航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子動平衡方法探究

摘要：對航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子動平衡不平衡的原因進行了分析，針對航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子動平衡方法存在的缺點，對相應的平衡方法進行了改進和優(yōu)化，并提出了計算工裝誤差的相應方法，在解決轉(zhuǎn)子動平衡振動問題上具有積極作用。

關鍵詞：航空發(fā)動機;轉(zhuǎn)子動平衡;振動;平衡方法

0 引言

當航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子質(zhì)心與旋轉(zhuǎn)中心偏離會引起發(fā)動機振動。由于質(zhì)量不平衡引起的發(fā)動機振動容易導致發(fā)動機性能下降，嚴重損壞發(fā)動機零件，甚至導致發(fā)動機停轉(zhuǎn)。發(fā)動機維護時，必須動態(tài)平衡轉(zhuǎn)子，將轉(zhuǎn)子的不平衡度用平衡機測量配平后，轉(zhuǎn)子的不平衡量會達到相對穩(wěn)定的水平。

1 航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子動平衡概述

轉(zhuǎn)子不平衡是造成轉(zhuǎn)子過度振動和產(chǎn)生噪聲的主要原因之一，會對發(fā)動機的工作性能和使用壽命造成直接影響。因此，研究轉(zhuǎn)子動平衡技術，尤其是航空發(fā)動機的柔性轉(zhuǎn)子動平衡技術具有重要意義。常用機械包含大量用于旋轉(zhuǎn)運動的零件，例如各種驅(qū)動軸、主軸、電動機和渦輪轉(zhuǎn)子，這些被統(tǒng)稱為旋轉(zhuǎn)體[1]。當旋轉(zhuǎn)體理想旋轉(zhuǎn)時，軸承上的壓力與不旋轉(zhuǎn)時軸承上的壓力相同，這種旋轉(zhuǎn)體是平衡旋轉(zhuǎn)體。但是，由于各種因素，例如材料不均勻、毛坯缺陷、加工和組裝錯誤，甚至是設計中的幾何形狀不對稱，旋轉(zhuǎn)體上的每個微小顆粒產(chǎn)生的離心慣性力無法相互抵消，都會使軸承作用在機械及其基礎上的離心慣性力引起振動，產(chǎn)生噪聲，加速軸承磨損，縮短機械使用壽命并可能造成破壞性事故。為此，必須平衡轉(zhuǎn)子以達到平衡精度允許的水平，或?qū)C械振動幅度減小到允許范圍內(nèi)。

2 航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子動平衡的不平衡原因

2.1 ? ?加工原因

在毛坯制造過程中，會產(chǎn)生不均勻的壁厚和材料密度（縮孔、沙孔和氣孔）;機械加工中產(chǎn)生不均勻和不同的軸度（如軸頸傾斜，軸頸偏心，端面不垂直于軸線）;熱處理過程中會產(chǎn)生不均勻的微觀結構。同時，設計或加工的鍵槽不對稱，銷釘和孔位置不對稱的弓形平衡也會對轉(zhuǎn)子動平衡造成極大影響。

2.2 ? ?裝配原因

裝配質(zhì)量誤差導致轉(zhuǎn)子的重心與旋轉(zhuǎn)中心線不一致，例如轉(zhuǎn)子上設置的每個葉輪、軸套、止推盤、平衡盤等零件組裝時不垂直于旋轉(zhuǎn)中心線，就會導致接觸端面不平行。

2.3 ? ?運行原因

在轉(zhuǎn)子運行過程中，轉(zhuǎn)子彎曲變形是由于操作不當引起的，如動靜部件的摩擦或轉(zhuǎn)子在工作應力和溫度應力作用下的彎曲變形等;轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)下的故障，如渦輪轉(zhuǎn)子葉片飛走，零件缺陷，皮帶松動或斷裂;轉(zhuǎn)子零件松動（裝配松動或腐蝕性松動）;固體雜質(zhì)沉積在葉輪上等[2]。

3 發(fā)動機手冊中的航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子動平衡方法

4 現(xiàn)有轉(zhuǎn)子平衡方法的應用缺陷

以某臺進廠維修排故級別的發(fā)動機為例，發(fā)動機故障原因是因為EGT溫度超高，壓氣機轉(zhuǎn)子組件拆下后沒有進行及時分解。當按要求磨削高壓壓氣機之后，需要重新對其進行平衡。在平衡過程中發(fā)現(xiàn)，在平衡機數(shù)次旋轉(zhuǎn)中，其初始不平衡量的大小均不一致。設備廠家和OEM針對此類現(xiàn)象給出的原因是HPC轉(zhuǎn)子的葉片有所松動，這兩個廠家給出的故障排除建議分別是清洗內(nèi)腔灰塵和根據(jù)8點法對轉(zhuǎn)子組件進行平衡。其中8點法是指在0°、90°、180°、270°為起點旋轉(zhuǎn)平衡機，每個旋轉(zhuǎn)點旋轉(zhuǎn)兩次，求8次數(shù)值的矢量平均值;取下轉(zhuǎn)子，使芯軸180°平衡后繼續(xù)平衡8個點，求出平均值。用轉(zhuǎn)子調(diào)整180°，計算兩個平均值后的轉(zhuǎn)子真正失衡量，最后將轉(zhuǎn)子平衡到所需的標準范圍內(nèi)。

4.1 ? ?葉片松動問題

葉片松動對平衡梁的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性會造成極大影響，在反復對同一點進行測量時，平衡機給出的檢測數(shù)據(jù)會發(fā)生漂移和反復變化。

4.2 ? ?工裝誤差不穩(wěn)定

平衡芯軸的驅(qū)動臂連接工裝有多個方面，這使得工裝誤差的量級穩(wěn)定性始終較差，因此工作人員無法對其安裝準確性進行有效判斷。

4.3 ? ?檢測方法可靠性差

在平衡檢測環(huán)節(jié)，由于沒有可靠的數(shù)據(jù)檢測方法，使得不平衡量的測定可信度較差。

5 航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子動平衡方法優(yōu)化探究

5.1 ? ?4點平衡方法

針對發(fā)動機手冊中平衡方法存在的問題，可以對平衡方案進行適當改進，通過采用多點平衡的方法，降低發(fā)生轉(zhuǎn)子葉片松動問題的概率，在每次平衡之前都要對工裝誤差進行有效監(jiān)測，并對工裝誤差測量值的方法可靠性進行有效判斷，同時還要做好觀測記錄，以便于后期參考調(diào)整，使轉(zhuǎn)子的剩余不平衡量符合手冊的相關標準[3]。

5.2 ? ?轉(zhuǎn)子檢驗要點分析

在轉(zhuǎn)子動平衡檢驗工作中，除了執(zhí)行以上平衡機操作方法外，還要對平衡芯軸的不平衡量以及配合直徑進行定期檢查，定期清潔芯軸，確保其表面沒有雜物;同時，還要對平衡機驅(qū)動軸的萬向頭運行情況進行定期檢查，在葉片安裝中還要確保轉(zhuǎn)葉處于同一平面之內(nèi)，并詳細記錄配重數(shù)量、位置、大小等數(shù)據(jù)信息，以便于后期檢查核對。另外，由于平衡芯軸和驅(qū)動軸都有相對應的固定位置，因此在安裝時應該嚴格按照相關標準進行安裝。同時，還要對連接螺栓進行編號和稱重，在轉(zhuǎn)子支撐軸承運轉(zhuǎn)前應該注意潤滑，以此保證轉(zhuǎn)子運行的流暢性。

6 結語

本文主要采用4點法對航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子動平衡方案進行了優(yōu)化，并提出了計算工裝誤差的相應方法，為提高不平衡量測量數(shù)據(jù)的驗證精準性，完善轉(zhuǎn)子動平衡的操作流程提供了有力保障，通過驗證發(fā)現(xiàn)，該方法在解決轉(zhuǎn)子動平衡振動問題上具有積極作用。

[參考文獻]

[1] 中國航發(fā)哈爾濱東安發(fā)動機有限公司.一種小型航空發(fā)動機多段軸聯(lián)合轉(zhuǎn)子動平衡方法：CN201910622405.1[P].2019-09-20.

[2] 馮健朋，趙小勇.航空發(fā)動機振動不平衡相位檢測方法研究[J].燃氣渦輪試驗與研究，2018，31（3）：38-42.

[3] 陳曦，廖明夫，劉展翅，等.一種彈性支撐柔性轉(zhuǎn)子模態(tài)動平衡方法[J].南京航空航天大學學報，2016，48（3）：402-409.

收稿日期：2020-05-07

作者簡介：侯隆韜（1995—），男，河北邯鄲人，在讀研究生，研究方向：機械振動。