封嚴環的不平衡量及配合關系對低壓系統振動的影響分析

王洪明 孫汕民 李希順

摘要：為研究低壓系統振動的影響因素，通過結構平面簡化和數據統計，分析盤間封嚴環不平衡量、盤間封嚴環與低壓一級渦輪盤配合間隙值等因素對低壓系統振動的影響，提出盤間封嚴環的不平衡量越大則低壓系統振動的可能性越大、盤間封嚴環與低壓一級渦輪盤配合間隙值越大則低壓系統振動的可能性越大。因此，控制盤間封嚴環不平衡量和盤間封嚴環與低壓一級渦輪盤的配合間隙值是控制低壓系統振動的有效措施。

關鍵詞：低壓渦輪轉子部件，低壓系統;不平衡量;配合間隙;發動機振動

中圖分類號：V231.92文獻標志碼：A DOI：10.19452/j.iss n 1007-5453.2018.08.023

航空發動機作為飛機的重要組成部分，被喻為飛機的“心臟”[1，2]，其工作中的振動問題是重要故障之一，影響航空發動機的使用壽命和工作效率[1，3]。航空發動機轉動系統由四大核心轉子部件組成，即高壓壓氣機轉子部件、低壓壓氣機轉子部件、高壓渦輪轉子部件和低壓渦輪轉子部件，轉子部件工作過程中產生不平衡慣性力和慣性力矩，是航空發動機振動主要的激振源，因此，各轉子部件的不平衡量控制和穩定性尤為重要[1，5～11]。

低壓渦輪轉子部件作為航空發動機的重要組成部分，盤間封嚴環的不平衡量對低壓渦輪轉子部件不平衡量貢獻較大。盤間封嚴環與低壓一級渦輪盤的配合關系影響低壓渦輪轉子部件的穩定性，當配合間隙較大時，盤間封嚴環的活動量較大，給旋轉的低壓渦輪轉子部件帶來不穩定性，影響低壓渦輪轉子平衡。因此，亟待研究盤間封嚴環不平衡量、盤間封嚴環與低壓渦輪盤配合關系對低壓系統振動的影響。

1 低壓渦輪轉子結構

低壓渦輪轉子部件由低壓一級渦輪盤片組件、低壓二級渦輪盤片組件、盤間封嚴環和低壓渦輪軸等組成，如圖1所示。在裝配時，低壓一級渦輪盤片組件、低壓二級渦輪盤片組件、低壓渦輪軸通過螺栓連接，盤間封嚴環與低壓一級渦輪盤通過配合止口和定位銷定位、盤間封嚴環與低壓二級渦輪盤通過配合止口定位。其中，低壓一級渦輪盤片組件、低壓二級渦輪盤片組件、低壓渦輪軸不平衡量較小，低壓渦輪轉子部件不平衡量主要由盤間封嚴環貢獻。

2 盤間封嚴環不平衡量對低壓系統振動影響分析

2.1 理論分析

低壓一級渦輪盤片組件、低壓二級渦輪盤片組件、低壓渦輪軸不平衡量較小，低壓渦輪轉子的不平衡量主要由盤間封嚴環不平衡量貢獻，在低壓渦輪轉子部件平衡時，以低壓渦輪軸兩端軸承面作為支點，對低壓渦輪轉子部件進行不平衡量檢查，當低壓渦輪轉子部件存在不平衡量時，通過調整低壓二級渦輪工作葉片的順序使低壓渦輪轉子部件達到平衡狀態。

可以將低壓渦輪轉子平衡過程簡化成如圖2所示模型。

假設盤間封嚴環的不平衡量為P，則：

P=Δm×r（1）式中：Δm為盤間封嚴環對點質量差，單位為kg;r為盤間封嚴環旋轉半徑，單位為m。

假設盤間封嚴環中心到各點的半相等，則說明盤間封嚴環質量不均勻，存在質量差Δm，當低壓渦輪轉子部件旋轉時，所受到的離心力為：

F=Δm×ω²×r（2）式中：F為盤間封嚴環離心力，單位為N;w為盤間封嚴環旋轉角速度，單位為rad/s。

當通過調整低壓二級渦輪葉片使低壓渦輪轉子部件達到力的平衡時，低壓二級渦輪盤片組件存在一個不平衡力F'，則：

F=F'

假設盤間封嚴環與低壓二級渦輪盤片組件之間距離為X，則低壓渦輪轉子部件承受的力矩不平衡量為：

M=F×X（3）式中：M為力矩，單位為N·m。

盤間封嚴環與低壓二級渦輪盤片組件之間距離X不變，根據式（1）～式（3），盤間封嚴環不平衡量越大時，低壓渦輪轉子部件的力矩不平衡量越大，對低壓系統的振動越不利。并且發動機工作時低壓渦輪轉子部件的角速度大于不平衡量檢查時低壓渦輪轉子部件的角速度，根據式（2）、式（3），隨著角速度的增大，力矩不平衡量會增大，對低壓系統的振動越極為不利。

2.2 統計分析

統計200臺次盤間封嚴環的不平衡量，分析發動機的試車表現，低壓分量值是低壓系統振動結果的體現，一般以Y作為分界線，振動值在Y以下的認為表現良好，振動值在Y以上的認為表現較差。

將盤間封嚴環不平衡量每500g·mm劃分為一個階段，分析每個階段中低壓分量在0～Y以及低壓分量在Y以上的比例分布，如圖3所示。

根據圖3可知，隨著盤間封嚴環不平衡量值的增大，試車時低壓分量在0～Y之間的比例逐漸下降，而低壓分量超過Y的比例在不斷上升，表明盤間封嚴環的不平衡量越大，低壓系統振動的可能性越大，因此，控制盤間封嚴環不平衡量是控制低壓系統振動的有效措施之一。

3 盤間封嚴環、低壓渦輪盤配合量對低壓系統振動影響分析

3.1 理論分析

盤間封嚴環通過止口配合與低壓一級渦輪盤連接，配合量在過盈0.10～間隙0.12之間，盤間封嚴環與低壓二級渦輪盤之間亦是間隙配合，配合量在間隙0.06～間隙0.24之間，因此，盤間封嚴環與低壓一級渦輪盤配合尺寸關系到盤間封嚴環在低壓渦輪轉子部件中的穩定性。

當盤間封嚴環與低壓一級渦輪盤配合量為間隙時，低壓一級渦輪盤與盤間封嚴環的理論圓心為口，低壓渦輪轉子部件旋轉時，盤間封嚴環的幾何圓心由口點移動至口，點，旋轉圓心仍然為口點，盤間封嚴環做偏心運動，產生新的不平衡量，如圖4所示。

設盤間封嚴環與低壓一級渦輪盤的配合為間隙z，則O點到O₁點的直線距離為z/2。設盤間封嚴環的幾何半徑為r，則盤間封嚴環旋轉半徑為：式中：r₁為短軸半徑，單位為m;r₂為長軸半徑，單位為m。

設盤間封嚴環的整體質量為M，以旋轉中心O為原點，在a°時，d_a的質量為：式中：M_1a為短軸側在a°時d_a的質量，單位為kg;r_1a為短軸側在a°時旋轉半徑，單位為m。式中：M_2a為長軸側在a°時d_a的質量，單位為kg;r_2a為長軸側在a°時旋轉半徑，單位為m。

根據式（4）、式（5）可得：式中：ΔP為不平衡量差值。

將式（4）、式（5）代入式（6）得出：

根據余弦定理得：

由式（8）、式（9）得：

再根據：

由式（10）、式（11）得出：

將式（12）代入式（7）得出：

由式（13）可以得出，盤間封嚴環與低壓一級渦輪盤的止口配合間隙越大，由盤間封嚴環引起的不平衡量越大，低壓渦輪轉子在工作過程中穩定性越差，越易引起發動機振動問題。

3.2 統計分析

統計200臺次盤間封嚴環與低壓一級渦輪盤配合情況，分析發動機的試車表現，低壓分量值是低壓系統振動結果的體現，一般以Y作為分界線，振動值在Y以下的認為表現良好，振動值在Y以上的認為表現較差。

將盤間封嚴環不平衡量每0.02mm劃分為一個階段，分析每個階段中低壓分量在0～Y以及低壓分量在Y以上的比例分布，如圖5所示。

根據圖5可知，隨著盤間封嚴環與低壓一級渦輪盤的配合間隙值的增大，試車時低壓分量在0～Y之間的比例逐漸下降，而低壓分量超過Y的比例在不斷上升，表明盤間封嚴環與低壓一級渦輪盤的配合的間隙值越大，低壓系統振動的可能性越大。當盤間封嚴環與低壓一級渦輪盤配合在間隙0.04至過盈時，試車時低壓分量在0～Y之間的比例基本相當，因為受盤間封嚴環形位公差影響，盤間封嚴環與低壓一級渦輪盤存在局部過盈，配合尺寸對低壓系統振動影響不明顯。因此，當盤間封嚴環與低壓一級渦輪盤配合間隙在0.04以上時，控制盤間封嚴環與低壓一級渦輪盤的配合量是控制低壓系統振動的有效措施之一。

4 結論

通過研究，可以得出以下結論：

（1）盤間封嚴環的不平衡量越大，低壓系統振動的可能性越大，控制盤間封嚴環不平衡量是控制低壓系統振動的有效措施之一。

（2）盤間封嚴環與低壓一級渦輪盤配合在間隙0.04至過盈時，試車時低壓分量在0～Y之間的比例基本相當，當盤間封嚴環與低壓一級渦輪盤配合間隙在0.04以上時，控制盤間封嚴環與低壓一級渦輪盤的配合量是控制低壓系統振動的有效措施之一。

參考文獻

[1]羅立，唐慶如.航空發動機振動與平衡研究[J].中國民航飛行學院學報，2014（5）：57-60.

[2]岳聰，任興民，鄧旺群，等.航空發動機轉子突加不平衡參數分析及LQR控制技術應用14振動與沖擊，2015，34（17）：174-179.

[3]張群巖，史建邦，符嬈.基于多元線性回歸方法的試驗條件對發動機振動的影響分析[J].機械研究與應用，2016，29（4）：114-117.

[4]朱亞夫，丁宏剛，曹光光.汽車起重機發動機振動分析[C]//中國工程機械學會工程起重機械分會第17屆年會會刊，2015：201-207.

[5]周駿，潘曉銘，周哲為.轉子動平衡的技術研究[J].機械設計與制造，2007（04）：151-153.

[6]張大林.離心泵不平衡振動的故障診斷分析[J].建設機械技術與管理，2015，28（12）：67-69.

[7]劉靜宇.CFM56-7B發動機振動指示高故障分析[J].航空維修與工程，2012（01）：58-59.

[8]王宇飛，謝永鵬.旋轉機械轉子不平衡故障的診斷與分析[J].湖南工業職業技術學院學報，2009，9（05）：6-7.

[9]劉翠紅，王克明，夏錕，等.轉子系統不平衡響應的逆向分析[J].沈陽航空航天大學學報，2016，33（4）：30-37.

[10]王娟，史新宇，王文宇.發動機轉子平衡測量穩定性技術研究[J].航空科學技術，2015，26（07）：17-21.

[11]王娟，史新宇.航空發動機低壓渦輪轉子平衡工藝研究[J].航空科學技術，2016，27（02）：25-28.