渦槳發(fā)動機螺旋槳模擬轉(zhuǎn)子自動平衡試驗研究

鄧旺群，楊 海，孫 勇，劉文魁，唐虎標

(1.中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002；2.中國航空發(fā)動機集團航空發(fā)動機振動技術(shù)重點實驗室，湖南株洲 412002)

1 引言

航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子的平衡可以有效降低發(fā)動機的整機振動、提高使用的安全性和可靠性，在發(fā)動機研制中占有重要地位。航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子平衡通常采用離線平衡的方式進行，該方式雖然不能實時消除航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子在運行過程中產(chǎn)生的不平衡量，但實踐證明通常都能滿足工程需要。然而，對于渦槳發(fā)動機螺旋槳轉(zhuǎn)子這種大直徑、大轉(zhuǎn)動慣量的轉(zhuǎn)子，離線平衡在實施上存在很大困難，控制其不平衡振動的最有效途徑就是采用自動平衡技術(shù)對轉(zhuǎn)子進行在線平衡。

轉(zhuǎn)子自動平衡是指在運行過程中通過主動控制改變轉(zhuǎn)子的質(zhì)量分布，達到實時抑制不平衡振動的目的。該研究起步于19世紀，平衡裝置分為電機驅(qū)動式、液壓式、電磁軸承式、電磁式等結(jié)構(gòu)形式。1964 年，Van de Vegte 等研制了一個電機驅(qū)動質(zhì)量塊的自動平衡裝置，但平衡質(zhì)量塊僅可作徑向移動；1978 年，對其進行了改進優(yōu)化，使得質(zhì)量塊可進行周向移動，并在自動平衡試驗臺上完成了一個剛性轉(zhuǎn)子的自動平衡實驗[1-2]。2006 年，張鵬[3]研制了一種注液式自動平衡裝置，該裝置采用三個平衡空腔，且空腔中有一定液體，通過改變進液流量來改變空腔中液體質(zhì)量，從而達到自動平衡效果；2008年，蘇奕儒等[4]利用該液壓式自動平衡裝置在懸臂轉(zhuǎn)子上進行了實驗研究。電磁軸承式自動平衡裝置由于與轉(zhuǎn)子非接觸、無摩擦、不需要潤滑，可在高壓或真空環(huán)境下使用，但能耗大、結(jié)構(gòu)復雜，國外已在工業(yè)上得到應用，如超高速磨床、高速電動機、透平壓縮機、航天器姿態(tài)控制裝置等。國內(nèi)在該領域的研究始于20 世紀60 年代，目前仍處于實驗室研究階段，與國外比還存在較大差距[5-6]。1999年，浙江大學曾勝等[7]研制了一種補償質(zhì)量塊單向移動的電磁式自動平衡裝置；2001年，歐陽紅兵等[8]又研制了能雙向移動的自動平衡裝置并在某風機上進行了應用；北京化工大學在電磁式自動平衡裝置的結(jié)構(gòu)、控制算法和自動平衡實驗驗證等方面進行了較系統(tǒng)的研究，取得了一系列研究成果[9-13]。

美國在航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子的自動平衡研究領域處于領先地位。2004 年美國Lord 公司公開報道了用于軍用渦槳發(fā)動機的螺旋槳在線自動平衡系統(tǒng)IPBS[14]，2014年研制成功，并在軍用運輸機上正式列裝[15]。國內(nèi)針對航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子自動平衡試驗的研究還處于起步階段。

本文針對某渦槳發(fā)動機螺旋槳轉(zhuǎn)子的自動平衡開展試驗研究。以基于結(jié)構(gòu)和動力學相似等原則設計的一個螺旋槳模擬轉(zhuǎn)子為研究對象，在高速旋轉(zhuǎn)試驗器上完成了兩種轉(zhuǎn)子狀態(tài)、三個平衡轉(zhuǎn)速的自動平衡試驗，取得了非常理想的平衡效果。本研究在國內(nèi)是一項開創(chuàng)性的研究工作，為后續(xù)渦槳發(fā)動機裝機螺旋槳轉(zhuǎn)子的自動平衡奠定了堅實的技術(shù)基礎，具有重要的工程應用價值。

2 螺旋槳模擬轉(zhuǎn)子的設計及動力學分析

渦槳發(fā)動機與螺旋槳轉(zhuǎn)子之間的動力傳輸原理見圖1。研究過程中，參照動力傳輸原理，建立了螺旋槳模擬轉(zhuǎn)子自動平衡試驗研究平臺，包括螺旋槳模擬轉(zhuǎn)子、減速器、浮動軸、安裝支座等。其中，螺旋槳模擬轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)設計及動力學分析已在文獻[16]中進行了較詳細論述，本文僅給出主要設計原則及有關結(jié)論。

圖1 渦槳發(fā)動機與螺旋槳轉(zhuǎn)子之間的動力傳輸原理Fig.1 Schematic diagram of power transmission between turboprop engine and propeller rotor

螺旋槳模擬轉(zhuǎn)子的主要設計原則：①主體結(jié)構(gòu)基本一致；②動力學相似；③支承剛度不變；④軸向傳遞功率；⑤滿足自動平衡；⑥適應試驗設備。

裝機螺旋槳轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)見圖2(a)，螺旋槳模擬轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)見圖2(b)。兩個轉(zhuǎn)子的動力學特性基本一致，計算得到的第一階臨界轉(zhuǎn)速的相對誤差僅1.2%，振型幾乎一致，均為非常典型的剛性轉(zhuǎn)子(螺旋槳轉(zhuǎn)子的最大巡航轉(zhuǎn)速、最大爬升轉(zhuǎn)速、最大起飛(額定起飛)轉(zhuǎn)速均遠低于第一階臨界轉(zhuǎn)速)。據(jù)此，從理論上說，螺旋槳模擬轉(zhuǎn)子自動平衡試驗所取得的研究成果完全可以在裝機螺旋槳轉(zhuǎn)子上推廣應用。另外，當在螺旋槳模擬轉(zhuǎn)子的模擬槳葉上施加不平衡量時，計算得到模擬槳轂懸臂端的轉(zhuǎn)子撓度隨轉(zhuǎn)速和不平衡量的變化而變化。因此，選擇轉(zhuǎn)子撓度作為螺旋槳模擬轉(zhuǎn)子自動平衡試驗中的測量和控制參數(shù)在理論上合理可行。

3 螺旋槳模擬轉(zhuǎn)子的自動平衡試驗

3.1 自動平衡試驗器及測試布局

螺旋槳模擬轉(zhuǎn)子的自動平衡試驗研究在高速旋轉(zhuǎn)試驗器上進行。試驗器由動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、支承系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測試系統(tǒng)等組成，其額定功率和最高轉(zhuǎn)速等均滿足試驗要求。

自動平衡試驗使用的是北京化工大學專門為該模擬轉(zhuǎn)子自動平衡試驗研制的電磁式自動平衡裝置，包括控制器和執(zhí)行器(平衡頭)，其中執(zhí)行器安裝在模擬槳轂內(nèi)。如圖3所示，旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，執(zhí)行器的兩個平衡塊產(chǎn)生的離心力在自動平衡前互相抵消(大小相等、相位相差180°)，不對轉(zhuǎn)子的平衡狀態(tài)產(chǎn)生影響；自動平衡后，兩個平衡塊周向移動到相應位置以抵消模擬轉(zhuǎn)子的不平衡量，從而實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子的平衡。計算表明：安裝執(zhí)行器后，螺旋槳模擬轉(zhuǎn)子的第一階臨界轉(zhuǎn)速下降約12.9%(依然遠高于最大巡航轉(zhuǎn)速、最大爬升轉(zhuǎn)速、最大起飛轉(zhuǎn)速)，對振型幾乎沒影響。因此，執(zhí)行器僅對第一階臨界轉(zhuǎn)速有一定影響，并沒有對模擬轉(zhuǎn)子的動力學特性產(chǎn)生實質(zhì)性影響。本文不討論自動平衡裝置的結(jié)構(gòu)、性能、控制規(guī)律等，只研究自動平衡裝置對螺旋槳模擬轉(zhuǎn)子自動平衡試驗的平衡效果及平衡時間，并考核自動平衡裝置設計的正確性和可靠性。

圖2 螺旋槳轉(zhuǎn)子和螺旋槳模擬轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure sketches of the propeller rotor and the simulation propeller rotor

圖3 自動平衡前、后兩個平衡塊的位置示意Fig.3 Position sketch of the two balance blocks before and after auto balance

螺旋槳模擬轉(zhuǎn)子自動平衡試驗的安裝及測試示意見圖4。在模擬槳轂前端布置振動位移傳感器D、D1和D2測量轉(zhuǎn)子撓度，其中D連接自動平衡裝置的控制器，D1和D2連接德國申克公司生產(chǎn)的多功能振動分析儀；在前轉(zhuǎn)接座(1號軸承位置)、支座、減速器上分別布置振動加速度傳感器A1和A2、A3和A4、A5～A8測量振動加速度；在模擬槳轂前端和減速器輸入端的浮動軸上分別布置光電轉(zhuǎn)速傳感器N1和N2測量轉(zhuǎn)速，其中N1連接德國申克公司生產(chǎn)的多功能振動分析儀，N2連接LMS分析系統(tǒng)；在模擬轉(zhuǎn)子1號、2號和3號軸承的外環(huán)上分別焊接熱電偶溫度傳感器T1、T2和T3測量軸承外環(huán)溫度。⊥表示垂直方向，＝表示水平方向。螺旋槳模擬轉(zhuǎn)子在試驗器上的實物照片見圖5。

圖4 螺旋槳模擬轉(zhuǎn)子自動平衡試驗的安裝及測試示意圖Fig.4 Installation and measurement sketch during auto balance experiment of the simulation propeller rotor

限于篇幅，本文僅對D1、D2所測轉(zhuǎn)子撓度進行討論。

圖4 和圖5 中的減速器也是為螺旋槳模擬轉(zhuǎn)子自動平衡試驗專門研制的，采用了同軸心輸入輸出、兩級減速(渦槳發(fā)動機體內(nèi)減速器也是兩級減速)的結(jié)構(gòu)形式，其原理見圖6，減速比與渦槳發(fā)動機體內(nèi)減速器的完全一致。計算和考核試驗結(jié)果均表明：減速器滿足螺旋槳模擬轉(zhuǎn)子自動平衡試驗需要。

圖5 螺旋槳模擬轉(zhuǎn)子在試驗器上的照片F(xiàn)ig.5 The photos of the simulation propeller rotor on test rig

圖6 減速器原理Fig.6 Schematic diagram of the reducer

3.2 集中不平衡量對轉(zhuǎn)子撓度影響的考核試驗

圖7 轉(zhuǎn)子撓度幅值-轉(zhuǎn)速曲線Fig.7 Curves of horizontal rotor deflection amplitude versus speed

螺旋槳模擬轉(zhuǎn)子在初始狀態(tài)以及分別在0°、60°、120°、180°、240°、300°的模擬槳葉上施加115.47 g·m 的同一集中不平衡量(配重螺釘，質(zhì)量178.06 g，半徑648.5 mm)，由D1和D2測得的垂直和水平方向的轉(zhuǎn)子撓度幅值-轉(zhuǎn)速曲線見圖7。由圖可知：初始狀態(tài)下，模擬轉(zhuǎn)子在初始不平衡量作用下產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)子撓度幅值，且轉(zhuǎn)子撓度幅值隨轉(zhuǎn)速的增大略有增大；在不同角度的模擬槳葉上施加同一集中不平衡量時，轉(zhuǎn)子撓度幅值均隨轉(zhuǎn)速的變化而變化，且在300°的模擬槳葉上施加集中不平衡量時轉(zhuǎn)子撓度幅值增量最大，在120°的模擬槳葉上施加集中不平衡量時轉(zhuǎn)子撓度幅值減量最大，說明轉(zhuǎn)子的初始偏心靠近300°位置；在模擬槳葉上施加集中不平衡量均使模擬轉(zhuǎn)子撓度發(fā)生變化，如用轉(zhuǎn)子撓度作為測量和控制參數(shù)驅(qū)動自動平衡裝置執(zhí)行器的平衡塊作周向移動，就相當于在模擬轉(zhuǎn)子的某一角向位置上施加了一個集中不平衡量，因此選擇轉(zhuǎn)子撓度作為自動平衡裝置的測量和控制參數(shù)合理可行。

3.3 模擬轉(zhuǎn)子的影響系數(shù)法平衡試驗

影響系數(shù)法平衡的主要目的是為了模擬轉(zhuǎn)子在集中不平衡量狀態(tài)下的自動平衡試驗做準備，即在影響系數(shù)法平衡好的模擬轉(zhuǎn)子上施加一個已知的集中不平衡量，然后再進行自動平衡試驗。因篇幅限制，本文僅簡要介紹影響系數(shù)法的平衡參數(shù)和平衡結(jié)果。

平衡參數(shù)為：平衡面為模擬葉片所在平面；平衡轉(zhuǎn)速為最大起飛轉(zhuǎn)速(額定起飛轉(zhuǎn)速)；平衡配重為螺釘。

平衡結(jié)果見表1。影響系數(shù)法平衡使螺旋槳模擬轉(zhuǎn)子垂直和水平方向的轉(zhuǎn)子撓度幅值分別減小96.28%、93.70%，平衡效果非常顯著。平衡后的轉(zhuǎn)子撓度幅值已非常小，后續(xù)模擬轉(zhuǎn)子集中不平衡量狀態(tài)下的自動平衡試驗，可認為轉(zhuǎn)子撓度幅值基本上是由集中不平衡量引起。

表1 影響系數(shù)法平衡結(jié)果Table 1 Balance results of the influence coefficient method

3.4 模擬轉(zhuǎn)子的自動平衡試驗

在初始狀態(tài)或集中不平衡量狀態(tài)下，分別在螺旋槳轉(zhuǎn)子的最大巡航轉(zhuǎn)速、最大爬升轉(zhuǎn)速和最大起飛轉(zhuǎn)速(額定起飛轉(zhuǎn)速)下對螺旋槳模擬轉(zhuǎn)子進行了自動平衡試驗。其中，最大巡航轉(zhuǎn)速＜最大爬升轉(zhuǎn)速＜最大起飛轉(zhuǎn)速(額定起飛轉(zhuǎn)速)。

3.4.1 初始狀態(tài)下的自動平衡試驗

螺旋槳模擬轉(zhuǎn)子的初始狀態(tài)為加工、裝配完成后的轉(zhuǎn)子狀態(tài)(轉(zhuǎn)子上存在初始不平衡量)。

在最大巡航轉(zhuǎn)速、最大爬升轉(zhuǎn)速和最大起飛轉(zhuǎn)速(額定起飛轉(zhuǎn)速)下的自動平衡試驗過程中，由D1和D2測得的轉(zhuǎn)子撓度幅值隨時間的變化見圖8，據(jù)此可以得到初始狀態(tài)下模擬轉(zhuǎn)子在三個平衡轉(zhuǎn)速下自動平衡試驗的平衡效果和所經(jīng)歷的平衡時間，見表2。可見：初始狀態(tài)下的模擬轉(zhuǎn)子，三個平衡轉(zhuǎn)速下的平衡效果在53.60%～72.41%范圍內(nèi)，平衡效果顯著，且平衡效果隨著平衡轉(zhuǎn)速的增大而提高；三個平衡轉(zhuǎn)速下自動平衡試驗所經(jīng)歷的時間基本一致，均在20～21 s范圍內(nèi)。

3.4.2 集中不平衡量狀態(tài)下的自動平衡試驗

螺旋槳模擬轉(zhuǎn)子的集中不平衡量狀態(tài)是指：在上述影響系數(shù)法平衡后，再在300°位置的模擬槳葉上施加一個60.16 g·m(質(zhì)量92.7 g，半徑648.5 mm)集中不平衡量的轉(zhuǎn)子狀態(tài)。

在最大巡航轉(zhuǎn)速、最大爬升轉(zhuǎn)速和最大起飛轉(zhuǎn)速(額定起飛轉(zhuǎn)速)下的自動平衡試驗過程中，由D1和D2測得的轉(zhuǎn)子撓度幅值隨時間的變化見圖9，據(jù)此可以得到集中不平衡量狀態(tài)下的模擬轉(zhuǎn)子在三個平衡轉(zhuǎn)速下自動平衡試驗的平衡效果和所經(jīng)歷的平衡時間，見表3。可見：集中不平衡量狀態(tài)下的模擬轉(zhuǎn)子，三個平衡轉(zhuǎn)速下的平衡效果在75.61%～83.87%范圍內(nèi)，平衡效果非常顯著，且平衡效果同樣隨著平衡轉(zhuǎn)速的增大而提高；三個平衡轉(zhuǎn)速下的自動平衡試驗所經(jīng)歷的時間也基本一致，均在18～21 s范圍內(nèi)。

圖8 不同平衡轉(zhuǎn)速下自動平衡過程中的轉(zhuǎn)子撓度幅值-時間曲線(初始狀態(tài)下)Fig.8 Curves of rotor deflection amplitude versus time during auto balance at different balance speed(the initial state)

表2 初始狀態(tài)下螺旋槳模擬轉(zhuǎn)子自動平衡試驗的平衡效果和平衡時間Table 2 Balance effect and balance time of auto balance experiment of the simulation propeller rotor in the initial state

圖9 不同平衡轉(zhuǎn)速下自動平衡過程中的轉(zhuǎn)子撓度幅值-時間曲線(集中不平衡量狀態(tài)下)Fig.9 Curves of rotor deflection amplitude versus time during auto balance(the concentrated unbalance state)

對比分析表2和表3可知：在轉(zhuǎn)子狀態(tài)不變的情況下，平衡效果同樣隨著平衡轉(zhuǎn)速的增大而提高；在相同平衡轉(zhuǎn)速下，集中不平衡量狀態(tài)下的平衡效果明顯好于初始狀態(tài)下的平衡效果，說明自動平衡裝置對集中不平衡量狀態(tài)下的轉(zhuǎn)子有更好的平衡效果。

4 結(jié)論

在高速旋轉(zhuǎn)試驗器上，對基于結(jié)構(gòu)和動力學相似等原則設計的螺旋槳模擬轉(zhuǎn)子開展了系統(tǒng)的自動平衡試驗研究，主要結(jié)論如下：

表3 集中不平衡量狀態(tài)下螺旋槳模擬轉(zhuǎn)子自動平衡試驗的平衡效果和平衡時間Table 3 Balance effect and balance time of auto balance experiment of the simulation propeller rotor in the concentrated unbalance state

(1) 螺旋槳模擬轉(zhuǎn)子的自動平衡試驗驗證了模擬轉(zhuǎn)子設計和自動平衡試驗方案設計的合理性，也驗證了自動平衡裝置原理、結(jié)構(gòu)、控制等設計的正確性和可靠性。自動平衡裝置經(jīng)過進一步優(yōu)化后完全可以應用于裝機螺旋槳轉(zhuǎn)子的自動平衡試驗，本研究工作為后續(xù)裝機螺旋槳轉(zhuǎn)子的自動平衡奠定了堅實的基礎，將在線、實時解決螺旋槳轉(zhuǎn)子的平衡難題。

(2) 初始狀態(tài)和集中不平衡量狀態(tài)下的螺旋槳模擬轉(zhuǎn)子，在最大巡航轉(zhuǎn)速、最大爬升轉(zhuǎn)速和最大起飛轉(zhuǎn)速(額定起飛轉(zhuǎn)速)下的自動平衡試驗均取得了顯著的平衡效果，每次自動平衡的時間也基本一致。在平衡轉(zhuǎn)速相同的前提下，集中不平衡量狀態(tài)下的平衡效果要明顯好于初始狀態(tài)下的平衡效果；在轉(zhuǎn)子狀態(tài)不變的前提下，平衡效果同樣隨著平衡轉(zhuǎn)速的增大而提高。