航空發動機轉子動平衡方法探究

摘要：對航空發動機轉子動平衡不平衡的原因進行了分析，針對航空發動機轉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化，并提出了計算工裝誤差的相應方法，在解決轉子動平衡振動問題上具有積極作用。

關鍵詞：航空發動機;轉子動平衡;振動;平衡方法

0 引言

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

1 航空發動機轉子動平衡概述

轉子不平衡是造成轉子過度振動和產生噪聲的主要原因之一，會對發動機的工作性能和使用壽命造成直接影響。因此，研究轉子動平衡技術，尤其是航空發動機的柔性轉子動平衡技術具有重要意義。常用機械包含大量用于旋轉運動的零件，例如各種驅動軸、主軸、電動機和渦輪轉子，這些被統稱為旋轉體[1]。當旋轉體理想旋轉時，軸承上的壓力與不旋轉時軸承上的壓力相同，這種旋轉體是平衡旋轉體。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，旋轉體上的每個微小顆粒產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，必須平衡轉子以達到平衡精度允許的水平，或將機械振動幅度減小到允許范圍內。

2 航空發動機轉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子動平衡造成極大影響。

2.2 ? ?裝配原因

裝配質量誤差導致轉子的重心與旋轉中心線不一致，例如轉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中心線，就會導致接觸端面不平行。

2.3 ? ?運行原因

在轉子運行過程中，轉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子在工作應力和溫度應力作用下的彎曲變形等;轉子平衡狀態下的故障，如渦輪轉子葉片飛走，零件缺陷，皮帶松動或斷裂;轉子零件松動（裝配松動或腐蝕性松動）;固體雜質沉積在葉輪上等[2]。

3 發動機手冊中的航空發動機轉子動平衡方法

4 現有轉子平衡方法的應用缺陷

以某臺進廠維修排故級別的發動機為例，發動機故障原因是因為EGT溫度超高，壓氣機轉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。在平衡過程中發現，在平衡機數次旋轉中，其初始不平衡量的大小均不一致。設備廠家和OEM針對此類現象給出的原因是HPC轉子的葉片有所松動，這兩個廠家給出的故障排除建議分別是清洗內腔灰塵和根據8點法對轉子組件進行平衡。其中8點法是指在0°、90°、180°、270°為起點旋轉平衡機，每個旋轉點旋轉兩次，求8次數值的矢量平均值;取下轉子，使芯軸180°平衡后繼續平衡8個點，求出平均值。用轉子調整180°，計算兩個平均值后的轉子真正失衡量，最后將轉子平衡到所需的標準范圍內。

4.1 ? ?葉片松動問題

葉片松動對平衡梁的數據穩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據會發生漂移和反復變化。

4.2 ? ?工裝誤差不穩定

平衡芯軸的驅動臂連接工裝有多個方面，這使得工裝誤差的量級穩定性始終較差，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

在平衡檢測環節，由于沒有可靠的數據檢測方法，使得不平衡量的測定可信度較差。

5 航空發動機轉子動平衡方法優化探究

5.1 ? ?4點平衡方法

針對發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，降低發生轉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，以便于后期參考調整，使轉子的剩余不平衡量符合手冊的相關標準[3]。

5.2 ? ?轉子檢驗要點分析

在轉子動平衡檢驗工作中，除了執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葉處于同一平面之內，并詳細記錄配重數量、位置、大小等數據信息，以便于后期檢查核對。另外，由于平衡芯軸和驅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，在轉子支撐軸承運轉前應該注意潤滑，以此保證轉子運行的流暢性。

6 結語

本文主要采用4點法對航空發動機轉子動平衡方案進行了優化，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據的驗證精準性，完善轉子動平衡的操作流程提供了有力保障，通過驗證發現，該方法在解決轉子動平衡振動問題上具有積極作用。

[參考文獻]

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

[2] 馮健朋，趙小勇.航空發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子模態動平衡方法[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。