某機壓氣機轉子平衡工藝

孟 濤

（海軍裝備部，西安 710021）

壓氣機轉子是航空發動機中的核心部件，工作在高速旋轉狀態。它的振動水平對發動機的使用安全至關重要。實踐證明，轉子的不平衡是影響發動機工作過程振動超限的主要原因，會直接導致發動機噪聲增大，加速軸承磨損，縮短發動機的使用壽命[1]。因此，航空發動機壓氣機轉子等轉動件的平衡在發動機制造中占有重要地位。

某型航空發動機壓氣機轉子為典型的撓性轉子，平衡精度要求高，在不具備高速動平衡的條件下如何通過低速平衡獲得較為滿意的平衡效果是研究重點。

1 剛性轉子與撓性轉子

1.1 剛性轉子

所謂剛性轉子是指從零至工作轉速整個轉速范圍內其不平衡狀態不發生明顯變化的轉子。這里的不發生明顯變化是指轉子的不平衡量應該始終維持在一個固定的許可容限以內。

剛性轉子的平衡一般都在遠低于工作轉速的低轉速下任取兩個平面，在其上加上（或減去）某些質量，使得加重（或去重）所產生的離心慣性力與轉子由于加工、裝配誤差而造成的初始不平衡量所產生的離心慣性力相抵消，從而消除或降低轉子對支承的動壓力[2]。

1.2 撓性轉子

與剛性轉子相反，隨著轉速的升高直至工作轉速，轉子的不平衡狀態發生明顯變化的轉子為撓性轉子。一般最高工作轉速超過其一階臨界轉速70%的轉子，就其平衡而言可判定為撓性轉子。

撓性轉子的平衡不僅要通過加重（或去重）平衡初始不平衡量的剛體慣性力，而且要消除轉子的彎曲變形。一般是在轉子最高工作轉速和最高工作轉速范圍內接近一階、二階臨界轉速下進行平衡[3]。

2 發動機低速動平衡的意義

當今，航空發動機制造與維修業對轉子的平衡要求是盡量避免高速平衡。究其原因，主要有3個[4]：一是轉子必須定期精密維修，其中包括嚴格的動平衡，如果采用高速動平衡工藝，就要求發動機制造、維修廠配備高速動平衡機，投資較高；二是發動機維修中對轉子的零件或組件的互換性要求越來越高，這就要求更換后轉子的平衡狀態不應有太大變化，而這一要求只能靠轉子制造過程中正確的平衡工藝及方法來實現；三是低速動平衡具有操作方便、省時、經濟等優點。

3 某機壓氣機轉子平衡難點

3.1 撓性轉子采用低速平衡條件

某機壓氣機轉子工作轉速達7 000 r·min-1。轉子工作轉速在二階臨界轉速以上，為典型的撓性轉子。一般應在高速動平衡機上進行動平衡，但在不具備高速動平衡條件下只能在低速下平衡，原理如圖1所示。

圖1 動平衡原理示意圖

3.2 轉子上的活動葉片造成平衡結果分散度大

壓氣機轉子共有9級葉片，其中0、1、2級葉片榫頭與輪盤為間隙配合，0級葉片間隙最大，其葉尖擺動量在圓周方向最大達到4 mm，軸向活動量達1 mm（如圖2所示）。由于葉片活動量大且單片葉片質量大（2.3 kg），在轉子低速平衡過程中，受葉片擺動影響，平衡量值不穩定，分散度大，不易達到平衡要求。

圖2 低壓壓氣機轉子

3.3 轉子平衡精度高

壓氣機轉子工作轉速7 000 r·min-1，轉子質量440 kg，平衡要求轉子前、后校正面剩余不平衡量不大于40 g·cm。

精度等級計算公式為[5]：

式中：U許用為轉子許用不平衡量，取值為0.4 2 kg·mm；M為轉子質量，取440 kg；n為轉子工作轉速，取7 000 r·min-1；e為轉子重心偏移量；eω為轉子重心的線速度。代入數值，有eω為1.3 mm·s-1。按平衡精度分類（G0.4，G1，G2.5，G6.3，……），壓氣機轉子重心線速度為1.3 mm·s-1，對應的平衡精度等級為G1，為高精度平衡[6]。

4 壓氣機轉子采用低速平衡的工藝方案

4.1 撓性轉子采用低速平衡可行性分析

撓性轉子因工作轉速大于一階臨界轉速，因此其不平衡狀態的變化往往是因為轉子軸向各個位置上的部件發生徑向、周向或軸向移動（即部件變形）而引起的，平衡時需消除軸向各個位置上發生移動引起的彎矩。

基于發動機轉子一般由兩個以上沿軸向分布的分離部件組成的特點，每一個零件相當于一個彎曲截面。根據轉子的結構特點對每一個部件進行單獨平衡，然后組裝轉子，安裝一個部件進行一次平衡，逐步控制轉子各組裝狀態的不平衡量。當轉子各狀態不平衡量在規定的限度內時，撓性轉子的最終平衡在兩個校正面上僅進行低速平衡同樣可獲得滿意的平衡狀態，同時可將轉子的初始不平衡量控制到較低水平[7-10]。

4.2 低速平衡工藝方案

4.2.1 分步平衡方案

壓氣機轉子由0～2級轉鼓、3～7級轉鼓、8級盤以及后軸頸等零件沿軸向組裝而成[11]。每個零組件都是一個不平衡校正面，在裝配前需對每一個零組件進行精確平衡。在裝配壓氣機轉子時，采用邊裝配邊平衡的分步平衡法，以減小轉子各截面不平衡力和各段不平衡力矩產生的附加彎矩，最終組成的轉子只需用低速平衡在兩個校正平面上進行校正。低速動平衡機如圖3所示。

圖3 低速動平衡機

具體措施如下。

（1）平衡零組件，降低轉子初始不平衡量。裝配前對8級盤進行靜平衡，對0～2級轉鼓、3～7級轉鼓和后軸頸分別進行動平衡。每一個校正面的不平衡量均應小于40 g·cm[12]。

（2）葉片科學排序。在安裝葉片前，對各級葉片進行靜力矩測量，按質量矩最小的原則進行排序，以減少因葉片質量和質心高度差異帶來新的質心偏移。

（3）適宜的平衡轉速。壓氣機轉子在1.0工況下的工作轉速是7 000 r·min-1，按照工作轉速的1/10作為平衡轉速的常規方法，考慮到現有平衡機電測系統在820 r·min-1以上時精度最高，選擇820 r·min-1為平衡轉速[13-15]。

（4）合理規劃分步平衡方案，滿足低速平衡要求。分步平衡方案為“未裝葉片的轉子平衡→裝3～5級葉片→平衡→裝2、6級葉片→平衡→裝1、7級葉片→平衡→裝8級葉片→平衡→裝0級葉片→最終平衡”。

4.2.2 減少可活動葉片對平衡結果的干擾

壓氣機轉子上0～2級葉片為可活動葉片，在進行低速平衡時葉片不能夠被完全甩出達到工作狀態。在相同轉速、旋轉方向下，每次啟動后葉片的位置都不唯一，導致轉子不平量值變化大[16]。

針對這些情況，可采取以下措施降低影響。

（1）轉子平衡轉向與發動機工作轉向相反，以減少風阻，提高測量穩定性。

（2）平衡前手動將轉子間隙排向一側，即統一轉子葉片的軸向位置。

（3）固定平衡量值讀取時間。轉子平衡啟動后，待裝配的應力完全釋放出來，葉片恢復到工作位置后再進行平衡量值的讀取，減小測量結果的分散度。

（4）采用8次測量計算向量平均值，得到綜合的剩余不平衡量。

采取上述措施后，壓氣機轉子采取低速平衡即可達到令人滿意的平衡效果。

5 結語

利用合理的分步平衡方案，采取嚴格措施，裝有可活動葉片的柔性轉子在低轉速下平衡即可獲得滿意的平衡效果，保證轉子在整個工作轉速范圍內平穩運轉。此外，通過預排間隙、穩態采集不平衡量、取8次向量平均值等，可有效減小可活動葉片造成的不平量值的分散度。