带模拟转子的燃气轮机转子组件动平衡影响因素分析

刘艳良 冯 硕

（中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司，辽宁 沈阳 110043）

燃气轮机是一种高速旋转的机械，应用范围广阔，其主要故障之一是在运行中产生的振动问题，它影响燃气轮机的使用寿命和工作效率。高压压气机转子和高压涡轮转子构成了燃气轮机的核心转子系统，转子运行过程中产生的不平衡惯性力及力矩是燃气轮机振动的主要来源。该文主要分析高压涡轮转子转位平衡误差因素产生的原因。

1 高压涡轮转子结构

高压涡轮转子为维修单元体设计，典型高压涡轮转子主要由鼓筒、封严盘、涡轮盘、后轴颈和叶片五部分构成。鼓筒为环形薄壁结构；封严盘的作用为封严及叶片前挡板；涡轮盘是高压涡轮转子的主要承力部件和传扭部件；后轴颈是高压涡轮转子的中介轴承的支点，通过悬臂结构与涡轮盘相连接。叶片以枞树型榫槽的连接方式与涡轮盘相连接。前四部分的连接均为过盈装配，短螺栓连接，刚性好。涡轮叶片工作状态下的热膨胀及离心力导致叶片装配后须存在较大的周向及径向活动量，使得在平衡状态下难以模拟真实工作状态。

2 高压涡轮转子平衡过程

高压涡轮转子采用模拟转子进行转位平衡方式平衡，模拟转子模拟对应的高压压气机转子的质量、重心位置、转动惯量及刚度，并平衡到预设精度。高压涡轮转子转位平衡过程如下：1）液氮冷却高压涡轮转子止口并立即装配到模拟转子上。装配时保证模拟转子端面与高压涡轮转子安装端面平行，模拟转子止口与高压涡轮转子连接止口及螺栓孔对正，装配过程须缓慢平稳。模拟转子上的标记位置与转子上标记的起始位置保持一致。2）冷却装配后，迅速用工艺螺母进行预压紧，施加扭矩均匀拧紧且均匀分布，防止在恢复至室温的过程中装配部位发生回弹，其余安装位置的螺母应拧靠，不施加扭矩。3）当转子结合部位温度恢复至室温时，可借助测温装置测量，转子恢复室温的过程应在室温条件下进行，通过使用风扇加快恢复室温的进程。4）完全松开施加扭矩的工艺螺母和未施加扭矩的工艺螺母，然后按十字交叉法拧紧所有工艺螺母，螺母施加扭矩均匀拧紧。5）将安装模拟转子的高压涡轮转子组合件调整至水平，吊装至平衡机上，吊装过程应平稳，避免冲击摆架。将转子与万向联轴节连接，平衡机 0°位置对应转子初始位置，检查转子及万向联轴节水平，通过调整平衡机摆架的高度来保证所有条件符合要求。按文件要求检查相应表面跳动，对比转位前与转位后的相应表面跳动及相位，保证它们在规定差值范围内，当相应表面跳动超出规定要求时，应分解模拟转子，检查模拟转子及高压涡轮转子贴合表面应无多余物，再重新装配。6）选择转位补偿的次数及补偿方式，启动平衡机测量安装模拟转子的高压涡轮转子组合件不平衡矢量，在平衡机开始测量数据前应运行一段时间来保证测量数据稳定。7）将安装模拟转子的高压涡轮转子组合件从平衡机上吊下，并将模拟转子从高压涡轮转子上分解。8）重复第 1 步～第6 步，在不同角度进行转位装配，测量转位后不平衡矢量。最后一次转位平衡测量停车后，进行转位补偿确认，测量高压涡轮转子的初始不平衡，模拟转子及装配误差带来的不平衡应不大于规定倍数的许用剩余不平衡量，当转位补偿倍数超差时，重新进行转位平衡工作，如果重新平衡仍不合格，应确认模拟转子和高压涡轮转子的技术状态。9）在高压涡轮转子上按规定增加配重，将转子的平衡降至许用剩余不平衡之内。如果平衡过程中不平衡量发生变化导致无法平衡，应检查高压涡轮转子上活动零件的装配间隙，如果不符合要求应进行排除。10）平衡完成后，将安装模拟转子的高压涡轮转子组合件从平衡机上吊下，吊装过程应平稳、避免冲击，从高压涡轮转子上分解模拟转子。

高压涡轮转子对不平衡量有严格的要求，在科研生产中会出现转子不平衡量合理变化范围不确定、同一转子两次测量是否合格、结论不确定等现象。高压涡轮转子平衡的过程受平衡机、人员、模拟转子、转子本身构成等因素的影响，这些因素会使得不平衡量存在波动。

3 高压涡轮转子平衡问题定位

针对高压涡轮转子平衡时存在较大的平衡量差异的问题，从“人、机、料、法、环、测”等因素方面按照高压涡轮转子平衡工艺流程进行分析。其中“人”和“机”的因素无法排除，须分析具体影响。差异因素见表1。

表1 高压涡轮转子平衡差异因素分析

4 不同操作者的平衡方法影响分析

两台发动机的高压涡轮转子使用相同的平衡机、相同的模拟转子、更换不同操作者进行平衡，两名操作者操作方法基本一致，对比两台高压涡轮转子的平衡数据，平衡量及补偿倍数均存在一定量的变化，不同操作者的装配平衡过程会对测量结果存在影响。整理不同操作者平衡相同高压涡轮转子的平衡数据，可以看出不同操作者按照相同的操作过程会对平衡结果造成一定影响，见表2。

表2 不同操作者平衡高压涡轮转子数据

对比不同操作者的操作方法，主要差异为恢复室温时间。高压涡轮转子冷却安装后，使用测温仪测量高压涡轮转子安装边温度，达到室温后进行平衡，一般在安装后2min 左右温度已接近室温，但体感温度还低于室温。对高压涡轮转子在不同恢复室温时间测量转子不平衡量进行分析后认为，测温仪测得的转子温度不能准确反映转子恢复室温情况，不同的恢复室温时间会对转子不平衡量产生较大的影响，合适的恢复室温时间需要根据实际情况试验确定。试验分析数据见表3。

表3 不同恢复室温时间高压涡轮转子平衡数据

5 平衡摆架调整对高压涡轮转子平衡量的影响分析

分析高压涡轮转子在不同次平衡中出现的平衡数据差异问题，较大的平衡数据差异均出现在平衡机平衡完其他转子调整摆架后的平衡过程中。

5.1 平衡摆架调整对高压涡轮转子平衡量的影响

平衡摆架通常分为上下两部分，靠螺栓连接固定。平衡摆架上部与转子接触，负责承载、感知转子不平衡量并传递给传感器；平衡摆架下部与导轨接触，主要起支撑作用，同时传感器安装在平衡摆架下部。高压涡轮转子平衡工作需要的轴端摆架为高度可调的滚轮式摆架，盘端摆架为不可调高度的轴瓦式摆架。当更换转子进行平衡摆架调整时，一般会分解平衡摆架上半部分进行更换，松开平衡摆架下半部分调整距离，更换平衡摆架的过程中存在摆架上半部分连接到下半部分状态不一致、上部摆架弹簧螺母锁紧安装和运行状态不一致的问题。对上半部分摆架连接及运行状态进行对比试验分析可知，平衡摆架须按合适的限力进行拧紧，拧紧后支撑刚度达到最佳，不平衡量趋于稳定。平衡摆架弹簧螺母锁紧安装状态的不同会导致不平衡数据存在较大的变化量，相同的安装运行状态平衡数据相对稳定，一般推荐按照锁紧安装自由运行进行平衡。分析数据见表4 和表5。

表4 摆架不同连接状态高压涡轮转子平衡数据

表5 摆架弹簧螺母不同锁紧高压涡轮转子平衡数据

5.2 转子水平对高压涡轮转子平衡量的影响

在高压涡轮转子安装到平衡机上之后转子存在水平倾斜度，对不同倾斜度状态的平衡数据进行整理可知，改变转子水平状态会小幅影响转子不平衡量，平衡摆架调平后能确保系统测量准确性。试验结果见表6。

表6 不同倾斜度高压涡轮转子平衡数据

5.3 转子转向对高压涡轮转子平衡量的影响

受高涡叶片结构影响，高压涡轮转子在不同转向中会承受不同方向的轴向力，对应在平衡机上为联轴节承受拉应力或压应力，导致高压涡轮转子不平衡量存在更大的不平衡量影响。当平衡时转子须按照工作中的旋转方向进行旋转，这能够保证高压涡轮转子平衡状态与工作状态平衡一致，降低不平衡量误差。对比数据见表7。

表7 平衡转向对高压涡轮转子平衡量的影响

6 模拟转子变化对高压涡轮转子平衡量的影响

高压涡轮转子平衡采用模拟转子进行转位平衡，模拟转子模拟对应的高压压气机转子的关键结构参数为质量、重心位置、跨距、转动惯量等，制造精度允许误差一般不大于4%。模拟转子以配合止口和结合面端面为基准，控制轴径全跳动跳动量一般不大于0.015，模拟转子结合面平面度不大于0.005 及其他尺寸公差精度。当模拟转子自身平衡时如果需要调整不平衡量，应该使用固定的配重进行调整并安装牢固防止脱落。当模拟转子平衡校正到需要用剩余不平衡量时，与高涡模拟转子进行组合，按照4 个不同相位（如0°、90°、180°、270°）进行对接，检查模拟转子在不同位置的剩余不平衡量，一般剩余不平衡量不超过10 倍剩余不平衡均为良好状态。配套使用的工艺螺母须控制最大、最小质量差并编号，装配时按照相应编号顺序进行装配和拧紧。典型的模拟转子结构如图1 所示。

图1 模拟转子检测位置示意图

高压涡轮转子平衡过程采用两台模拟转子进行平衡，对两台模拟转子进行分析，两台模拟转子均已平衡校正到规定剩余不平衡量，4 个不同相位的平衡数据中有1 个模拟转子平衡量偏大。分析造成不平衡量差异的主要原因为模拟转子自身形位精度-轴径表面的全跳动差异。采用高精密气浮转台检查模拟转子，模拟转子定位止口基准模拟转子A、B 的跳动均在0.005 以内，轴颈相对转子连接定位止口基准A、B跳动实测值分别为0.005mm、0.013mm，与模拟转子平衡数据分布相对应。

根据“Balancing Machines：Tooling Design Criteria”（SAE ARP4163）标准，连接定位止口对转子不平衡量的影响分为以下3 点：1）定位止口柱面跳动引起的静不平衡。2）定位止口端面跳动引起的静不平衡。3）定位止口端面跳动引起的偶不平衡。这些由模拟转子止口形位精度导致的不平衡量理论上会在转位平衡过程中被补偿掉，存在的微小差异基本不会对不平衡量造成影响。模拟转子的轴径跳动导致的平衡量差异会在转位平衡过程中进行补偿，但会体现在高压涡轮转子平衡的补偿倍数中，根据计算，由跳动引发的不平衡会导致两个模拟转子的补偿倍数相差约2 倍。进行对比试验后的数据整理见表8。在模拟转子平衡合格后，模拟转子形位精度会随着使用不断变差，形位精度转子不平衡量的影响较小，但会影响转子平衡过程中的补偿倍数，补偿倍数会随形位精度变差而增大，在模拟转子使用过程中需要监控补偿倍数的变化情况，并定期对模拟转子进行形位精度检查。

表8 不同模拟转子对高压涡轮转子平衡量影响

7 结论

针对某高压涡轮转子平衡误差的过程进行对比分析，找到了影响平衡误差的原因，经过工艺验证，控制了平衡误差的产生，提高了转子的平衡稳定性。对其他燃气轮机转子平衡工艺设计具有指导意义。具体结论如下：1）测温仪测得转子温度不能准确反映转子恢复室温情况，不同的恢复室温时间会对转子不平衡量产生较大的影响，合适的恢复室温时间需要根据实际情况试验确定。2）平衡摆架须按合适的限力进行拧紧，拧紧后支撑刚度达到最佳，不平衡量趋于稳定。不同平衡摆架弹簧螺母的锁紧安装状态会导致不平衡数据存在较大的变化量，相同的安装运行状态平衡数据相对稳定，一般推荐按照锁紧安装自由运行进行平衡。3）改变转子水平状态会小幅影响转子不平衡量，调平平衡摆架之后能确保系统测量准确性。4）当平衡时转子须按照工作中的转向进行旋转，这能够最大限度地保证转子平衡状态与工作状态平衡一致。5）模拟转子平衡合格后，模拟转子形位精度会随使用不断变差，形位精度转子不平衡量的影响较小，但会影响转子平衡过程中的补偿倍数，补偿倍数会随形位精度变差而增大，在模拟转子使用过程中需要监控补偿倍数的变化情况，并定期对模拟转子进行形位精度检查。