航空发动机转子动平衡方法探究

摘要：对航空发动机转子动平衡不平衡的原因进行了分析，针对航空发动机转子动平衡方法存在的缺点，对相应的平衡方法进行了改进和优化，并提出了计算工装误差的相应方法，在解决转子动平衡振动问题上具有积极作用。

关键词：航空发动机;转子动平衡;振动;平衡方法

0 引言

当航空发动机转子高速旋转时，转子质心与旋转中心偏离会引起发动机振动。由于质量不平衡引起的发动机振动容易导致发动机性能下降，严重损坏发动机零件，甚至导致发动机停转。发动机维护时，必须动态平衡转子，将转子的不平衡度用平衡机测量配平后，转子的不平衡量会达到相对稳定的水平。

1 航空发动机转子动平衡概述

转子不平衡是造成转子过度振动和产生噪声的主要原因之一，会对发动机的工作性能和使用寿命造成直接影响。因此，研究转子动平衡技术，尤其是航空发动机的柔性转子动平衡技术具有重要意义。常用机械包含大量用于旋转运动的零件，例如各种驱动轴、主轴、电动机和涡轮转子，这些被统称为旋转体[1]。当旋转体理想旋转时，轴承上的压力与不旋转时轴承上的压力相同，这种旋转体是平衡旋转体。但是，由于各种因素，例如材料不均匀、毛坯缺陷、加工和组装错误，甚至是设计中的几何形状不对称，旋转体上的每个微小颗粒产生的离心惯性力无法相互抵消，都会使轴承作用在机械及其基础上的离心惯性力引起振动，产生噪声，加速轴承磨损，缩短机械使用寿命并可能造成破坏性事故。为此，必须平衡转子以达到平衡精度允许的水平，或将机械振动幅度减小到允许范围内。

2 航空发动机转子动平衡的不平衡原因

2.1    加工原因

在毛坯制造过程中，会产生不均匀的壁厚和材料密度（缩孔、沙孔和气孔）;机械加工中产生不均匀和不同的轴度（如轴颈倾斜，轴颈偏心，端面不垂直于轴线）;热处理过程中会产生不均匀的微观结构。同时，设计或加工的键槽不对称，销钉和孔位置不对称的弓形平衡也会对转子动平衡造成极大影响。

2.2    装配原因

装配质量误差导致转子的重心与旋转中心线不一致，例如转子上设置的每个叶轮、轴套、止推盘、平衡盘等零件组装时不垂直于旋转中心线，就会导致接触端面不平行。

2.3    运行原因

在转子运行过程中，转子弯曲变形是由于操作不当引起的，如动静部件的摩擦或转子在工作应力和温度应力作用下的弯曲变形等;转子平衡状态下的故障，如涡轮转子叶片飞走，零件缺陷，皮带松动或断裂;转子零件松动（装配松动或腐蚀性松动）;固体杂质沉积在叶轮上等[2]。

3 发动机手册中的航空发动机转子动平衡方法

4 現有转子平衡方法的应用缺陷

以某台进厂维修排故级别的发动机为例，发动机故障原因是因为EGT温度超高，压气机转子组件拆下后没有进行及时分解。当按要求磨削高压压气机之后，需要重新对其进行平衡。在平衡过程中发现，在平衡机数次旋转中，其初始不平衡量的大小均不一致。设备厂家和OEM针对此类现象给出的原因是HPC转子的叶片有所松动，这两个厂家给出的故障排除建议分别是清洗内腔灰尘和根据8点法对转子组件进行平衡。其中8点法是指在0°、90°、180°、270°为起点旋转平衡机，每个旋转点旋转两次，求8次数值的矢量平均值;取下转子，使芯轴180°平衡后继续平衡8个点，求出平均值。用转子调整180°，计算两个平均值后的转子真正失衡量，最后将转子平衡到所需的标准范围内。

4.1    叶片松动问题

叶片松动对平衡梁的数据稳定性会造成极大影响，在反复对同一点进行测量时，平衡机给出的检测数据会发生漂移和反复变化。

4.2    工装误差不稳定

平衡芯轴的驱动臂连接工装有多个方面，这使得工装误差的量级稳定性始终较差，因此工作人员无法对其安装准确性进行有效判断。

4.3    检测方法可靠性差

在平衡检测环节，由于没有可靠的数据检测方法，使得不平衡量的测定可信度较差。

5 航空发动机转子动平衡方法优化探究

5.1    4点平衡方法

针对发动机手册中平衡方法存在的问题，可以对平衡方案进行适当改进，通过采用多点平衡的方法，降低发生转子叶片松动问题的概率，在每次平衡之前都要对工装误差进行有效监测，并对工装误差测量值的方法可靠性进行有效判断，同时还要做好观测记录，以便于后期参考调整，使转子的剩余不平衡量符合手册的相关标准[3]。

5.2    转子检验要点分析

在转子动平衡检验工作中，除了执行以上平衡机操作方法外，还要对平衡芯轴的不平衡量以及配合直径进行定期检查，定期清洁芯轴，确保其表面没有杂物;同时，还要对平衡机驱动轴的万向头运行情况进行定期检查，在叶片安装中还要确保转叶处于同一平面之内，并详细记录配重数量、位置、大小等数据信息，以便于后期检查核对。另外，由于平衡芯轴和驱动轴都有相对应的固定位置，因此在安装时应该严格按照相关标准进行安装。同时，还要对连接螺栓进行编号和称重，在转子支撑轴承运转前应该注意润滑，以此保证转子运行的流畅性。

6 结语

本文主要采用4点法对航空发动机转子动平衡方案进行了优化，并提出了计算工装误差的相应方法，为提高不平衡量测量数据的验证精准性，完善转子动平衡的操作流程提供了有力保障，通过验证发现，该方法在解决转子动平衡振动问题上具有积极作用。

[参考文献]

[1] 中国航发哈尔滨东安发动机有限公司.一种小型航空发动机多段轴联合转子动平衡方法：CN201910622405.1[P].2019-09-20.

[2] 冯健朋，赵小勇.航空发动机振动不平衡相位检测方法研究[J].燃气涡轮试验与研究，2018，31（3）：38-42.

[3] 陈曦，廖明夫，刘展翅，等.一种弹性支撑柔性转子模态动平衡方法[J].南京航空航天大学学报，2016，48（3）：402-409.

收稿日期：2020-05-07

作者简介：侯隆韬（1995—），男，河北邯郸人，在读研究生，研究方向：机械振动。