某壓氣機試驗件轉子平衡精度分析

紀福森，翟賢超

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽110015）

某壓氣機試驗件轉子平衡精度分析

紀福森，翟賢超

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽110015）

航空發動機及其轉動部件運行的平穩性與轉動件的平衡品質密切相關。為保證壓氣機試驗件可靠運行，分析了壓氣機轉子靜平衡、初始動平衡、最終動平衡允許剩余不平衡量控制方法，以及最終動不平衡量的分配方法，并針對某壓氣機試驗件轉子，通過采取零件靜平衡、組件初始動平衡、轉子最終低速動平衡的分步平衡方法，保證了該試驗件轉子的平衡品質。試驗運行結果表明：采取分步平衡精度控制方法，試驗件運行平穩、振動水平低。

靜平衡；動平衡；平衡品質；壓氣機；半撓性轉子

0　引言

振動問題是航空發動機研制中的1個難題，發動機及其部件試驗件的振動始終伴隨并困擾著其研制進程，有時甚至會嚴重阻礙研制工作。引起振動的因素很多，包括設計、生產、裝配、轉子不平衡量等。工程實踐表明，不論是航空燃氣渦輪發動機，還是壓氣機、渦輪等轉動部件試驗件，它們的運行平穩性均與轉子的平衡品質關系密切。

設計手冊［1］、國家標準［2-4］、機械行業標準［6］對轉子的平衡方法、平衡品質進行了規范，本文從設計角度出發，進一步分析轉子靜平衡、初始動平衡、最終動平衡平衡精度控制方法，以及平衡修正面確定的一般方法，并以某壓氣機試驗件轉子為例進行工程應用研究。

1　壓氣機試驗件轉子平衡控制

壓氣機試驗件轉子多為半撓性轉子，其設計轉速通常高于第1階臨界轉速而低于第2階臨界轉速。試驗件轉子臨界轉速計算值見表1。

表1　壓氣機試驗件轉子臨界轉速計算值r/min

工程上一般將半撓性轉子作為準剛性轉子，參照剛性轉子進行低速動平衡。多采用分步平衡的方法控制壓氣機試驗件平衡精度，各級輪盤或葉盤零件通過去除實體材料的方法修正靜不平衡量，檢查并記錄其他零件靜不平衡量，通過調整葉片裝配位置進行盤片組合件靜平衡，對壓氣機轉子組合件進行初始動平衡檢查，對轉子最終作動平衡時，通過在修正面上加裝平衡配重的方法來修正殘余不平衡量，動平衡精度一般采用ISO1940推薦的G1級平衡精度要求。

1.1靜不平衡量的控制

靜不平衡是中心主慣性軸僅平行偏離于軸線的不平衡狀態［5］。靜不平衡量一般由重心平面上的1個校正量予以校正。對于壓氣機輪盤、整體葉盤、鼓筒軸、軸頸、葉片和輪盤裝配組件等零組件，當其直徑與長度的比值≥5時，一般采用靜平衡方法進行修正。但如何控制靜不平衡量一直沒有統一標準。

機械工業部關于汽輪機旋轉零部件靜平衡標準規定：通常汽輪機旋轉零部件在工作轉速下的剩余靜不平衡質量所產生的離心力不超過其質量的5%［6］，即

工程上也有根據剛性轉子允許剩余動不平衡量來控制零件靜不平衡量的，即

式中：GRA為允許剩余靜不平衡質量，g；G'RA為允許剩余靜不平衡量，g·mm；W為質量，kg；g為重力加速度，m/s2；n為旋轉速度，r/min；Ve為平衡精度，mm/s，一般選為1～2.5；r為平衡半徑，m。

由量綱分析可知，式（1）、（2）的物理本質相同，但式（1）引入了平衡半徑。

根據式（1）、（2）的計算結果得出靜不平衡量的控制值的基礎，同時考慮具體結構的靜平衡可修正量、靜平衡工藝特點以及經濟性等因素確定靜不平衡量的控制值。

1.2初始動不平衡量控制

為了保證轉子的最終不平衡品質，對完成初始裝配的壓氣機轉子組合件進行不平衡量檢查，一般要求初始剩余不平衡量按G2.5精度進行控制，若滿足要求則進行最終動平衡，若不滿足要求可調整零件的角向位置進行再裝配。轉子組合件初始動不平衡量的控制精度與各零件靜不平衡量的控制精度相關。

1.3最終不平衡量控制

工程上多根據實踐經驗確定轉子允許的剩余不平衡量并分配至各平衡面，但較科學的方法是用軸承的單位承壓大小來衡量動平衡品質，并要求在各平衡面上產生的軸承力不能超過剩余不平衡力位于轉子重心產生的軸承力。

圖1　簡支支撐轉子

簡支支撐轉子如圖1所示。按G1級平衡精度，允許剩余不平衡量為

式中：UPER為允許剩余動不平衡量；c為重心位置到前軸承距離；l為軸承間距；a為校正面1到前軸承的距離；b為校正面2到前軸承的距離；并規定0.4≤R≤2.5；k=l-c，若，取k=0.33c；UP1、UP2分別為校正面1、2許用剩余動不平衡量。

最終，取式（4）、（5）計算的最小值為UP1，這樣UP2=UPER-UP1。

1.4不平衡修正平面的確定

對于剛性轉子，不平衡修正平面數量為2；對于撓性轉子，一般不平衡修正平面數量為工作轉速范圍內臨界轉速數+2。

不平衡修正面應位于轉子重心的兩側，并靠近前、后支點軸承位置，以使轉子在平衡時所需的校正量小，即配重的效果好。

2　某壓氣機試驗件轉子平衡精度控制

該壓氣機試驗件轉子為雙支點簡支支撐結構，前支點為滾珠軸承，后支點為滾棒軸承，各級采用葉盤結構。試驗件轉子質量為63.96 kg，設計轉速為11346 r/min，計算第1、2階臨界轉速分別為4273～5705和12735～13045 r/min，試驗件前、后支點間距為1151 mm，重心距前支點354.7 mm。

2.1各級葉盤許用靜不平衡量

各級整體葉盤采用不同的靜平衡控制方法允許的剩余靜不平衡量以及硬件實際剩余靜不平衡量見表2。考慮靜不平衡可修正量，以及工藝性、經濟性因素，該試驗件各級整體葉盤的靜平衡品質參照剛性轉子允許剩余動不平衡量控制，平衡精度按Ve=2.0 mm/s。因航空發動機轉子類零件質量較輕，按汽輪機旋轉零部件靜平衡標準（JB3329-83）確定的許用剩余靜不平衡量要求高，工藝難度大，所以該方法應用在航空發動機轉動件上存在一定限制。

表2　各級整體葉盤許用剩余靜不平衡量g·mm

2.2初始動不平衡量精度

考慮到該試驗件壓氣機轉子質量、剛度分布均勻，轉子不平衡穩定性好，加之轉子各零件止口為過盈配合，不宜反復拆裝，故該試驗件壓氣機轉子未按理論要求嚴格控制初始動不平衡剩余量，僅根據工程經驗進行要求。

2.3動不平衡修正平面的確定

根據該試驗件的結構及動力學特點，在靠近前、后支點軸承位置各設置1個動不平衡修正平面，并在重心后面與第1修正平面近似對稱位置設置第3個不平衡修正平面。

2.4最終動平衡精度

該試驗件轉子平衡系統如圖2所示。根據式（3）～（5）計算允許剩余動不平衡量，并分配至各平衡修正面，最終剩余動不平衡量見表3。

圖2　某壓氣機試驗件轉子平衡系統

表3　各修正平面最終剩余動不平衡量g·mm

2.5振動監測

在試驗過程中監測了試驗件前、后支點附近垂直與水平振動，結果如圖3所示。振動監測結果表明，該試驗件振動水平低。

圖3　試驗件振動監測結果

3　結論

（1）試驗結果表明，采用本文所述的分步平衡及其平衡精度控制方法對壓氣機試驗件準剛性轉子進行平衡是可行的，該壓氣機試驗件試驗運行平穩，振動小。

（2）對于榫連結構葉片、輪盤，裝配前應按葉片質量或靜力矩大小合理排布，以保證葉片與輪盤裝配組件剩余靜不平衡量在許用范圍內；對于原始不平衡量難以控制的轉軸，應單獨測定不平衡量，并視情校正。

（3）動不平衡量修正最好采用增加平衡配重的方法，盡量避免采用去材料方法。設計時還需考慮動平衡品質允許的誤差。

［1］航空發動機設計手冊總編委會.航空發動機設計手冊第8冊：壓氣機［M］.北京：航空工業出版社.2000：278-282. Editorial Board of Design Manual of Aeroengine.Design manual of aeroengine（8th album）：compressor［M］.Beijing：Aviation Industry Press，2000：278-282.（in Chinese）

［2］中國國家標準化管理委員會.GB/T 6557-2009撓性轉子機械平衡的方法和準則［S］.北京：中國標準化出版社，2009：1-28. Standardization Administration of China（SAC）.GB/T 6557-2009 Mechanical vibration-methods and criteria for the mechanical balancing of flexible rotor［S］.Beijing：China Standardization Press，2009：1-28.（inChinese）

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［4］中國國家標準化管理委員會.GB/T 9239.1-2006恒態（剛性）轉子平衡品質要求（第2部分：平衡誤差）［S］.北京：中國標準化出版社，2006：1-23. Standardization Administration of China（SAC）.GB/T 9239.1-2006 Mechanical vibration-balance quality requirement of rigid rotor（part2：balance errors）［S］.Beijing：China Standardization Press，2006：1-23.（in Chinese）

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［6］中華人民共和國機械工業部.JB 3329-83汽輪機旋轉零部件靜平衡標準［S］.北京：中國標準出版社，1983：1-3. China Ministry of Machinery Industry.JB 3329-83 Static balance standards of steam turbine rotation parts and components［S］.Beijing：China Standardization Press，1983：1-3.

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（編輯：趙明菁）

Analysis of Balance Precision for a Compressor Test Rig

JI Fu-sen，ZHAI Xian-chao
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute，Shenyang 110015，China）

Stationarity of aeroengine and its rotor components have relations with the rotor balance quality.For the compressor test article reliable operation，permission unbalance value for static balance，initial dynamic balance and final dynamic balance of compressor rotor were analyzed，and distributing method of final dynamic unbalance was introduced.For a compressor test article rotor，the balance precision was controlled by substep balance method，including static balance of parts，initial dynamic balance of compressor rotor assemble and final low speed dynamic balance of test article rotor.Result shows that substep balance method is effective for compressor test article rotor，the test article worked well，the vibration value is small.

static balance；dynamic balance；balance quality；compressor；half-flexible rotor

V 263.2

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.01.018

2015-04-10基金項目：國家重大基礎研究項目資助

紀福森（1981），男，高級工程師，從事壓氣機結構設計工作；E-mail：jifusen@126.com。

引用格式：紀福森，翟賢超.某壓氣機試驗件轉子平衡精度分析［J］.航空發動機，2016，42（1）：88-91.JI Fusen，ZHAI Xianchao.Analysis of balance precision for a compressor testrig［J］.Aeroengine，2016，42（1）：88-91.