某型号航空发动机高压压气机转子平衡精度控制

王 瑾 冯 硕 吴 斌 卢成玉

（中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司，辽宁 沈阳 110043）

0 引言

转子的不平衡量检查是航空发动机生产制造过程中的重要环节，转子平衡是转子装配完成后的减振措施，通过在转子的某一个或多个截面上增加或者降低质量，使转子的质心与其几何中心靠近，从而降低转子在工作中的不平衡力力偶或者在临界转速附近的横向振动，进而降低转子系统以及整机振动。但从平衡数据来看，经过平衡后，虽然转子剩余的不平衡量达到一个相对较小的量值，但是在试车后重复测量时，经常发现转子的剩余不平衡量会发生变化，对比某型号航空发动机各转子试车前后剩余不平衡量的平均值可知，转子在试车后剩余不平衡量会出现成倍增长的现象，某些转子在试车后的剩余不平衡量甚至会达到试车前的10倍以上。

这种变化部分是由2次平衡过程的过程误差所导致的。如果平衡过程的误差超过一定的量值，就会导致发动机整机振动超标，对转子系统来说，通过各种工艺方法提高高压压气机转子的平衡精度，能有效降低因转子不平衡而引起整机振动的风险。

1 某型号发动机高压压气机转子平衡过程误差

许多需要平衡的转子部件本身没有工作（支撑）轴，为了使它们处于平衡状态，必须将这些转子部件安装在与转子同轴线的支撑轴上，某型号发动机高压压气机转子前端采用前轴颈作为支撑，后端采用高压涡轮模拟转子支撑，同时模拟了高压涡轮转子装配时的工作状态。由于模拟转子不可避免地会出现一些误差，例如轴向、径向偏摆和自身不平衡等，因此在实际工作过程中，可以采用模拟转子多次转位平衡的方式计算这些误差引起的不平衡量，并在后续的平衡过程中采用数学方法进行排除。

平衡机提供了多角度转位的方式进行平衡补偿，从对高压压气机转子精度和现场实际工作效率的需求来看，目前采用180°转位补偿，即2次转位的方式进行平衡。

第二次装配：将模拟转子的0°对准压气机转子的0°位

根据矢量加减法或者利用平行四边形法则（图1），由公式（1）、公式（2）可以得到公式（3）。

图1 用平行四边形法则求模拟转子不平衡量带来的误差和转子自身的不平衡量

某型号发动机的高压压气机转子有2个校正面，2个校正面均适用于公式（3）的算法，求解得到模拟转子不平衡量带来的误差及高压压气机转子自身的不平衡量。

图2 用平行四边形法则求总的平衡误差和转子自身的不平衡量

2 某型号发动机高压压气机转子平衡误差分析

采用模拟转子转位补偿的方法平衡高压压气机转子，补偿倍数的大小在很大程度上决定了高压压气机转子和高压涡轮转子组合在一起的不平衡量，是最直接的平衡误差，而补偿倍数受多方面因素的影响，是平衡稳定性和准确性的直观反映，因此有必要通过各种措施降低补偿倍数对转子的平衡误差进行控制。

3 平衡过程中的误差控制措施

转子平衡是一项对操作要求比较高的过程，转子的正确平衡不仅可以验证转子装配的正确性，而且还可以将转子的转动力和转动扭矩降到最低，使转子以最佳状态运行。转子的平衡涉及装配、测量等多个工艺过程，又受平衡夹具、模拟转子精度的影响，控制转子平衡过程可以提高转子平衡的精度和准确性。

3.1 平衡过程的一致性控制

为保证生产现场工作有序开展，节约高压压气机转子与模拟转子装配连接后等待进行平衡的工作时间，生产现场常有多套模拟转子。为了减少模拟转子本身特征参数对转子平衡结果的影响，对同一台发动机的整个修理过程始终采用同一个模拟转子进行平衡。当进行高压压气机转子平衡时，不允许随意使用模拟转子，这样能有效保证高压压气机转子在不同试车状态下平衡结果的可对比性。

同时，也可通过同一高压压气机转子监控模拟转子平衡状态的变化。如果平衡数据有较大的波动，就可以及时发现模拟转子的平衡误差，对模拟转子进行参数校正，防止出现批次性问题。

平衡机通过调整摆架和设置不同的驱动方式，可以适用于不同类型转子的平衡测量。如果同一台平衡机频繁测量不同类型转子平衡的不平衡量，则需要频繁的调整摆架和设置不同的驱动方式，容易产生人为误差。并且调整摆架后易导致转子在平衡机上支点位置、转子水平发生变化，即使是同一个高压压气机转子，如果测量状态变化，也容易因设备测量状态的调整而产生的误差。

因此，为了保证转子平衡结果的一致性和同一转子不同时间测量数据的可比性，要求高压压气机转子在同一台平衡机上平衡。同时，该平衡机只能用于平衡高压压气机转子，避免频繁地调整摆架和设置不同的驱动方式。

模拟转子与高压压气机转子连接表面不是绝对平整的，两者的连接表面都有一定的绝对高点；同时，当模拟转子与高压压气机转子装配在一起时，也不是绝对同心的。因此，根据工艺试验，模拟转子与高压压气机转子之间采用不同的装配角度，会对平衡结果产生很大的影响，而采用同一角度的重复装配时转子不平衡量的变化量不大。

如果对模拟转子与压气机转子、平衡机刻度盘之间的位置进行固定，就需要规定模拟转子的参考零点位置。因此，为了方便数据分析和对比，当对高压压气机转子进行平衡时，需要采用与原始测量一致的起始点。这样就保证了每次平衡时高压压气机转子与模拟转子、模拟转子与平衡机之间装配的一致性。

当对高压压气机转子进行平衡时，需要使用工艺螺母连接模拟转子和高压压气机转子。因为在装配时工艺螺母数量较多且质量较重，因此工艺螺母也是影响转子平衡误差的因素之一。如果仅控制工艺螺母之间的质量差，那么也不能有效防止不平衡量误差的产生。即使控制了工艺螺母之间的质量差，在极端情况下，当较重的工艺螺母装配至同一侧时，也会对不平衡量产生较大的影响。为了避免出现这种情况，需要对螺母的装配顺序进行优化，对螺母进行编号并固定螺母的装配位置，将螺母质量随机性产生的平衡误差降到最低。

3.2 平衡操作过程控制

由于模拟转子与高压压气机转子连接是过盈配合的，需要将模拟转子在液氮中冷却后再装配，这个过程中模拟转子与高压压气机转子的配合端面很容易在温度变化过程中发生变形。因此，需要控制模拟转子与高压压气机转子的装配过程，在模拟转子冷却装配至高压压气机转子上后，优化工艺螺母装配，再使用十字交叉法用规定的扭矩拧紧。

高压压气机转子装有多级叶片，叶片的榫头与榫槽间轴向有微小间隙，在平衡过程中，轴向可能发生窜动，切向又因平衡的离散作用而存有活动量。因此，为减少叶片的自由活动量，会在高压压气机转子叶片根部留有涂胶层。

但高压压气机转子叶片根部的涂胶层在试车后常有叶片胶层磨损的现象，后续试车时叶片胶层的磨损使平衡数据不稳定。针对该问题，平衡前对榫头的胶层进行检查，如果有胶层磨损的现象，就应该重新涂胶，提高涂胶层的质量，降低胶层脱落的概率。

当高压压气机转子在平衡机上运行时，考虑其叶片数量较多、叶片活动量大的特点，控制了平衡机采集数据的时间。应在高压压气机转子在平衡机上进行充分运转时采集数据。此时，叶片处于稳定的状态，进行数据的采集和记录。不应在平衡机刚刚进行运转（平衡数据还不稳定）时就采集平衡数据。

当模拟转子向高压压气机转子上落装时，由于模拟转子和高压压气机转子贴合面不可能完全平行，因此，在落装过程中可能出现模拟转子和高压压气机贴合面存在先后接触的现象，使模拟转子和高压压气机贴合面存在间隙，贴合面结合不紧密，产生较大的平衡误差。针对这一问题，须对模拟转子和高压压气机转子进行找平后再缓慢落装，保证两者装配后紧密贴合。

3.3 平衡工装和设备控制

模拟转子的精度越高，由模拟转子自身不平衡、径向偏差和端面偏差带来的不平衡量误差就越小。目前，模拟转子在使用和定期检查的中发现有不平衡量变大、跳动变大和端面着色变差的趋势，说明模拟转子在使用过程中状态会发生变化。模拟转子的状态变化是缓慢累积的过程，在使用过程中不易被及时发现。针对这些问题，需要在正常工装定检的基础上，增加自检频次，及时修正相关问题，保证模拟转子的稳定性，避免出现批次性平衡误差问题。

平衡高压压气机转子组件的平衡机也是重点监控的对象。运行正常的平衡机本身差生的误差是比较小的，但是如果平衡机的平衡数据不准确，那么产生的平衡误差是完全不可控制的，而且在生产过程中也较难发现。因此，需要在正常校验的基础上增加检查频次，加强对平衡机（对重点转子进行平衡的平衡机）工作状态的监控，防止出现平衡机平衡数据不准确的情况。

4 实施效果评估

通过逐步实施上述控制措施，高压压气机转子试车后的剩余不平衡量和补偿倍数逐步降低，说明以上控制措施是合理的，其有效地控制了平衡过程中产生的误差，为转子的稳定工作运行奠定了基础。

5 结语

通过逐步摸索和改进工艺，某型号发动机高压压气机转子的平衡误差呈逐步降低的趋势，但仍存在很多不足。目前，在平衡过程中仍会出现初始不平衡量大、跳动超差以及试车后变化大等问题，缺少对这些偶发问题的预防措施，这反映现有工作仍过多地依赖现场经验和较为模糊的数据统计，对理论研究和数据关联性的研究不够深入，后续须深入研究相关问题，进一步提高平衡的精度和稳定性。