帶模擬轉(zhuǎn)子的燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子組件動平衡影響因素分析

劉艷良 馮 碩

（中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110043）

燃?xì)廨啓C(jī)是一種高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械，應(yīng)用范圍廣闊，其主要故障之一是在運行中產(chǎn)生的振動問題，它影響燃?xì)廨啓C(jī)的使用壽命和工作效率。高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子和高壓渦輪轉(zhuǎn)子構(gòu)成了燃?xì)廨啓C(jī)的核心轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，轉(zhuǎn)子運行過程中產(chǎn)生的不平衡慣性力及力矩是燃?xì)廨啓C(jī)振動的主要來源。該文主要分析高壓渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)位平衡誤差因素產(chǎn)生的原因。

1 高壓渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

高壓渦輪轉(zhuǎn)子為維修單元體設(shè)計，典型高壓渦輪轉(zhuǎn)子主要由鼓筒、封嚴(yán)盤、渦輪盤、后軸頸和葉片五部分構(gòu)成。鼓筒為環(huán)形薄壁結(jié)構(gòu)；封嚴(yán)盤的作用為封嚴(yán)及葉片前擋板；渦輪盤是高壓渦輪轉(zhuǎn)子的主要承力部件和傳扭部件；后軸頸是高壓渦輪轉(zhuǎn)子的中介軸承的支點，通過懸臂結(jié)構(gòu)與渦輪盤相連接。葉片以樅樹型榫槽的連接方式與渦輪盤相連接。前四部分的連接均為過盈裝配，短螺栓連接，剛性好。渦輪葉片工作狀態(tài)下的熱膨脹及離心力導(dǎo)致葉片裝配后須存在較大的周向及徑向活動量，使得在平衡狀態(tài)下難以模擬真實工作狀態(tài)。

2 高壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡過程

高壓渦輪轉(zhuǎn)子采用模擬轉(zhuǎn)子進(jìn)行轉(zhuǎn)位平衡方式平衡，模擬轉(zhuǎn)子模擬對應(yīng)的高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的質(zhì)量、重心位置、轉(zhuǎn)動慣量及剛度，并平衡到預(yù)設(shè)精度。高壓渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)位平衡過程如下：1）液氮冷卻高壓渦輪轉(zhuǎn)子止口并立即裝配到模擬轉(zhuǎn)子上。裝配時保證模擬轉(zhuǎn)子端面與高壓渦輪轉(zhuǎn)子安裝端面平行，模擬轉(zhuǎn)子止口與高壓渦輪轉(zhuǎn)子連接止口及螺栓孔對正，裝配過程須緩慢平穩(wěn)。模擬轉(zhuǎn)子上的標(biāo)記位置與轉(zhuǎn)子上標(biāo)記的起始位置保持一致。2）冷卻裝配后，迅速用工藝螺母進(jìn)行預(yù)壓緊，施加扭矩均勻擰緊且均勻分布，防止在恢復(fù)至室溫的過程中裝配部位發(fā)生回彈，其余安裝位置的螺母應(yīng)擰靠，不施加扭矩。3）當(dāng)轉(zhuǎn)子結(jié)合部位溫度恢復(fù)至室溫時，可借助測溫裝置測量，轉(zhuǎn)子恢復(fù)室溫的過程應(yīng)在室溫條件下進(jìn)行，通過使用風(fēng)扇加快恢復(fù)室溫的進(jìn)程。4）完全松開施加扭矩的工藝螺母和未施加扭矩的工藝螺母，然后按十字交叉法擰緊所有工藝螺母，螺母施加扭矩均勻擰緊。5）將安裝模擬轉(zhuǎn)子的高壓渦輪轉(zhuǎn)子組合件調(diào)整至水平，吊裝至平衡機(jī)上，吊裝過程應(yīng)平穩(wěn)，避免沖擊擺架。將轉(zhuǎn)子與萬向聯(lián)軸節(jié)連接，平衡機(jī) 0°位置對應(yīng)轉(zhuǎn)子初始位置，檢查轉(zhuǎn)子及萬向聯(lián)軸節(jié)水平，通過調(diào)整平衡機(jī)擺架的高度來保證所有條件符合要求。按文件要求檢查相應(yīng)表面跳動，對比轉(zhuǎn)位前與轉(zhuǎn)位后的相應(yīng)表面跳動及相位，保證它們在規(guī)定差值范圍內(nèi)，當(dāng)相應(yīng)表面跳動超出規(guī)定要求時，應(yīng)分解模擬轉(zhuǎn)子，檢查模擬轉(zhuǎn)子及高壓渦輪轉(zhuǎn)子貼合表面應(yīng)無多余物，再重新裝配。6）選擇轉(zhuǎn)位補(bǔ)償?shù)拇螖?shù)及補(bǔ)償方式，啟動平衡機(jī)測量安裝模擬轉(zhuǎn)子的高壓渦輪轉(zhuǎn)子組合件不平衡矢量，在平衡機(jī)開始測量數(shù)據(jù)前應(yīng)運行一段時間來保證測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定。7）將安裝模擬轉(zhuǎn)子的高壓渦輪轉(zhuǎn)子組合件從平衡機(jī)上吊下，并將模擬轉(zhuǎn)子從高壓渦輪轉(zhuǎn)子上分解。8）重復(fù)第 1 步～第6 步，在不同角度進(jìn)行轉(zhuǎn)位裝配，測量轉(zhuǎn)位后不平衡矢量。最后一次轉(zhuǎn)位平衡測量停車后，進(jìn)行轉(zhuǎn)位補(bǔ)償確認(rèn)，測量高壓渦輪轉(zhuǎn)子的初始不平衡，模擬轉(zhuǎn)子及裝配誤差帶來的不平衡應(yīng)不大于規(guī)定倍數(shù)的許用剩余不平衡量，當(dāng)轉(zhuǎn)位補(bǔ)償倍數(shù)超差時，重新進(jìn)行轉(zhuǎn)位平衡工作，如果重新平衡仍不合格，應(yīng)確認(rèn)模擬轉(zhuǎn)子和高壓渦輪轉(zhuǎn)子的技術(shù)狀態(tài)。9）在高壓渦輪轉(zhuǎn)子上按規(guī)定增加配重，將轉(zhuǎn)子的平衡降至許用剩余不平衡之內(nèi)。如果平衡過程中不平衡量發(fā)生變化導(dǎo)致無法平衡，應(yīng)檢查高壓渦輪轉(zhuǎn)子上活動零件的裝配間隙，如果不符合要求應(yīng)進(jìn)行排除。10）平衡完成后，將安裝模擬轉(zhuǎn)子的高壓渦輪轉(zhuǎn)子組合件從平衡機(jī)上吊下，吊裝過程應(yīng)平穩(wěn)、避免沖擊，從高壓渦輪轉(zhuǎn)子上分解模擬轉(zhuǎn)子。

高壓渦輪轉(zhuǎn)子對不平衡量有嚴(yán)格的要求，在科研生產(chǎn)中會出現(xiàn)轉(zhuǎn)子不平衡量合理變化范圍不確定、同一轉(zhuǎn)子兩次測量是否合格、結(jié)論不確定等現(xiàn)象。高壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡的過程受平衡機(jī)、人員、模擬轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子本身構(gòu)成等因素的影響，這些因素會使得不平衡量存在波動。

3 高壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡問題定位

針對高壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡時存在較大的平衡量差異的問題，從“人、機(jī)、料、法、環(huán)、測”等因素方面按照高壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡工藝流程進(jìn)行分析。其中“人”和“機(jī)”的因素?zé)o法排除，須分析具體影響。差異因素見表1。

表1 高壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡差異因素分析

4 不同操作者的平衡方法影響分析

兩臺發(fā)動機(jī)的高壓渦輪轉(zhuǎn)子使用相同的平衡機(jī)、相同的模擬轉(zhuǎn)子、更換不同操作者進(jìn)行平衡，兩名操作者操作方法基本一致，對比兩臺高壓渦輪轉(zhuǎn)子的平衡數(shù)據(jù)，平衡量及補(bǔ)償倍數(shù)均存在一定量的變化，不同操作者的裝配平衡過程會對測量結(jié)果存在影響。整理不同操作者平衡相同高壓渦輪轉(zhuǎn)子的平衡數(shù)據(jù)，可以看出不同操作者按照相同的操作過程會對平衡結(jié)果造成一定影響，見表2。

表2 不同操作者平衡高壓渦輪轉(zhuǎn)子數(shù)據(jù)

對比不同操作者的操作方法，主要差異為恢復(fù)室溫時間。高壓渦輪轉(zhuǎn)子冷卻安裝后，使用測溫儀測量高壓渦輪轉(zhuǎn)子安裝邊溫度，達(dá)到室溫后進(jìn)行平衡，一般在安裝后2min 左右溫度已接近室溫，但體感溫度還低于室溫。對高壓渦輪轉(zhuǎn)子在不同恢復(fù)室溫時間測量轉(zhuǎn)子不平衡量進(jìn)行分析后認(rèn)為，測溫儀測得的轉(zhuǎn)子溫度不能準(zhǔn)確反映轉(zhuǎn)子恢復(fù)室溫情況，不同的恢復(fù)室溫時間會對轉(zhuǎn)子不平衡量產(chǎn)生較大的影響，合適的恢復(fù)室溫時間需要根據(jù)實際情況試驗確定。試驗分析數(shù)據(jù)見表3。

表3 不同恢復(fù)室溫時間高壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡數(shù)據(jù)

5 平衡擺架調(diào)整對高壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡量的影響分析

分析高壓渦輪轉(zhuǎn)子在不同次平衡中出現(xiàn)的平衡數(shù)據(jù)差異問題，較大的平衡數(shù)據(jù)差異均出現(xiàn)在平衡機(jī)平衡完其他轉(zhuǎn)子調(diào)整擺架后的平衡過程中。

5.1 平衡擺架調(diào)整對高壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡量的影響

平衡擺架通常分為上下兩部分，靠螺栓連接固定。平衡擺架上部與轉(zhuǎn)子接觸，負(fù)責(zé)承載、感知轉(zhuǎn)子不平衡量并傳遞給傳感器；平衡擺架下部與導(dǎo)軌接觸，主要起支撐作用，同時傳感器安裝在平衡擺架下部。高壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡工作需要的軸端擺架為高度可調(diào)的滾輪式擺架，盤端擺架為不可調(diào)高度的軸瓦式擺架。當(dāng)更換轉(zhuǎn)子進(jìn)行平衡擺架調(diào)整時，一般會分解平衡擺架上半部分進(jìn)行更換，松開平衡擺架下半部分調(diào)整距離，更換平衡擺架的過程中存在擺架上半部分連接到下半部分狀態(tài)不一致、上部擺架彈簧螺母鎖緊安裝和運行狀態(tài)不一致的問題。對上半部分?jǐn)[架連接及運行狀態(tài)進(jìn)行對比試驗分析可知，平衡擺架須按合適的限力進(jìn)行擰緊，擰緊后支撐剛度達(dá)到最佳，不平衡量趨于穩(wěn)定。平衡擺架彈簧螺母鎖緊安裝狀態(tài)的不同會導(dǎo)致不平衡數(shù)據(jù)存在較大的變化量，相同的安裝運行狀態(tài)平衡數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定，一般推薦按照鎖緊安裝自由運行進(jìn)行平衡。分析數(shù)據(jù)見表4 和表5。

表4 擺架不同連接狀態(tài)高壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡數(shù)據(jù)

表5 擺架彈簧螺母不同鎖緊高壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡數(shù)據(jù)

5.2 轉(zhuǎn)子水平對高壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡量的影響

在高壓渦輪轉(zhuǎn)子安裝到平衡機(jī)上之后轉(zhuǎn)子存在水平傾斜度，對不同傾斜度狀態(tài)的平衡數(shù)據(jù)進(jìn)行整理可知，改變轉(zhuǎn)子水平狀態(tài)會小幅影響轉(zhuǎn)子不平衡量，平衡擺架調(diào)平后能確保系統(tǒng)測量準(zhǔn)確性。試驗結(jié)果見表6。

表6 不同傾斜度高壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡數(shù)據(jù)

5.3 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向?qū)Ω邏簻u輪轉(zhuǎn)子平衡量的影響

受高渦葉片結(jié)構(gòu)影響，高壓渦輪轉(zhuǎn)子在不同轉(zhuǎn)向中會承受不同方向的軸向力，對應(yīng)在平衡機(jī)上為聯(lián)軸節(jié)承受拉應(yīng)力或壓應(yīng)力，導(dǎo)致高壓渦輪轉(zhuǎn)子不平衡量存在更大的不平衡量影響。當(dāng)平衡時轉(zhuǎn)子須按照工作中的旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，這能夠保證高壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)與工作狀態(tài)平衡一致，降低不平衡量誤差。對比數(shù)據(jù)見表7。

表7 平衡轉(zhuǎn)向?qū)Ω邏簻u輪轉(zhuǎn)子平衡量的影響

6 模擬轉(zhuǎn)子變化對高壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡量的影響

高壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡采用模擬轉(zhuǎn)子進(jìn)行轉(zhuǎn)位平衡，模擬轉(zhuǎn)子模擬對應(yīng)的高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)為質(zhì)量、重心位置、跨距、轉(zhuǎn)動慣量等，制造精度允許誤差一般不大于4%。模擬轉(zhuǎn)子以配合止口和結(jié)合面端面為基準(zhǔn)，控制軸徑全跳動跳動量一般不大于0.015，模擬轉(zhuǎn)子結(jié)合面平面度不大于0.005 及其他尺寸公差精度。當(dāng)模擬轉(zhuǎn)子自身平衡時如果需要調(diào)整不平衡量，應(yīng)該使用固定的配重進(jìn)行調(diào)整并安裝牢固防止脫落。當(dāng)模擬轉(zhuǎn)子平衡校正到需要用剩余不平衡量時，與高渦模擬轉(zhuǎn)子進(jìn)行組合，按照4 個不同相位（如0°、90°、180°、270°）進(jìn)行對接，檢查模擬轉(zhuǎn)子在不同位置的剩余不平衡量，一般剩余不平衡量不超過10 倍剩余不平衡均為良好狀態(tài)。配套使用的工藝螺母須控制最大、最小質(zhì)量差并編號，裝配時按照相應(yīng)編號順序進(jìn)行裝配和擰緊。典型的模擬轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 模擬轉(zhuǎn)子檢測位置示意圖

高壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡過程采用兩臺模擬轉(zhuǎn)子進(jìn)行平衡，對兩臺模擬轉(zhuǎn)子進(jìn)行分析，兩臺模擬轉(zhuǎn)子均已平衡校正到規(guī)定剩余不平衡量，4 個不同相位的平衡數(shù)據(jù)中有1 個模擬轉(zhuǎn)子平衡量偏大。分析造成不平衡量差異的主要原因為模擬轉(zhuǎn)子自身形位精度-軸徑表面的全跳動差異。采用高精密氣浮轉(zhuǎn)臺檢查模擬轉(zhuǎn)子，模擬轉(zhuǎn)子定位止口基準(zhǔn)模擬轉(zhuǎn)子A、B 的跳動均在0.005 以內(nèi)，軸頸相對轉(zhuǎn)子連接定位止口基準(zhǔn)A、B跳動實測值分別為0.005mm、0.013mm，與模擬轉(zhuǎn)子平衡數(shù)據(jù)分布相對應(yīng)。

根據(jù)“Balancing Machines：Tooling Design Criteria”（SAE ARP4163）標(biāo)準(zhǔn)，連接定位止口對轉(zhuǎn)子不平衡量的影響分為以下3 點：1）定位止口柱面跳動引起的靜不平衡。2）定位止口端面跳動引起的靜不平衡。3）定位止口端面跳動引起的偶不平衡。這些由模擬轉(zhuǎn)子止口形位精度導(dǎo)致的不平衡量理論上會在轉(zhuǎn)位平衡過程中被補(bǔ)償?shù)?，存在的微小差異基本不會對不平衡量造成影響。模擬轉(zhuǎn)子的軸徑跳動導(dǎo)致的平衡量差異會在轉(zhuǎn)位平衡過程中進(jìn)行補(bǔ)償，但會體現(xiàn)在高壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡的補(bǔ)償倍數(shù)中，根據(jù)計算，由跳動引發(fā)的不平衡會導(dǎo)致兩個模擬轉(zhuǎn)子的補(bǔ)償倍數(shù)相差約2 倍。進(jìn)行對比試驗后的數(shù)據(jù)整理見表8。在模擬轉(zhuǎn)子平衡合格后，模擬轉(zhuǎn)子形位精度會隨著使用不斷變差，形位精度轉(zhuǎn)子不平衡量的影響較小，但會影響轉(zhuǎn)子平衡過程中的補(bǔ)償倍數(shù)，補(bǔ)償倍數(shù)會隨形位精度變差而增大，在模擬轉(zhuǎn)子使用過程中需要監(jiān)控補(bǔ)償倍數(shù)的變化情況，并定期對模擬轉(zhuǎn)子進(jìn)行形位精度檢查。

表8 不同模擬轉(zhuǎn)子對高壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡量影響

7 結(jié)論

針對某高壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡誤差的過程進(jìn)行對比分析，找到了影響平衡誤差的原因，經(jīng)過工藝驗證，控制了平衡誤差的產(chǎn)生，提高了轉(zhuǎn)子的平衡穩(wěn)定性。對其他燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子平衡工藝設(shè)計具有指導(dǎo)意義。具體結(jié)論如下：1）測溫儀測得轉(zhuǎn)子溫度不能準(zhǔn)確反映轉(zhuǎn)子恢復(fù)室溫情況，不同的恢復(fù)室溫時間會對轉(zhuǎn)子不平衡量產(chǎn)生較大的影響，合適的恢復(fù)室溫時間需要根據(jù)實際情況試驗確定。2）平衡擺架須按合適的限力進(jìn)行擰緊，擰緊后支撐剛度達(dá)到最佳，不平衡量趨于穩(wěn)定。不同平衡擺架彈簧螺母的鎖緊安裝狀態(tài)會導(dǎo)致不平衡數(shù)據(jù)存在較大的變化量，相同的安裝運行狀態(tài)平衡數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定，一般推薦按照鎖緊安裝自由運行進(jìn)行平衡。3）改變轉(zhuǎn)子水平狀態(tài)會小幅影響轉(zhuǎn)子不平衡量，調(diào)平平衡擺架之后能確保系統(tǒng)測量準(zhǔn)確性。4）當(dāng)平衡時轉(zhuǎn)子須按照工作中的轉(zhuǎn)向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，這能夠最大限度地保證轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)與工作狀態(tài)平衡一致。5）模擬轉(zhuǎn)子平衡合格后，模擬轉(zhuǎn)子形位精度會隨使用不斷變差，形位精度轉(zhuǎn)子不平衡量的影響較小，但會影響轉(zhuǎn)子平衡過程中的補(bǔ)償倍數(shù)，補(bǔ)償倍數(shù)會隨形位精度變差而增大，在模擬轉(zhuǎn)子使用過程中需要監(jiān)控補(bǔ)償倍數(shù)的變化情況，并定期對模擬轉(zhuǎn)子進(jìn)行形位精度檢查。