渦槳發動機螺旋槳模擬轉子自動平衡試驗研究

鄧旺群，楊 海，孫 勇，劉文魁，唐虎標

(1.中國航發湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002；2.中國航空發動機集團航空發動機振動技術重點實驗室，湖南株洲 412002)

1 引言

航空發動機轉子的平衡可以有效降低發動機的整機振動、提高使用的安全性和可靠性，在發動機研制中占有重要地位。航空發動機轉子平衡通常采用離線平衡的方式進行，該方式雖然不能實時消除航空發動機轉子在運行過程中產生的不平衡量，但實踐證明通常都能滿足工程需要。然而，對于渦槳發動機螺旋槳轉子這種大直徑、大轉動慣量的轉子，離線平衡在實施上存在很大困難，控制其不平衡振動的最有效途徑就是采用自動平衡技術對轉子進行在線平衡。

轉子自動平衡是指在運行過程中通過主動控制改變轉子的質量分布，達到實時抑制不平衡振動的目的。該研究起步于19世紀，平衡裝置分為電機驅動式、液壓式、電磁軸承式、電磁式等結構形式。1964 年，Van de Vegte 等研制了一個電機驅動質量塊的自動平衡裝置，但平衡質量塊僅可作徑向移動；1978 年，對其進行了改進優化，使得質量塊可進行周向移動，并在自動平衡試驗臺上完成了一個剛性轉子的自動平衡實驗[1-2]。2006 年，張鵬[3]研制了一種注液式自動平衡裝置，該裝置采用三個平衡空腔，且空腔中有一定液體，通過改變進液流量來改變空腔中液體質量，從而達到自動平衡效果；2008年，蘇奕儒等[4]利用該液壓式自動平衡裝置在懸臂轉子上進行了實驗研究。電磁軸承式自動平衡裝置由于與轉子非接觸、無摩擦、不需要潤滑，可在高壓或真空環境下使用，但能耗大、結構復雜，國外已在工業上得到應用，如超高速磨床、高速電動機、透平壓縮機、航天器姿態控制裝置等。國內在該領域的研究始于20 世紀60 年代，目前仍處于實驗室研究階段，與國外比還存在較大差距[5-6]。1999年，浙江大學曾勝等[7]研制了一種補償質量塊單向移動的電磁式自動平衡裝置；2001年，歐陽紅兵等[8]又研制了能雙向移動的自動平衡裝置并在某風機上進行了應用；北京化工大學在電磁式自動平衡裝置的結構、控制算法和自動平衡實驗驗證等方面進行了較系統的研究，取得了一系列研究成果[9-13]。

美國在航空發動機轉子的自動平衡研究領域處于領先地位。2004 年美國Lord 公司公開報道了用于軍用渦槳發動機的螺旋槳在線自動平衡系統IPBS[14]，2014年研制成功，并在軍用運輸機上正式列裝[15]。國內針對航空發動機轉子自動平衡試驗的研究還處于起步階段。

本文針對某渦槳發動機螺旋槳轉子的自動平衡開展試驗研究。以基于結構和動力學相似等原則設計的一個螺旋槳模擬轉子為研究對象，在高速旋轉試驗器上完成了兩種轉子狀態、三個平衡轉速的自動平衡試驗，取得了非常理想的平衡效果。本研究在國內是一項開創性的研究工作，為后續渦槳發動機裝機螺旋槳轉子的自動平衡奠定了堅實的技術基礎，具有重要的工程應用價值。

2 螺旋槳模擬轉子的設計及動力學分析

渦槳發動機與螺旋槳轉子之間的動力傳輸原理見圖1。研究過程中，參照動力傳輸原理，建立了螺旋槳模擬轉子自動平衡試驗研究平臺，包括螺旋槳模擬轉子、減速器、浮動軸、安裝支座等。其中，螺旋槳模擬轉子的結構設計及動力學分析已在文獻[16]中進行了較詳細論述，本文僅給出主要設計原則及有關結論。

圖1 渦槳發動機與螺旋槳轉子之間的動力傳輸原理Fig.1 Schematic diagram of power transmission between turboprop engine and propeller rotor

螺旋槳模擬轉子的主要設計原則：①主體結構基本一致；②動力學相似；③支承剛度不變；④軸向傳遞功率；⑤滿足自動平衡；⑥適應試驗設備。

裝機螺旋槳轉子結構見圖2(a)，螺旋槳模擬轉子結構見圖2(b)。兩個轉子的動力學特性基本一致，計算得到的第一階臨界轉速的相對誤差僅1.2%，振型幾乎一致，均為非常典型的剛性轉子(螺旋槳轉子的最大巡航轉速、最大爬升轉速、最大起飛(額定起飛)轉速均遠低于第一階臨界轉速)。據此，從理論上說，螺旋槳模擬轉子自動平衡試驗所取得的研究成果完全可以在裝機螺旋槳轉子上推廣應用。另外，當在螺旋槳模擬轉子的模擬槳葉上施加不平衡量時，計算得到模擬槳轂懸臂端的轉子撓度隨轉速和不平衡量的變化而變化。因此，選擇轉子撓度作為螺旋槳模擬轉子自動平衡試驗中的測量和控制參數在理論上合理可行。

3 螺旋槳模擬轉子的自動平衡試驗

3.1 自動平衡試驗器及測試布局

螺旋槳模擬轉子的自動平衡試驗研究在高速旋轉試驗器上進行。試驗器由動力系統、傳動系統、支承系統、潤滑系統、真空系統、控制系統、測試系統等組成，其額定功率和最高轉速等均滿足試驗要求。

自動平衡試驗使用的是北京化工大學專門為該模擬轉子自動平衡試驗研制的電磁式自動平衡裝置，包括控制器和執行器(平衡頭)，其中執行器安裝在模擬槳轂內。如圖3所示，旋轉狀態下，執行器的兩個平衡塊產生的離心力在自動平衡前互相抵消(大小相等、相位相差180°)，不對轉子的平衡狀態產生影響；自動平衡后，兩個平衡塊周向移動到相應位置以抵消模擬轉子的不平衡量，從而實現對轉子的平衡。計算表明：安裝執行器后，螺旋槳模擬轉子的第一階臨界轉速下降約12.9%(依然遠高于最大巡航轉速、最大爬升轉速、最大起飛轉速)，對振型幾乎沒影響。因此，執行器僅對第一階臨界轉速有一定影響，并沒有對模擬轉子的動力學特性產生實質性影響。本文不討論自動平衡裝置的結構、性能、控制規律等，只研究自動平衡裝置對螺旋槳模擬轉子自動平衡試驗的平衡效果及平衡時間，并考核自動平衡裝置設計的正確性和可靠性。

圖2 螺旋槳轉子和螺旋槳模擬轉子的結構示意圖Fig.2 Structure sketches of the propeller rotor and the simulation propeller rotor

圖3 自動平衡前、后兩個平衡塊的位置示意Fig.3 Position sketch of the two balance blocks before and after auto balance

螺旋槳模擬轉子自動平衡試驗的安裝及測試示意見圖4。在模擬槳轂前端布置振動位移傳感器D、D1和D2測量轉子撓度，其中D連接自動平衡裝置的控制器，D1和D2連接德國申克公司生產的多功能振動分析儀；在前轉接座(1號軸承位置)、支座、減速器上分別布置振動加速度傳感器A1和A2、A3和A4、A5～A8測量振動加速度；在模擬槳轂前端和減速器輸入端的浮動軸上分別布置光電轉速傳感器N1和N2測量轉速，其中N1連接德國申克公司生產的多功能振動分析儀，N2連接LMS分析系統；在模擬轉子1號、2號和3號軸承的外環上分別焊接熱電偶溫度傳感器T1、T2和T3測量軸承外環溫度。⊥表示垂直方向，＝表示水平方向。螺旋槳模擬轉子在試驗器上的實物照片見圖5。

圖4 螺旋槳模擬轉子自動平衡試驗的安裝及測試示意圖Fig.4 Installation and measurement sketch during auto balance experiment of the simulation propeller rotor

限于篇幅，本文僅對D1、D2所測轉子撓度進行討論。

圖4 和圖5 中的減速器也是為螺旋槳模擬轉子自動平衡試驗專門研制的，采用了同軸心輸入輸出、兩級減速(渦槳發動機體內減速器也是兩級減速)的結構形式，其原理見圖6，減速比與渦槳發動機體內減速器的完全一致。計算和考核試驗結果均表明：減速器滿足螺旋槳模擬轉子自動平衡試驗需要。

圖5 螺旋槳模擬轉子在試驗器上的照片Fig.5 The photos of the simulation propeller rotor on test rig

圖6 減速器原理Fig.6 Schematic diagram of the reducer

3.2 集中不平衡量對轉子撓度影響的考核試驗

圖7 轉子撓度幅值-轉速曲線Fig.7 Curves of horizontal rotor deflection amplitude versus speed

螺旋槳模擬轉子在初始狀態以及分別在0°、60°、120°、180°、240°、300°的模擬槳葉上施加115.47 g·m 的同一集中不平衡量(配重螺釘，質量178.06 g，半徑648.5 mm)，由D1和D2測得的垂直和水平方向的轉子撓度幅值-轉速曲線見圖7。由圖可知：初始狀態下，模擬轉子在初始不平衡量作用下產生一定的轉子撓度幅值，且轉子撓度幅值隨轉速的增大略有增大；在不同角度的模擬槳葉上施加同一集中不平衡量時，轉子撓度幅值均隨轉速的變化而變化，且在300°的模擬槳葉上施加集中不平衡量時轉子撓度幅值增量最大，在120°的模擬槳葉上施加集中不平衡量時轉子撓度幅值減量最大，說明轉子的初始偏心靠近300°位置；在模擬槳葉上施加集中不平衡量均使模擬轉子撓度發生變化，如用轉子撓度作為測量和控制參數驅動自動平衡裝置執行器的平衡塊作周向移動，就相當于在模擬轉子的某一角向位置上施加了一個集中不平衡量，因此選擇轉子撓度作為自動平衡裝置的測量和控制參數合理可行。

3.3 模擬轉子的影響系數法平衡試驗

影響系數法平衡的主要目的是為了模擬轉子在集中不平衡量狀態下的自動平衡試驗做準備，即在影響系數法平衡好的模擬轉子上施加一個已知的集中不平衡量，然后再進行自動平衡試驗。因篇幅限制，本文僅簡要介紹影響系數法的平衡參數和平衡結果。

平衡參數為：平衡面為模擬葉片所在平面；平衡轉速為最大起飛轉速(額定起飛轉速)；平衡配重為螺釘。

平衡結果見表1。影響系數法平衡使螺旋槳模擬轉子垂直和水平方向的轉子撓度幅值分別減小96.28%、93.70%，平衡效果非常顯著。平衡后的轉子撓度幅值已非常小，后續模擬轉子集中不平衡量狀態下的自動平衡試驗，可認為轉子撓度幅值基本上是由集中不平衡量引起。

表1 影響系數法平衡結果Table 1 Balance results of the influence coefficient method

3.4 模擬轉子的自動平衡試驗

在初始狀態或集中不平衡量狀態下，分別在螺旋槳轉子的最大巡航轉速、最大爬升轉速和最大起飛轉速(額定起飛轉速)下對螺旋槳模擬轉子進行了自動平衡試驗。其中，最大巡航轉速＜最大爬升轉速＜最大起飛轉速(額定起飛轉速)。

3.4.1 初始狀態下的自動平衡試驗

螺旋槳模擬轉子的初始狀態為加工、裝配完成后的轉子狀態(轉子上存在初始不平衡量)。

在最大巡航轉速、最大爬升轉速和最大起飛轉速(額定起飛轉速)下的自動平衡試驗過程中，由D1和D2測得的轉子撓度幅值隨時間的變化見圖8，據此可以得到初始狀態下模擬轉子在三個平衡轉速下自動平衡試驗的平衡效果和所經歷的平衡時間，見表2。可見：初始狀態下的模擬轉子，三個平衡轉速下的平衡效果在53.60%～72.41%范圍內，平衡效果顯著，且平衡效果隨著平衡轉速的增大而提高；三個平衡轉速下自動平衡試驗所經歷的時間基本一致，均在20～21 s范圍內。

3.4.2 集中不平衡量狀態下的自動平衡試驗

螺旋槳模擬轉子的集中不平衡量狀態是指：在上述影響系數法平衡后，再在300°位置的模擬槳葉上施加一個60.16 g·m(質量92.7 g，半徑648.5 mm)集中不平衡量的轉子狀態。

在最大巡航轉速、最大爬升轉速和最大起飛轉速(額定起飛轉速)下的自動平衡試驗過程中，由D1和D2測得的轉子撓度幅值隨時間的變化見圖9，據此可以得到集中不平衡量狀態下的模擬轉子在三個平衡轉速下自動平衡試驗的平衡效果和所經歷的平衡時間，見表3。可見：集中不平衡量狀態下的模擬轉子，三個平衡轉速下的平衡效果在75.61%～83.87%范圍內，平衡效果非常顯著，且平衡效果同樣隨著平衡轉速的增大而提高；三個平衡轉速下的自動平衡試驗所經歷的時間也基本一致，均在18～21 s范圍內。

圖8 不同平衡轉速下自動平衡過程中的轉子撓度幅值-時間曲線(初始狀態下)Fig.8 Curves of rotor deflection amplitude versus time during auto balance at different balance speed(the initial state)

表2 初始狀態下螺旋槳模擬轉子自動平衡試驗的平衡效果和平衡時間Table 2 Balance effect and balance time of auto balance experiment of the simulation propeller rotor in the initial state

圖9 不同平衡轉速下自動平衡過程中的轉子撓度幅值-時間曲線(集中不平衡量狀態下)Fig.9 Curves of rotor deflection amplitude versus time during auto balance(the concentrated unbalance state)

對比分析表2和表3可知：在轉子狀態不變的情況下，平衡效果同樣隨著平衡轉速的增大而提高；在相同平衡轉速下，集中不平衡量狀態下的平衡效果明顯好于初始狀態下的平衡效果，說明自動平衡裝置對集中不平衡量狀態下的轉子有更好的平衡效果。

4 結論

在高速旋轉試驗器上，對基于結構和動力學相似等原則設計的螺旋槳模擬轉子開展了系統的自動平衡試驗研究，主要結論如下：

表3 集中不平衡量狀態下螺旋槳模擬轉子自動平衡試驗的平衡效果和平衡時間Table 3 Balance effect and balance time of auto balance experiment of the simulation propeller rotor in the concentrated unbalance state

(1) 螺旋槳模擬轉子的自動平衡試驗驗證了模擬轉子設計和自動平衡試驗方案設計的合理性，也驗證了自動平衡裝置原理、結構、控制等設計的正確性和可靠性。自動平衡裝置經過進一步優化后完全可以應用于裝機螺旋槳轉子的自動平衡試驗，本研究工作為后續裝機螺旋槳轉子的自動平衡奠定了堅實的基礎，將在線、實時解決螺旋槳轉子的平衡難題。

(2) 初始狀態和集中不平衡量狀態下的螺旋槳模擬轉子，在最大巡航轉速、最大爬升轉速和最大起飛轉速(額定起飛轉速)下的自動平衡試驗均取得了顯著的平衡效果，每次自動平衡的時間也基本一致。在平衡轉速相同的前提下，集中不平衡量狀態下的平衡效果要明顯好于初始狀態下的平衡效果；在轉子狀態不變的前提下，平衡效果同樣隨著平衡轉速的增大而提高。