大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇平衡工藝分析

孫貴青，丁一明，龍洋，趙哲

中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110015

大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)一般用于大型商用民航飛機(jī)，追求安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性[1]。轉(zhuǎn)子平衡工藝是減小發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)、保障發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作的重要手段，對(duì)滿(mǎn)足大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)壽命、高可靠性、低噪聲等技術(shù)指標(biāo)具有重大意義。

為減小發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)，CFM56、Ⅴ2500、PW4000、GE90等國(guó)際先進(jìn)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)通常具有本機(jī)平衡功能[2]，即發(fā)動(dòng)機(jī)在臺(tái)架上或裝在飛機(jī)上對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行平衡。除外場(chǎng)更換葉片等情況外，新的或經(jīng)過(guò)修理的發(fā)動(dòng)機(jī)，在試車(chē)中（如整機(jī)振動(dòng)超過(guò)規(guī)定值）可在臺(tái)架上進(jìn)行本機(jī)平衡，將振動(dòng)降到允許范圍內(nèi)，具有簡(jiǎn)便、省時(shí)、能延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命等優(yōu)點(diǎn)[3]。目前，國(guó)外先進(jìn)飛機(jī)都已實(shí)現(xiàn)利用機(jī)載設(shè)備進(jìn)行振動(dòng)配平計(jì)算，如波音737飛機(jī)的振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)（AⅤM）設(shè)備、A330 飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)接口振動(dòng)及監(jiān)控組件（EⅠⅤMU）設(shè)備等[4-6]。國(guó)內(nèi)學(xué)者基于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、本機(jī)平衡方法進(jìn)行了較多研究。尚洋[6-7]設(shè)計(jì)了利用發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)控裝置（EⅤMU）進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)配平計(jì)算的功能，并對(duì)獲取振動(dòng)因子計(jì)算數(shù)據(jù)的試驗(yàn)試飛方法進(jìn)行了研究，給出了振動(dòng)因子數(shù)據(jù)處理方法。王鳳、張德志等[8]詳細(xì)闡述了某型民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方案；羅立、唐慶如[9]研究了三圓本機(jī)平衡方法；夏存江[10]提出了基于多組振動(dòng)數(shù)據(jù)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇配平方法，解決了早期的機(jī)載振動(dòng)設(shè)備不具備提供發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇配平解決方案的實(shí)際困難。姜廣義[11]自行設(shè)計(jì)以發(fā)動(dòng)機(jī)葉片監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所測(cè)磁鋼信號(hào)為基準(zhǔn),利用一次試加配重法降低了發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)。陳曦、廖明夫等[12-13]建立基于最小二乘影響系數(shù)的低壓轉(zhuǎn)子現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡方法，并通過(guò)真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證其正確性與可靠性。上述研究中，均未對(duì)本機(jī)平衡的不平衡量來(lái)源進(jìn)行分析。仝崇樓、龔小平等[14]建立壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子模型，評(píng)估了整機(jī)不平衡量相對(duì)轉(zhuǎn)子不平衡量的變化值，然而，該模型做了較多假設(shè)，評(píng)估計(jì)算采用以往經(jīng)驗(yàn)值，難以指導(dǎo)實(shí)際工程應(yīng)用。

因此，本文以配裝空中客車(chē)A321 系列飛機(jī)的CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)為對(duì)象，對(duì)典型大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及平衡工藝性進(jìn)行詳細(xì)分析，并采用SAE ARP 4163 標(biāo)準(zhǔn)中結(jié)構(gòu)容差對(duì)轉(zhuǎn)子不平衡量影響公式，揭示風(fēng)扇不平衡模式下的整機(jī)振動(dòng)超限產(chǎn)生機(jī)理，為國(guó)內(nèi)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)提供技術(shù)參考。

1 風(fēng)扇結(jié)構(gòu)及分析

1.1 整機(jī)組成及支承方案

CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)按單元體設(shè)計(jì)，全機(jī)分為風(fēng)扇、核心機(jī)、低壓渦輪和附件傳動(dòng)4 個(gè)主單元體，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其中風(fēng)扇主單元體包含風(fēng)扇/增壓級(jí)，1、2支點(diǎn)支承組件，中央傳動(dòng)機(jī)匣和3號(hào)支點(diǎn)組件、風(fēng)扇機(jī)匣4個(gè)維修單元體[15]。

低壓轉(zhuǎn)子支承形式為0-2-1，這種支承布局較簡(jiǎn)支形式減少風(fēng)扇前靜子支承機(jī)匣，簡(jiǎn)化了整機(jī)結(jié)構(gòu)。1號(hào)支點(diǎn)（滾珠軸承）和2 號(hào)支點(diǎn)（滾棒軸承）將風(fēng)扇轉(zhuǎn)子支承于中介機(jī)匣，后端通過(guò)5 號(hào)支點(diǎn)（滾棒軸承）將低壓渦輪轉(zhuǎn)子支承于渦輪后機(jī)匣，如圖2 所示。風(fēng)扇轉(zhuǎn)子與低壓渦輪轉(zhuǎn)子兩軸段采用雙柱面定心的套齒式剛性聯(lián)軸器組成低壓轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，共同以N1轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)風(fēng)扇部位存在較大的不平衡量時(shí)，通常會(huì)引起低渦部位振動(dòng)幅值增加，也可利用單獨(dú)風(fēng)扇配平解決低渦部位振動(dòng)問(wèn)題。

風(fēng)扇轉(zhuǎn)子為懸臂結(jié)構(gòu)，1、2號(hào)軸承位于轉(zhuǎn)子內(nèi)腔一側(cè)，具有風(fēng)扇轉(zhuǎn)子裝拆方便、轉(zhuǎn)子同軸度容易保證、精度高等優(yōu)點(diǎn)，但不利于轉(zhuǎn)子橫向剛性控制。

1.2 風(fēng)扇轉(zhuǎn)子組成

風(fēng)扇/增壓級(jí)主要由1級(jí)風(fēng)扇和4級(jí)增壓級(jí)組成。36片風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片為鈦合金大尺寸帶凸肩葉片，利用軸向燕尾榫頭，裝入風(fēng)扇盤(pán)。增壓級(jí)轉(zhuǎn)子由鼓筒和4 級(jí)轉(zhuǎn)子葉片組成，鼓筒采用鈦合金整體結(jié)構(gòu)形式，同軸度易于精確保證。風(fēng)扇盤(pán)與增壓級(jí)間為無(wú)止口、螺栓連接，與風(fēng)扇軸由過(guò)盈止口定心、螺栓連接。風(fēng)扇盤(pán)前裝有帽罩前段和帽罩后段，其中，帽罩后段作為本機(jī)低壓轉(zhuǎn)子平衡的前修正面，共有36 個(gè)本機(jī)平衡螺釘孔，如圖3所示，通過(guò)安裝不同重量平衡螺釘方法進(jìn)行平衡調(diào)整工作，極限狀態(tài)下可修正不平衡量數(shù)值不小于40000g·mm[8]。

在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行本機(jī)平衡時(shí)，轉(zhuǎn)子不平衡量相位角的確定是通過(guò)安裝在風(fēng)扇軸上30 齒測(cè)速齒輪上一個(gè)特殊的厚齒發(fā)出的信號(hào)提供的。該齒半徑較其他齒大，其安裝方向與風(fēng)扇基準(zhǔn)葉片（1號(hào)葉片）方向相一致。為保證相位一致，帽罩后段、風(fēng)扇盤(pán)、風(fēng)扇軸與測(cè)速齒輪為唯一位置裝配。

2 轉(zhuǎn)子平衡工藝方法分析

2.1 轉(zhuǎn)子平衡準(zhǔn)則

低壓轉(zhuǎn)子及其支撐系統(tǒng)在工作轉(zhuǎn)速內(nèi)存在二階低壓激振臨界轉(zhuǎn)速，分別為渦輪轉(zhuǎn)子俯仰振型和風(fēng)扇轉(zhuǎn)子俯仰振型[13]。

通常，航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子不采用高速平衡方法，而是視為準(zhǔn)剛性轉(zhuǎn)子進(jìn)行低速動(dòng)平衡，主要原因有：（1）不同于其他所有轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)需要進(jìn)行定期、精確的維修和平衡，高速動(dòng)平衡工藝需要制造商和所有維修廠必須配備高速動(dòng)平衡設(shè)備，而配備這些設(shè)備成本非常高、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性較差。（2）用戶(hù)通常要求轉(zhuǎn)子部件具有互換性或者在不顯著增加不平衡量水平的前提下完成組件裝配，在整個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)及各部、組件的制造和組裝中只有采用多級(jí)平衡工藝才能滿(mǎn)足這個(gè)要求，這也需要低速平衡才能實(shí)現(xiàn)。

按照“撓性轉(zhuǎn)子的平衡”（GB/T 6557），風(fēng)扇轉(zhuǎn)子采用低速平衡時(shí)，應(yīng)遵循如下要求[16]：（1）組裝前，將每個(gè)單部件視為剛性轉(zhuǎn)子分別單獨(dú)做低速平衡，平衡校正到指定的不平衡量要求之內(nèi)。同時(shí)，各單部件在軸上安裝處的不同軸度或其他定位配合面相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的允差應(yīng)該小。（2）當(dāng)一個(gè)轉(zhuǎn)子包括各獨(dú)立部件，并成套同心安裝時(shí)，如葉片、連接螺栓等，應(yīng)進(jìn)行分揀后裝配，以保證剩余不平衡量在允許公差內(nèi)。（3）在轉(zhuǎn)子上裝配的每個(gè)零件均要平衡校正，在裝配好后或在某一裝配階段，統(tǒng)一再進(jìn)行校正。

2.2 風(fēng)扇轉(zhuǎn)子平衡工藝分析

該型發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子采用單元體設(shè)計(jì)，風(fēng)扇增壓級(jí)組件與風(fēng)扇軸組件分屬不同的維修單元體。

風(fēng)扇軸組件為高精密加工件，1 號(hào)軸承、2 號(hào)軸承安裝在上面，可有效保證1、2支點(diǎn)同軸度，制造中即進(jìn)行了動(dòng)平衡。因此，在1、2 支點(diǎn)維修單元體組裝中不需再進(jìn)行動(dòng)平衡。

風(fēng)扇增壓級(jí)組件主要包含風(fēng)扇葉片、風(fēng)扇盤(pán)及增壓級(jí)組件等。按照多級(jí)平衡工藝進(jìn)行低速平衡時(shí)，有“風(fēng)扇盤(pán)片組件平衡+增壓級(jí)組件平衡”的分別平衡工藝或者“帶風(fēng)扇盤(pán)的增壓級(jí)平衡+風(fēng)扇葉片排序”工藝兩種可供選擇的方法。由于增壓級(jí)組件中只設(shè)有一處不平衡量校正位置（4級(jí)配重塊修正），無(wú)法進(jìn)行動(dòng)平衡，且風(fēng)扇盤(pán)片組件、增壓級(jí)組件配合為間隙，缺少可靠的止口定心結(jié)構(gòu)，無(wú)法保證組裝后的同軸度。另外，風(fēng)扇葉片是航線(xiàn)可換組件或外場(chǎng)可換組件，采用風(fēng)扇盤(pán)片組件平衡工藝無(wú)法滿(mǎn)足維修性要求，因此，在實(shí)踐中需采用“帶風(fēng)扇盤(pán)的增壓級(jí)平衡+風(fēng)扇葉片排序”工藝。

按照2.1節(jié)低速平衡要求，平衡流程如圖4所示。其中平衡工藝要點(diǎn)如下：

（1）增壓級(jí)轉(zhuǎn)子葉片約有272 片，數(shù)量較多，由于葉片重量（質(zhì)量）小、形狀規(guī)則、非空心結(jié)構(gòu)，可用稱(chēng)重法代替稱(chēng)重量矩法，并按照4分法排序，兼顧工作效率與平衡精度。

（2）帶風(fēng)扇盤(pán)的增壓級(jí)轉(zhuǎn)子在組裝時(shí)進(jìn)行了同軸度控制及葉片優(yōu)化排序，但裝到整機(jī)后為懸臂結(jié)構(gòu)，偶不平衡量相對(duì)靜不平衡量較大，仍需以風(fēng)扇盤(pán)前為前修正面鉚接不同組別配重塊、4級(jí)增壓級(jí)為后修正面葉片下安配重塊方式進(jìn)行雙面平衡。

（3）增壓級(jí)組件為4級(jí)轉(zhuǎn)子、5級(jí)靜子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子上增壓級(jí)葉片數(shù)目較多，靜子機(jī)匣為整環(huán)，為避免平衡組件重復(fù)拆裝產(chǎn)生新的不平衡量，應(yīng)采用帶靜子平衡方式[2]。

（4）帶風(fēng)扇盤(pán)的增壓級(jí)組件在整機(jī)上為懸臂支承結(jié)構(gòu)，其平衡工裝設(shè)計(jì)應(yīng)盡量與整機(jī)支承形式一致，采用懸臂支承結(jié)構(gòu)；由于無(wú)支點(diǎn)軸承，應(yīng)設(shè)計(jì)芯軸與轉(zhuǎn)子連接，平衡實(shí)施中應(yīng)采用轉(zhuǎn)位法消除夾具誤差影響[17]，提高平衡精度。

（5）帽罩前、后段為航線(xiàn)可更換組件，本身質(zhì)量相對(duì)較小且進(jìn)行靜平衡，因此，在帶風(fēng)扇盤(pán)的增壓級(jí)組件平衡中可不包含帽罩前、后段。

（6）風(fēng)扇葉片尺寸大（長(zhǎng)度約590mm）、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，需進(jìn)行重量矩稱(chēng)量，但葉片為非寬弦設(shè)計(jì)，軸向、切向不平衡量可忽略不計(jì)，只需采用單軸重量矩稱(chēng)量風(fēng)扇葉片徑向重量矩即可。

（7）對(duì)于風(fēng)扇葉片稱(chēng)量安裝，當(dāng)無(wú)優(yōu)化排序軟件時(shí)，手工排布要求采用4 分法，原則上要求相對(duì)180°位置的風(fēng)扇葉片重量矩要求不超過(guò)2000g·mm，剩余不平衡量不超過(guò)5000g·mm。

3 風(fēng)扇轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)誤差影響計(jì)算

對(duì)于單元體設(shè)計(jì)，除保證性能互換外，還要求更換維修單元體時(shí)，不需另外再進(jìn)行平衡。雖然單元體轉(zhuǎn)子單獨(dú)平衡保證了互換性，但也由于安裝界面形位誤差的存在，因此產(chǎn)生誘生的殘余不平衡，這類(lèi)殘余不平衡被稱(chēng)為平衡安裝誤差。對(duì)于風(fēng)扇增壓級(jí)平衡來(lái)說(shuō)，主要安裝誤差源有三處：（1）風(fēng)扇增壓級(jí)轉(zhuǎn)子的安裝基準(zhǔn)（風(fēng)扇軸前止口）；（2）風(fēng)扇葉片的安裝基準(zhǔn)（風(fēng)扇榫槽）；（3）帽罩的安裝基準(zhǔn)（風(fēng)扇盤(pán)前止口）。由于帽罩質(zhì)量較輕，它的安裝誤差相比另兩個(gè)可以忽略不計(jì)。下面主要對(duì)風(fēng)扇軸形位誤差、風(fēng)扇葉片榫槽安裝誤差影響進(jìn)行分析。

3.1 風(fēng)扇軸定位止口誤差引起的附加不平衡量

在一般情況下，轉(zhuǎn)子不平衡由兩類(lèi)基本不平衡混合而成，即靜不平衡與偶不平衡。靜不平衡是指中心主慣性軸僅平行偏離于（轉(zhuǎn)子）軸線(xiàn)的不平衡狀態(tài)；偶不平衡是指中心主慣性軸與（轉(zhuǎn)子）軸線(xiàn)在質(zhì)心相交的不平衡狀態(tài)[18]。

按照SAE ARP4163 標(biāo)準(zhǔn)[19]，定位接口對(duì)轉(zhuǎn)子不平衡量的影響分為：（1）定位接口柱面跳動(dòng)引起的靜不平衡；（2）定位接口端面跳動(dòng)引起的靜不平衡（見(jiàn)圖5）；（3）定位接口端面跳動(dòng)引起的偶不平衡（見(jiàn)圖6）。計(jì)算公式分別包括以下幾個(gè)。

（1）定位接口柱面跳動(dòng)引起的轉(zhuǎn)子組件靜不平衡量

式中，URS為柱面跳動(dòng)引起的轉(zhuǎn)子組件靜不平衡量；M為轉(zhuǎn)子組件質(zhì)量；aR為定位接口柱面跳動(dòng)。

（2）端面跳動(dòng)引起的轉(zhuǎn)子組件靜不平衡量

式中，UAS為端面跳動(dòng)引起的轉(zhuǎn)子組件靜不平衡量；aA為定位接口端面跳動(dòng)；L為定位接口端面至轉(zhuǎn)子組件重心的軸向距離；RD為定位接口定位半徑。

（3）定位接口端面跳動(dòng)引起的轉(zhuǎn)子組件偶不平衡量

式中，UAC為端面跳動(dòng)引起的轉(zhuǎn)子組件偶不平衡量；RC為轉(zhuǎn)子組件修正面修正塊分布半徑。

整理風(fēng)扇結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1，并對(duì)風(fēng)扇軸定位止口帶來(lái)的最不利影響進(jìn)行分析計(jì)算。根據(jù)式（1），代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得風(fēng)扇軸定位接口柱面跳動(dòng)引起的盤(pán)片轉(zhuǎn)子組件靜不平衡量最大值URS=M1×aR/2=4050g·mm。根據(jù)式（2），風(fēng)扇軸定位接口端面跳動(dòng)引起的轉(zhuǎn)子組件靜不平衡量最大值UAS=M1×aA/2×（LG/RD）=2025g·mm。根據(jù)式（3），風(fēng)扇軸定位接口端面跳動(dòng)引起的轉(zhuǎn)子組件偶不平衡量最大值UAC=M1×RC×aA/2×（RC/RD）=1947000g·mm2，在本機(jī)平衡修正面上產(chǎn)生不平衡量為UAC/（LC-LG）=11800g·mm。

表1 風(fēng)扇結(jié)構(gòu)參數(shù)表Table 1 Fan structure parameter table

根據(jù)上述計(jì)算，可得風(fēng)扇/增壓級(jí)轉(zhuǎn)子在本機(jī)平衡所在修正面的極限附加不平衡量最大值為4050+2025+11800=17875g·mm。

3.2 風(fēng)扇葉片安裝基準(zhǔn)誤差帶來(lái)的附加不平衡

由于不帶風(fēng)扇葉片的風(fēng)扇增壓級(jí)平衡工藝是建立在風(fēng)扇葉片測(cè)量、排序、安裝理想化的基礎(chǔ)上的，沒(méi)有考慮葉片安裝環(huán)節(jié)的誤差。但風(fēng)扇盤(pán)榫槽的設(shè)計(jì)公差和加工誤差是客觀存在的，會(huì)使葉片相對(duì)風(fēng)扇盤(pán)安裝基準(zhǔn)形成的軸線(xiàn)產(chǎn)生徑向偏移效應(yīng)。

按照單片風(fēng)扇葉片3.5kg 計(jì)算，極限狀態(tài)下，當(dāng)風(fēng)扇盤(pán)上的榫槽定位基準(zhǔn)整體偏移0.025mm時(shí)，36片葉片產(chǎn)生的靜不平衡量按照式（1）計(jì)算為3500×36×0.025=3150g·mm。

根據(jù)上述計(jì)算可知，即使各零組件都平衡到剩余不平衡量為零，帶風(fēng)扇盤(pán)的增壓級(jí)轉(zhuǎn)子、風(fēng)扇葉片裝配到整機(jī)上的安裝誤差極限狀態(tài)下不平衡量也會(huì)至少達(dá)到21025g·mm，遠(yuǎn)超過(guò)各部件剩余不平衡要求值，但處于本機(jī)平衡能力之內(nèi)。

4 結(jié)論

根據(jù)以上分析，可得出如下結(jié)論：

（1）受制于單元體設(shè)計(jì)、風(fēng)扇葉片等航線(xiàn)可更換組件的維修性設(shè)計(jì)需要，滿(mǎn)足平衡精度要求的風(fēng)扇轉(zhuǎn)子裝配到整機(jī)后，由于裝配位置唯一，無(wú)法優(yōu)化轉(zhuǎn)子間裝配相位，當(dāng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子處于不利組合導(dǎo)致同軸度較差時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生較大的平衡安裝誤差，在生產(chǎn)或修理后的新發(fā)動(dòng)機(jī)上即會(huì)出現(xiàn)整機(jī)振動(dòng)超限或振動(dòng)較大現(xiàn)象。

（2）為彌補(bǔ)上述功能及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)的不平衡量較大產(chǎn)生的振動(dòng)問(wèn)題，在高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷、高溫度的發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)下進(jìn)行最終本機(jī)平衡，將發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)值降低優(yōu)化到最佳，不僅簡(jiǎn)便、省時(shí)，還可以延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命。

（3）當(dāng)整機(jī)振動(dòng)值太大，無(wú)法達(dá)到本機(jī)平衡條件時(shí)，說(shuō)明超出設(shè)計(jì)容差范圍，按照低速平衡原則，應(yīng)測(cè)量安裝到整機(jī)上的風(fēng)扇盤(pán)同軸度是否異常，以排查是否存在裝配不到位或機(jī)件超差等裝配問(wèn)題。