柔性轉子高速動平衡工藝優化研究

夏華騰 葉飛 唐湘林 李軍 陳凱 王超

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

關鍵詞：動力渦輪軸；組件；高速動平衡；柔性轉子；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

現代中型、小型航空發動機的轉子正朝著轉速越來越高、越來越“柔”性的方向發展，結構日益復雜，對動力特性和高速平衡研究提出了新的挑戰。然而，由于試驗條件和經費的限制，國內在這方面的研究大多停留在理論分析、數值模擬以及模擬轉子的試驗驗證階段，很少開展真實航空發動機轉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。

某新型渦軸發動機采用了前輸出軸方案（動力渦輪傳動軸穿過燃氣發生器轉子內腔，伸到發動機前端），導致動力渦輪軸組件（與動力渦輪轉子相比，僅不裝兩級動力渦輪盤）工作在彎曲臨界轉速之上。動力渦輪軸組件是一個非常柔性的轉子，具有空心、薄壁、大長徑比、帶彈性支承和擠壓油膜阻尼器、內置測扭基準軸的結構特點，傳動軸的長徑比大于30。結構簡圖（含輸出軸組件）如圖1所示。鑒于柔性轉子的高速動平衡技術是減少渦軸發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，通過試驗測得了轉子在全轉速范圍內的動力特性，解決了動力渦輪轉子系統過二階彎曲臨界振動大的技術問題，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試驗器上進行，試驗器由驅動系統、傳動系統、真空系統、支承系統、潤滑系統、控制系統和測試系統等組成，其設計轉速和功率完全滿足試驗要求，配有氣動打磨去料系統。動力渦輪軸組件高速動平衡試驗時通過驅動軸連接輸出軸，帶轉動力渦輪傳動軸組件，轉速從零增至發動機額定工作轉速，以檢查動力渦輪傳動軸組件在發動機全工作轉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

某型渦軸發動機裝配過程中，其動力渦輪傳動軸組件需經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動力渦輪傳動軸的動撓度特性，保證發動機使用安全。

1.3高速平衡結果統計分析

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

1）臨界狀態下，重復性=79.23%>30%，再現性=37.12%>30%，可區分的類別數=1<4，表明動力渦輪傳動軸在光身和單元體狀態下，臨界狀態動撓度測試結果統計上不一致。

2）額定狀態下，重復性=61.10%>30%，再現性=61.42%>30%，可區分的類別數=1<4，表明動力渦輪傳動軸在光身和單元體狀態下，額定狀態動撓度測試結果統計上不一致。

按統計上的定義，當測量結果重復性和再現性高于30%或可區分數小于4時，測量結果統計上不一致，數據不可用于分析。

分析發現，按現有裝配流程及過程控制要求，裝配重復性難以保證光身與單元體狀態動力渦輪傳動軸高速動平衡測試數據的重復性，導致分解返工、重復平衡，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

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

由于模擬盤具有設計配合過盈量小、連接結構簡單、裝配時間短、拆裝方便且不損傷零件的優點，可有效提高裝配平衡效率，采用模擬盤取代渦輪轉子裝配進行高速動平衡測試可實現轉子裝配與動力渦輪傳動軸高速動平衡的平行作業，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所示結果顯示，通過臨界點后，傳動軸撓度漸趨平穩直到額定轉速。

2.2 平衡試驗結果對比分析

試驗數據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動撓度特性一致，為檢查測試結果在統計上的一致性，收集了帶模擬盤狀態和單元體狀態動力渦輪傳動軸高速動平衡測試數據，運用Minitab分析工具進行測量系統分析，結果如下：

1）重復性=17.94%<30%，再現性=10.78%<30%，可區分的類別數=4，數據分析表明動力渦輪傳動軸在帶模擬盤和單元體狀態下，臨界狀態動撓度測試結果具有統計上的一致性。

2）重復性=24.95%<30%，再現性=18.11%<30%，可區分的類別數=4，數據分析表明動力渦輪傳動軸在帶模擬盤和單元體狀態下，額定狀態動撓度測試結果具有統計上的一致性。

帶模擬盤和單元體狀態下的動力渦輪傳動軸高速動平衡測試結果具有統計意義上的一致性，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平衡工藝優化

經裝配過程控制優化及帶模擬盤高速動平衡應用，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。裝配過程實現帶導向器組件低速動平衡校準，直接進行單元體高速動平衡測試，實現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。自項目應用以來，某型發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 結束語

本文試驗應用高速動平衡測試技術，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子組件的對比試驗。試驗表明，兩種高速動平衡試驗結果基本一致，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。

參考文獻

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