某型涡轴发动机动力涡轮转子高速动平衡实验研究_吴颖哲.pdf

长沙航空职业技术学院学报JOURNAL OF CHANGSHA AERONAUTICAL VOCATIONAL AND TECHNICAL COLLEGE第 23 卷第 1 期2023 年 3 月Vol.23 No.1Mar.2023-5-DOI:10.13829/ki.issn.1671-9654.2023.01.002某型涡轴发动机动力涡轮转子高速动平衡实验研究吴颖哲，冯强，李文超，王宇（成都国营锦江机器厂，四川成都610043）摘要：针对中空薄壁、大长径比、弹性支撑和内置测扭基准轴以及两级涡轮盘的动力涡轮机转子的结构特性，采用“多转速、多平面、分步平衡”的改进方案，对某型涡轴发动机的动力涡轮转子传动轴进行高速动平衡方法研究、分析。所提出的平衡操作方法和“对称角纤维胶带缠铅丝”法已经在某型涡轴发动机的涡轮转子高速动平衡中得到了应用，并获得了较好的结果。关键词：涡轴发动机；动力涡轮转子；高速动平衡机；影响系数法；振型法中图分类号：V231文献标识码：A文章编号：1671-9654(2023)01-0005-04Experimental Study on High-speed Dynamic Balancing of a Turboshaft Engine Power Turbine RotorWU Ying-zhe,FENG Qiang,LI Wen-chao,WANG Yu(Chengdu State-owned Jinjiang Machine Factory,Chengdu Sichuan 610043)Abstract:As for the special structure of the power turbine rotor with hollow thin wall and large aspect ratio,elastic support,built-in torsional reference shaft and two-stage turbine disk,an improved scheme of“multi-speed,multi-plane,stepwise balance”was adopted.The dynamic balance of the power turbine rotor of a turbo-shaft engine is studied and analyzed.The balance operation method and program proposed in this paper have been applied in the high-speed balance of the turbine rotor of a turbo-shaft engine and good results have been obtained.Key words:turbo-shaft engine;power turbine rotor;high speed dynamic balancing machine;influence coefficient method;method of vibration mode收稿日期：2022-06-26作者简介：吴颖哲（1988），男，陕西西安人，高级工程师，研究方向为涡轴发动机修理。冯强（1982），男，四川成都人，高级工程师，研究方向为直升机旋翼部件修理。在航空涡轴发动机研制过程中，压气机转子、燃气涡轮转子、动力涡轮转子等旋转类零件的平衡问题是影响飞机发动机性能的关键因素。在保证安全、可靠性、寿命和效率的前提下，必须对转子进行严格的平衡试验。在工程上，可以采用下列方法来描述转子的平衡状态：（1）由于振动而产生的非平衡力；（2）支撑力；（3）残余不平衡量超出工艺规定值。可以在下列任意情况下对转子的最终平衡状态进行评价：（1）在低速平衡机上；（2）在高速平衡机上；（3）在发动机运转时在线进行测量。对挠性转子进行动平衡研究，主要有两个方面：（1）使支撑转子轴承的反作用力减小至工艺规定值以内；（2）最大限度地减小转子的挠曲变形量。工程上的要求是，在现场修理、装配后，可实现转子的动态均衡，也就是转子升至最高转速下，挠曲变形量减少至规定值以内，达到一定的平衡精度。从原理上讲，转子地挠性平衡应以较快的速度进行动态校正，最大限度地减小转子在临界转速下的运行时间。在中小型涡轴航空发动机中，由于转子的转速和长-6-长沙航空职业技术学院学报第 23 卷宽比都在增加，结构变得更加复杂，因而，如何有效地解决挠性转子的高速平衡问题就成了一个重要课题。我国新一代涡轴发动机的研制也面临着转子高速动平衡问题。该发动机转子为空心薄壁细长轴，由挤压油膜阻尼器和传动轴组成。该结构具有结构紧凑、质量轻等特点，但其最大的问题是转子的工作转速已超出二阶临界转速，属于典型的挠性转子，其高速动平衡的成功与否是决定发动机能否研制成功的关键因素。目前，振型法和影响系数法是实现高速动态平衡的主要方法。采用影响系数法，按转子振动规律逐步实现，转子在低转速和高转速下的平衡效果不会互相影响。影响系数法是通过对加试重与未加试重的转子的偏移进行比较，得出了平衡转子系统所需要的质量与相位。影响系数法的不足之处在于，在阻尼作用下，难以精确地测定其振型，且其有效性会下降；在轴系平衡中，在接近临界速度的情况下，很难得到单一的模态。影响系数法存在着较大的不足，即在高速平衡时，设备起动次数较多，且在二阶（及以上）振型情况下，转子的挠曲变形量敏感性降低。本文通过对影响系数法、振型法等高速动平衡技术的基本了解，对某型涡轴发动机的动力涡轮转子动态特性进行了深入的探讨和研究，并提出了一种具有针对性的新型高速动平衡技术。这种平衡技术通过在转子平衡曲线上所显示的位移和相位来判定转子不平衡的幅度和相位，通过“对称角纤维胶带缠铅丝”法，使用电子天平对相应铅丝进行称重，再将相应相位上的对应相同质量铅丝的过多的物质进行打磨消除，从而将转子的偏移控制在一个更低的范围内。通过23次试验，就可以达到理想的平衡效果，具有操作简单、高效等特点。1 动力涡轮转子传动轴动力特性概述1.1 结构特点该动力涡轮转子具有中空、薄壁、大长径比、弹性支撑和挤压油膜阻尼器、内置测扭基准轴、转子一端装有两级功率涡轮盘的结构特性。这一结构特性使动力涡轮转子可在二阶临界转速以上工作。该动力涡轮转子十分灵活，它的不均衡所产生的振动是造成发动机振动的主要原因。由于该结构具有非线性、大变形、强耦合等特性，所以对其进行建模、动力学、振动控制等方面的研究成为当前的研究热点1。实际上，在目前的工艺水平很难提高的情况下，采用均衡技术来减少发动机的振动是最有效的方法。它的难点是：（1）既要考虑传动轴跨阶时挠曲变形产生的振动，也要考虑整个转子系统在最高转速下运转时的振动量；（2）在传动轴上不存在用于增加测试配重块的地方；（3）平衡转速高，在高转速下进行平衡操作存在一定的危险性，连接工装的设计制作难度增加了；（4）在设定校正平面时存在一定的限制；（5）传动轴与内置测扭基准轴共轴度加工精度很难保证，且不易控制初始不平衡量；（6）怎样可以在没有对传动轴造成任何损害的情况下，有效地消除传动轴上的挠曲变形量；（7）由于测扭基准轴线而产生的非均匀性，以及它们对转子动力学的影响；诸如此类。以上种种因素都制约了高速动平衡的成败。1.2 动力特征该传动轴的结构特性使得该转子的工作转速跨越了两个临界转速。由于动力涡轮转子传动轴为中空、双壁、大长径比、内置测扭基准轴（扭矩参考点和传动轴在传递功率时会产生一定的扭曲，从而引起平衡的改变），因此，振型法和影响系数法并不适用于这种转子的高速平衡。在此基础上，采用有限元方法和传递矩阵-积分方法，分别对转子的临界转速、振动模式、非平衡反应进行了数值模拟，并对其动力学性能进行了分析。通过数值模拟得出了结论。（1）在工作速度范围内，转子具有两级的临界挠曲变形；（2）传动轴校正面的设计对不平衡反应灵敏，可应用于动力涡轮转子的平衡；（3）在传动轴上利用“对称角纤维胶带缠铅丝”方法，对转子的临界速度和振型影响较小，可以用作转子的高速动平衡实验。另外，本文还对动力涡轮转子的高速动平衡问题进行了理论分析与计算，发现采用影响系数法可以使转子在已有的平衡面上获得良好的平衡。在此基础上，本文提出了一种用于转子高速动平衡的动态平衡的方法。如图 1 所示。-7-吴颖哲，等：某型涡轴发动机动力涡轮转子高速动平衡实验研究第 1 期2 动力涡轮转子平衡技术2.1 动力涡轮转子的平衡特点动力涡轮转子工作转速在二阶临界转速以上。与其他挠性转子的高速动平衡实验比较，这种动平衡具有较高的动平衡速率和较高的动态平衡精度，它不仅能对初始不平衡进行补偿，而且还能平衡由于振动而产生的额外不平衡2。对动平衡校正面上去除多余不平衡量的方式、非线性因素、操作者的经验等都有较高的要求。2.2 平衡方式及实验方法在进行高速动平衡实验时，我们需要寻找一种可替换的方式来调整挠曲变形量大小，在反复的试验后，我们采用了“对称角纤维胶带缠铅丝”的方式。该方法能在高速、振动条件下运行安全、稳定，并能可靠、准确地确定动力涡轮转子的相位和质量。为了评价“对称角纤维胶带缠铅丝”的平衡性以及它对动力涡轮转子传动轴的动力学特性的影响，采用了一种新型的确定平衡质量及相位的平衡方式。结果显示，在此基础上，采用“对称角纤维胶带缠铅丝”对动力涡轮转子传动轴的动力、振动性能没有明显的影响。另外，在动力涡轮转子传动轴的高速动态平衡实验中，采用“对称角纤维胶带缠铅丝”的方式进行校正后，动力涡轮转子传动轴在达到5 77x r/min 的临界转速的高速动平衡条件下（因保密需求，本文部分数据个位数或小数点后末位数用“x”表示），传动轴的最大位移仅为 19x m，传动轴的位移降低了 86.6x%，表明其具有较好的平衡特性。其次，由于其性能稳定，结构稳定，在正常运行时仍能稳定运行。2.3 平衡要素的确定原则（1）测量平面的确定原理：对测量传感器进行布置；尽量充分考虑动力涡轮转子的最大变形；建立均衡的测量平面。（2）确定均衡面的基本原理：采用尽可能小的均衡面来达到均衡的最佳效果；有利去除材料法（尽量将所需去除的材料均匀分布于三个平衡面上）；各校正表面之间的相互独立。在转子高速动平衡实验中，采用了三种平衡面（多面平衡），即对动力涡轮转子传动轴上的 1、2、3 号凸台位置进行校正。这极大地降低了传动轴上的材料去除量，有利于动力涡轮转子的多次平衡。（3）平衡转速的判定：由低至高逐步达到额定工作转速，即 20 90 x r/min；尽可能使平衡速率逼近各个阶段的临界转速；保持工作转速的稳定，确保了平衡的准确性。在实际的平衡工作中，按要求在一阶临界转速附近、二阶临界转速附近及工作速度附近平衡，也就是多速分级平衡。3 某涡轴发动机动力涡轮转子传动轴动平衡故障分析3.1 基本故障动力涡轮转子传动轴在长时间运转后，会出现磨损、腐蚀、变形等现象。在拆卸、清洗、修理、装配动力涡轮转子后，发现其变形量较大，特别是跨二阶临界转速时，变形量最大，见图 2。图 1 转子装配示意图1.回油装置；2.1 号摆架连接工装；3.1 号摆架；4.2 号摆架连接工装；5.转子；6.进油管；7.回油支撑架；8.位移传感器（位移传感器在传动轴上的位置为测量面）；9.传感器支架；10.2 号摆架；11.回油管；12.1 号凸台；13.2号凸台；14.3 号凸台图 2 动平衡故障波特图-8-长沙航空职业技术学院学报第 23 卷在进行动力涡轮转子高速动平衡时，测量面 1、2、3 的挠曲变形量应控制在 27x m 以内。3.2 连接工装设计基于此功率的动力涡轮转子传动轴总成的高速动平衡标定，本实验研制了高速动平衡连接工装，主要是将高速动平衡机的联轴器与动力涡轮转子传动轴相连接，并将从高速动平衡机上获得的电动机功率传输给动力涡轮转子。本连接工装用于进行高速动平衡实验，其扭矩可达 18x Nm，工作转速可达 40 00 x r/min，可以满足高速动平衡实验。工装内部采用花键轴传动，花键轴一端与工装的连接轴配合，并采用弹簧限位，另一端与动力涡轮转子传动轴组件配合。工装内部如图 3 所示。工装外部是连接轴，连接轴与高速动平衡的联轴器配合。该工装由连接盘安装到高速动平衡机的左摆架，并连接进、回油管。如图 1 所示。图 3 工装内部结构示意图连接工装上有两个传动装置，而传动轴上有一个传动装置，连接工装上的两个传动装置与传动轴上的传动装置相啮合，而另外一个传动装置则与高速平衡机上的大齿轮相啮合。这种连接工装具有很好的平衡性（最高速度可达到 40 00 x r/min)，它很好地解决了轴向的偏移。3.3 实验设备动力涡轮转子传动轴高速动平衡实验由传动、监测、真空、支撑、润滑、控制、测试等系统组成。它的设计转速、功率均达到实验要求。在高速动平衡实验中，高速平衡机通过连接轴连接到传动轴上，转速由零提高至动力涡轮转子额定工作转速，从而检测全速运转时动力涡轮转子传动轴的挠曲变形特性。DHxx 高速动平衡机是由 xxxx 公司引进的，主要用于高真空、高转速下的高精度动平衡测试与校正。它的最大转速是40 00 x r/min，最小挠曲变形量 0.1 m,可以满足动力涡轮转子传动轴高速动平衡要求。某型涡轴发动机动力涡轮转子传动轴在动平衡过程中，动力涡轮转子传动轴的装配需要进行两次高速动平衡实验。从装配过程可以看出，动力涡轮转子传动轴在装配过程中至少要进行一次高速动平衡检查，包括总体高速动平衡检查，检查动力涡轮转子传动轴在最终状态下的动平衡特性。高速动平衡检查的目的在于检查动力涡轮转子传动轴的动挠度特性。4 某型发动机动力涡轮转子传动轴组件平衡过程根据图1，转子驱动轴通过花键与前端连接工装连接，重心基本在右侧支撑架上，属于柔性悬臂转子。转子有三个测量面，分别为传感器 1、传感器2、传感器 3，在转速为 30 x r/min 的跳动补偿（轮廓补偿）运行到其额定工作转速后，初始不平衡位移及相位如表 1 所示，且转子的传动轴呈现明显的挠曲变形，在其一阶临界转速下，二阶临界转速振动形态更为显著。其挠性变形的峰值从约 39x m减少到约 25x m，在额定工作速度下为 8.4x m。表 1 初始不平衡位移及相位转速传感器 1传感器 2传感器 3700 x r/min153.x m/207 度153.x m/222 度137.x m/221 度12 00 x r/min 395.x mm/149 度395.x m/153 度210.x m/159 度20 90 x r/min42.x m/298 度23.x m/309 度17.x m/333 度在转速为 30 x r/min、7 00 x r/min、12 00 x r/min、20 90 x r/min 阶梯运行，得到转子初始波特图（见图 2）。据表 1 发现振动值在二阶临界转速时超过了工艺规定值。通过对转子转动特性及振动值与相位关系的研究，发现当转速上升到二阶临界转速的三分之一时，再将适量的配重块施加到对应于二阶临界转速三分之一的相位，重新进行高速动平衡实验，结果如表 2 所示，振动值与预期结果一致。大量的试验数据表明，这种类型的柔性转子（中空、双壁、大长径比）适合采用这种平衡方法。（下转第 44 页）-44-长沙航空职业技术学院学报第 23 卷资源的实际，创新推进党史学习教育方法、丰富活动形式。二是注重“社会大课堂”的实践形式。要充分发挥社会大课堂的教育功能，大力开展社会教育实践活动，积极投身到党的建设事业中去，开展共同富裕示范区建设，深入企业生产一线等，提高创业干事能力、服务奉献精神。三是注重党史学习教育成果转化工作。从党的百年伟大奋斗历程中汲取继续前进的智慧和力量，做到学有所思、学有所得，通过班会课、分享会等形式，一起学习讨论、一起交流心得、一起接受思想教育，分享实践成果，开展社会实践专项汇报会分享党史学习活动的体会和感悟，发挥朋辈教育作用，相互学习共同提高。同时，及时宣传推广活动开展情况的特色和亮点，推出优秀作品，打造党史学习教育活动特色品牌。总之，高校开展党史学习教育是拓展育人载体、提升育人实效的重要育人活动形式，对牢固树立青年人的“四个自信”，更加坚定中国特色社会主义现代化强国之路有着重要的意义，高校要充分发挥党史红色文化资源的育人功能，形成党史学习教育常态化、长效化机制，确保党史学习教育的成效。参考文献：1 李芬,安巧珍,郑康,等.“党史学习教育”笔谈(续前)J 河北经贸大学学报(综合版),2021(3):5-11.2 胡继冬.深化红色文化记忆的当代价值 N.光明日报,2018-11-12(6).3 李霞.红色文化资源也应发展和创新 N.光明日报,2014-11-22(12).4 孙莉华.将党史学习教育鲜活地贯穿于思政课堂 N.宁夏日报,2021-04-12(2).5 穆兆勇.旗帜问题至关重要“在毛泽东的旗帜下胜利前进”的重大意义和时代价值J.人民论坛,2020(19)：72-75.（上接第 8 页）表 2 新方法增加配重块后所得（合格值）总结转速传感器 1传感器 2传感器 37 00 x r/min85.x m/140 度102.x m/164 度93.x m/162 度12 00 x r/min259.x m/43 度248.x m/48 度152.x m/56 度20 90 x r/min8.4x m/169 度7.3x m/214 度6.6x m/192 度5 结论涡轴发动机动力涡轮转子越来越趋于细长化、空心化和弹性化，并且工作转速超越转子的二阶临界转速，对如何精细控制转子的不平衡量、减少柔性转子的变形量以及在支点的振动量，提出了更高的要求。某型涡轴发动机动力涡轮转子正符合上述特点，在该型发动机使用寿命到期返厂翻修时，须对其动力涡轮转子进行高转速下的平衡校正。针对该问题，本文通过调研、实验、分析，总结出了以下三点方法：（1）在转子由低速至高速逐步达到额定工作转速的过程中，采用多转速分级平衡。即在转子的一阶临界转速附近、二阶临界转速附近及额定工作转速附近，逐步进行平衡，最终实现转子在整个升速过程中的平衡校正。（2）结合该型涡轴发动机动力涡轮转子传动轴的设计特点，选取三个凸台位置作为相互独立的测量平面，同时采用影响最大的测量平面施加配重和去除材料，以最小的材料去除量达到最佳的平衡校正效果。（3）采用“对称角纤维胶带缠铅丝”的方式施加配重，极大地消除了纤维胶带对配重结果的影响，使得配重块的质量、施加相位更加精确和可控。最终，采用以上方法成功完成了该型涡轴发动机动力涡轮转子高速动平衡校正实验，初步解决了该类型转子跨临界转速的挠曲变形动平衡工艺问题，取得了预期的平衡效果，提升了该型涡轴发动机的修理质量，保障了该型涡轴发动机的工作可靠性；为高速柔性转子动平衡研究提供了一种可选的平衡方法，也为后续相关研究提供了基本参考。参考文献:1 邓旺群,高德平,刘金南,等.转子高速动平衡技术在涡轴发动机整机减振中的作用 J.航空动力学报,2005(1):78-85.2 邓旺群,高德平.涡轴发动机动力涡轮转子动力特性研究 J.航空动力学报,2003(6):717-722.