖3，本方案其特征在于包括軸套1、轉(zhuǎn)接盤2、法蘭盤3、螺栓4、螺栓5、前軸套6、拔具7、螺栓8、頂板9;另外包含被高壓轉(zhuǎn)子10。軸套1通過螺栓4與法蘭盤3連接，法蘭盤3通過螺栓5與轉(zhuǎn)接盤2連接;前軸套5為獨(dú)立結(jié)構(gòu);拔具7含連接螺栓8;頂板9為獨(dú)立結(jié)構(gòu)。軸套1為盤狀結(jié)構(gòu)，左端與高壓轉(zhuǎn)子10過盈定位連接，右端為筒狀結(jié)構(gòu)，外圓與平衡機(jī)支承承接。轉(zhuǎn)接盤2為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)主要用于該工藝裝備組件與靜平衡機(jī)連接。法蘭盤3為盤狀結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)主要用于轉(zhuǎn)子組件平衡時(shí)該工藝裝備組件與動平衡機(jī)驅(qū)動聯(lián)軸節(jié)連接。前軸套6與高壓轉(zhuǎn)子10前短軸頸過盈裝配，外圓用于與平衡機(jī)支承。拔具7為分解前軸套6工具，采用千斤頂與頂板9共同輔助分解。螺栓4、螺栓5、螺栓8均為相應(yīng)的連接螺栓。該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)用性高，設(shè)計(jì)與制造周期短、費(fèi)用低。

2.2.2 工裝結(jié)構(gòu)

工裝的結(jié)構(gòu)主要包含軸套、前軸套、拔具和頂板。

該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)主要采用圖4所示的軸套替換了原平衡采用的模擬轉(zhuǎn)子，降低了工裝結(jié)構(gòu)對平衡的影響，提高了平衡的穩(wěn)定性。

2.2.3 常規(guī)平衡技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)分析

從理論分析可以看出，常規(guī)平衡方案的主要優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）采用替代模擬轉(zhuǎn)子的工藝軸套，結(jié)構(gòu)尺寸、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量均有所改善，減少了質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量，結(jié)構(gòu)尺寸減小，降低了工裝材料成本，降低了高精度工裝的加工難度。

（2）該結(jié)構(gòu)工藝軸套應(yīng)用于裝配工藝過程中時(shí)，裝配過程簡單化，提高了裝配周期。

（3）由于結(jié)構(gòu)尺寸、質(zhì)量變化，使該工裝自身平衡過程中的難度降低，平衡可靠性提高，減少對高壓轉(zhuǎn)子的影響。

（4）由于結(jié)構(gòu)尺寸、質(zhì)量變化，使采用該工裝對高壓轉(zhuǎn)子進(jìn)行平衡時(shí)，減少了對高壓轉(zhuǎn)子平衡的影響，并結(jié)合轉(zhuǎn)位平衡方式進(jìn)一步減少了對高壓轉(zhuǎn)子平衡的影響，提高了平衡可靠性。

3 結(jié)論

（1）通過對模擬轉(zhuǎn)子平衡方案和常規(guī)平衡方案進(jìn)行分析，對于剛性轉(zhuǎn)子的平衡，模擬轉(zhuǎn)子平衡技術(shù)方案不存在優(yōu)勢。

（2）從理論和結(jié)構(gòu)分析，該結(jié)構(gòu)工裝在平衡工藝技術(shù)方案上完全可以替代模擬轉(zhuǎn)子對高壓轉(zhuǎn)子進(jìn)行動平衡，且平衡可靠性應(yīng)該高于模擬轉(zhuǎn)子平衡方案。

（3）下一步還要通過采用常規(guī)平衡方案對高壓轉(zhuǎn)子進(jìn)行平衡數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)并結(jié)合發(fā)動機(jī)振動情況進(jìn)行分析，進(jìn)一步論證常規(guī)平衡方案的可行性。

參考文獻(xiàn)：

[1]哈托·施奈德.平衡技術(shù)理論與實(shí)踐[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1981.

[2]譚本智.動平衡技術(shù)基礎(chǔ)[Z].

[3]杜立峰，韓冰，王濤，等.通用轉(zhuǎn)子平衡工藝裝備結(jié)構(gòu)分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2013（10）：19.