某型发动机风扇转子本机平衡试验研究

2018-03-23 06:47吴元东娄金伟范顺昌姜广义

航空发动机 2018年6期

吴元东，娄金伟，范顺昌，姜广义

（1.中国航发沈阳发动机研究所，沈阳110015；2.驻沈阳黎明航空发动机集团公司军事代表室，沈阳110043）

0 引言

振动抑制是航空发动机研制过程中的重要考核目标，发动机出厂检验试车要求的振动水平比工厂内试车严格，振动超过限制值的发动机不允许出厂试飞。对某军用高推重比发动机振动问题分析表明，在诸多因素中，转子不平衡量过大是导致振动超限的主要原因之一。转子平衡技术（特别是转子在整机装配之前的动平衡）是抑制振动的关键技术之一，但目前由于受客观条件所限，平衡转速远低于发动机的实际工作转速，平衡不带叶片，而实际发动机转子运转带有叶片，且受到流体载荷和温度影响，试验室条件下的转子平衡无法保证平衡品质[1-6]。本机平衡是发动机在整机状态下，对其转子本身进行的动平衡，平衡转速即为工作转速，平衡结果直接决定实际振动大小，该方法已被民机所采用，但受结构特点的限制，在军机上难以应用[7]。本机平衡对发动机的振动抑制具有重要意义，是航空发动机研制中的关键技术之一，也是其结构完整性研究中极其重要的内容[8]。

某型军用小涵道比涡扇发动机在试车时，低压风扇转子基频的振动超标，不符合出厂检验试车标准，无法出厂装机。本文介绍了利用三圆法对其低压转子风扇进行本机平衡的整个过程，平衡之后振动值大幅度降低，符合出厂标准。

1 本机平衡基本方法

目前本机平衡常用相位分析法和三圆法[9～13]。

相位分析法要求测量振动的同时测量转子旋转的相位信号。通常是在转速脉冲信号中增加1个奇异脉冲，该脉冲对应转子的某个相位，再找到振动时域信号中的峰值相位，根据差值，便可确定转子初始不平衡量的相位，配重质量由初始振动大小决定。该型发动机不具备输出转子相位信号的条件，所以采用三圆法进行平衡试重。

三圆法只要求记录平衡面振动幅值。在发动机原始状态下测量转子的振动响应，假定其初始振动的振幅为X0，以X0为半径，以O点为圆心作图，并将该圆分为3等分，标出圆周上的等分点A、B和C，如图1所示。

图1 三圆法绘图方法

在转子校正面上3等分校正圆的0°、120°、240°位置上分别安放1个已知配重m（假定校正圆的半径不变），依次测得相应的振动响应幅值为XA、XB和XC，以XA、XB和XC为半径画圆，3个圆交于P点，从图上量出OP的数值，可得平衡校正量me

从图上沿转子转动方向量出OA和OP的夹角，然后从转子上安放试验配重的0°位置开始顺着转动方向量出α。于是，m的安放位置即在校正圆上由α角所确定方位的E点。

理论上以XA、XB和XC为半径画圆，3个圆会交于1点P，但实际情况由于转子结构的复杂性以及测量误差，3个圆往往不交于1点。可分2类讨论，1是3圆围成1个公共区域（如图2所示），这时用3圆交点确定的Δabc的形心（中线交点）作为P点。

另1种3圆没有公共区域，如图3所示，这几种情况发生的概率较小。一旦出现，建议重新检查振动测试系统、配重质量和相位是否准确，确保精度，然后重新进行配重试验。如果现象重复出现，说明不平衡量不是引起振动的主要因素，若继续进行配重，效果会不理想，建议不再继续进行本机平衡，考虑其他方法解决。

图2 P点常见的确定方式

图3 无法确定P点的情况

2 发动机的振动表现

本台发动机整机振动测试方案如图4所示。共有 A1、A13、V2、V3、A4、V56个测点，分布在3个振动测试面（A-A、B-B 和C-C），分别在进气机匣、中介机匣和涡轮后机匣，此3个机匣均为转子系统的承力机匣，各测点测试参数见表1。本次本机平衡针对A-A截面，A-A截面即为转子矫正面。

图4 整机振动测试方案

表1 整机振动测试参数

在试车过程中，发现进气机匣跟踪低压基频的水平A1和垂直A132个测点，在低压转速72%附近振动超限，A1处最大200μm，A13处最大150μm，均超过限制值80μm，如图5所示。

图5 平衡之前振动表现

经过反复磨合之后，振动值仍然没有减小。该发动机进气机匣的振动表现是典型的低压转子过临界特征[14]，怀疑引起过临界振动超限的主要原因是风扇转子的初始残余不平衡量过大。

3 试重方案、准备及实施

根据发动机结构，选择风扇转子前支点轴承内部的分油盘，在分油盘上添加2个配重螺钉，如图6所示。配重质量为23 g，质心半径为43 mm，等效不平衡量为 1000 g·mm。

在试车台架上拆下发动机进气帽罩等相关组件，给分油盘添加配重。首次安装相位不作要求，标记为A状态，第2、3次分别依次逆时针旋转添加配重位置120°，分别标记为B状态和C状态，发动机原始状态标记为N状态。3次试重的试车程序保持一致，如图7所示。

图6 试重方案

图7 试车程序

分别记录3次试重进气机匣2个振动测点A1和A13在不同转速下的大小，试重结果振动对比见表2，A1和A13处试重效果如图8、9所示[15]。

表2 试重结果振动对比 μm

根据三圆法的绘图规则，绘制各转速下的效果图，如图10所示。

图8 A1测点试重效果

图9 A13测点试重效果

图10 不同转速下三圆法绘图结果

根据绘图结果，汇总各转速下的矫正不平衡量，见表3。

表3 不同转速下的相位和矫正不平衡量

不同转速下绘图结果有差异，主要原因是不同转速下的振动对不平衡量敏感程度不一样，以及N1在接近70%附近，不平衡量引起的振动有可能被临界转速放大，所以暂不考虑临界转速附近的计算结果。在低于临界转速60%～64%范围内的计算结果比较稳定，考虑60%、63%和64%3个转速的矫正不平衡量非常接近，折中选取63%的结果为参考。

另外，考虑局部振动的影响，进气机匣2个测点对转子振动的敏感程度不完全一致，发动机走台阶程序和慢扫描程序3次，进气机匣垂直测点A13均比水平测点A1的一致性要好，如图11所示。从图中可见，A13测点比A1测点更能准确反映转子真实振动情况，所以最终选取垂直测点A13为参考。