王 瑾 馮 碩 吳 斌 盧成玉

（中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責任公司，遼寧 沈陽 110043）

0 引言

轉子的不平衡量檢查是航空發(fā)動機生產(chǎn)制造過程中的重要環(huán)節(jié)，轉子平衡是轉子裝配完成后的減振措施，通過在轉子的某一個或多個截面上增加或者降低質量，使轉子的質心與其幾何中心靠近，從而降低轉子在工作中的不平衡力力偶或者在臨界轉速附近的橫向振動，進而降低轉子系統(tǒng)以及整機振動。但從平衡數(shù)據(jù)來看，經(jīng)過平衡后，雖然轉子剩余的不平衡量達到一個相對較小的量值，但是在試車后重復測量時，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)轉子的剩余不平衡量會發(fā)生變化，對比某型號航空發(fā)動機各轉子試車前后剩余不平衡量的平均值可知，轉子在試車后剩余不平衡量會出現(xiàn)成倍增長的現(xiàn)象，某些轉子在試車后的剩余不平衡量甚至會達到試車前的10倍以上。

這種變化部分是由2次平衡過程的過程誤差所導致的。如果平衡過程的誤差超過一定的量值，就會導致發(fā)動機整機振動超標，對轉子系統(tǒng)來說，通過各種工藝方法提高高壓壓氣機轉子的平衡精度，能有效降低因轉子不平衡而引起整機振動的風險。

1 某型號發(fā)動機高壓壓氣機轉子平衡過程誤差

許多需要平衡的轉子部件本身沒有工作（支撐）軸，為了使它們處于平衡狀態(tài)，必須將這些轉子部件安裝在與轉子同軸線的支撐軸上，某型號發(fā)動機高壓壓氣機轉子前端采用前軸頸作為支撐，后端采用高壓渦輪模擬轉子支撐，同時模擬了高壓渦輪轉子裝配時的工作狀態(tài)。由于模擬轉子不可避免地會出現(xiàn)一些誤差，例如軸向、徑向偏擺和自身不平衡等，因此在實際工作過程中，可以采用模擬轉子多次轉位平衡的方式計算這些誤差引起的不平衡量，并在后續(xù)的平衡過程中采用數(shù)學方法進行排除。

平衡機提供了多角度轉位的方式進行平衡補償，從對高壓壓氣機轉子精度和現(xiàn)場實際工作效率的需求來看，目前采用180°轉位補償，即2次轉位的方式進行平衡。

第二次裝配：將模擬轉子的0°對準壓氣機轉子的0°位

根據(jù)矢量加減法或者利用平行四邊形法則（圖1），由公式（1）、公式（2）可以得到公式（3）。

圖1 用平行四邊形法則求模擬轉子不平衡量帶來的誤差和轉子自身的不平衡量

某型號發(fā)動機的高壓壓氣機轉子有2個校正面，2個校正面均適用于公式（3）的算法，求解得到模擬轉子不平衡量帶來的誤差及高壓壓氣機轉子自身的不平衡量。

圖2 用平行四邊形法則求總的平衡誤差和轉子自身的不平衡量

2 某型號發(fā)動機高壓壓氣機轉子平衡誤差分析

采用模擬轉子轉位補償?shù)姆椒ㄆ胶飧邏簤簹鈾C轉子，補償倍數(shù)的大小在很大程度上決定了高壓壓氣機轉子和高壓渦輪轉子組合在一起的不平衡量，是最直接的平衡誤差，而補償倍數(shù)受多方面因素的影響，是平衡穩(wěn)定性和準確性的直觀反映，因此有必要通過各種措施降低補償倍數(shù)對轉子的平衡誤差進行控制。

3 平衡過程中的誤差控制措施

轉子平衡是一項對操作要求比較高的過程，轉子的正確平衡不僅可以驗證轉子裝配的正確性，而且還可以將轉子的轉動力和轉動扭矩降到最低，使轉子以最佳狀態(tài)運行。轉子的平衡涉及裝配、測量等多個工藝過程，又受平衡夾具、模擬轉子精度的影響，控制轉子平衡過程可以提高轉子平衡的精度和準確性。

3.1 平衡過程的一致性控制

為保證生產(chǎn)現(xiàn)場工作有序開展，節(jié)約高壓壓氣機轉子與模擬轉子裝配連接后等待進行平衡的工作時間，生產(chǎn)現(xiàn)場常有多套模擬轉子。為了減少模擬轉子本身特征參數(shù)對轉子平衡結果的影響，對同一臺發(fā)動機的整個修理過程始終采用同一個模擬轉子進行平衡。當進行高壓壓氣機轉子平衡時，不允許隨意使用模擬轉子，這樣能有效保證高壓壓氣機轉子在不同試車狀態(tài)下平衡結果的可對比性。

同時，也可通過同一高壓壓氣機轉子監(jiān)控模擬轉子平衡狀態(tài)的變化。如果平衡數(shù)據(jù)有較大的波動，就可以及時發(fā)現(xiàn)模擬轉子的平衡誤差，對模擬轉子進行參數(shù)校正，防止出現(xiàn)批次性問題。

平衡機通過調整擺架和設置不同的驅動方式，可以適用于不同類型轉子的平衡測量。如果同一臺平衡機頻繁測量不同類型轉子平衡的不平衡量，則需要頻繁的調整擺架和設置不同的驅動方式，容易產(chǎn)生人為誤差。并且調整擺架后易導致轉子在平衡機上支點位置、轉子水平發(fā)生變化，即使是同一個高壓壓氣機轉子，如果測量狀態(tài)變化，也容易因設備測量狀態(tài)的調整而產(chǎn)生的誤差。

因此，為了保證轉子平衡結果的一致性和同一轉子不同時間測量數(shù)據(jù)的可比性，要求高壓壓氣機轉子在同一臺平衡機上平衡。同時，該平衡機只能用于平衡高壓壓氣機轉子，避免頻繁地調整擺架和設置不同的驅動方式。

模擬轉子與高壓壓氣機轉子連接表面不是絕對平整的，兩者的連接表面都有一定的絕對高點；同時，當模擬轉子與高壓壓氣機轉子裝配在一起時，也不是絕對同心的。因此，根據(jù)工藝試驗，模擬轉子與高壓壓氣機轉子之間采用不同的裝配角度，會對平衡結果產(chǎn)生很大的影響，而采用同一角度的重復裝配時轉子不平衡量的變化量不大。

如果對模擬轉子與壓氣機轉子、平衡機刻度盤之間的位置進行固定，就需要規(guī)定模擬轉子的參考零點位置。因此，為了方便數(shù)據(jù)分析和對比，當對高壓壓氣機轉子進行平衡時，需要采用與原始測量一致的起始點。這樣就保證了每次平衡時高壓壓氣機轉子與模擬轉子、模擬轉子與平衡機之間裝配的一致性。

當對高壓壓氣機轉子進行平衡時，需要使用工藝螺母連接模擬轉子和高壓壓氣機轉子。因為在裝配時工藝螺母數(shù)量較多且質量較重，因此工藝螺母也是影響轉子平衡誤差的因素之一。如果僅控制工藝螺母之間的質量差，那么也不能有效防止不平衡量誤差的產(chǎn)生。即使控制了工藝螺母之間的質量差，在極端情況下，當較重的工藝螺母裝配至同一側時，也會對不平衡量產(chǎn)生較大的影響。為了避免出現(xiàn)這種情況，需要對螺母的裝配順序進行優(yōu)化，對螺母進行編號并固定螺母的裝配位置，將螺母質量隨機性產(chǎn)生的平衡誤差降到最低。

3.2 平衡操作過程控制

由于模擬轉子與高壓壓氣機轉子連接是過盈配合的，需要將模擬轉子在液氮中冷卻后再裝配，這個過程中模擬轉子與高壓壓氣機轉子的配合端面很容易在溫度變化過程中發(fā)生變形。因此，需要控制模擬轉子與高壓壓氣機轉子的裝配過程，在模擬轉子冷卻裝配至高壓壓氣機轉子上后，優(yōu)化工藝螺母裝配，再使用十字交叉法用規(guī)定的扭矩擰緊。

高壓壓氣機轉子裝有多級葉片，葉片的榫頭與榫槽間軸向有微小間隙，在平衡過程中，軸向可能發(fā)生竄動，切向又因平衡的離散作用而存有活動量。因此，為減少葉片的自由活動量，會在高壓壓氣機轉子葉片根部留有涂膠層。

但高壓壓氣機轉子葉片根部的涂膠層在試車后常有葉片膠層磨損的現(xiàn)象，后續(xù)試車時葉片膠層的磨損使平衡數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。針對該問題，平衡前對榫頭的膠層進行檢查，如果有膠層磨損的現(xiàn)象，就應該重新涂膠，提高涂膠層的質量，降低膠層脫落的概率。

當高壓壓氣機轉子在平衡機上運行時，考慮其葉片數(shù)量較多、葉片活動量大的特點，控制了平衡機采集數(shù)據(jù)的時間。應在高壓壓氣機轉子在平衡機上進行充分運轉時采集數(shù)據(jù)。此時，葉片處于穩(wěn)定的狀態(tài)，進行數(shù)據(jù)的采集和記錄。不應在平衡機剛剛進行運轉（平衡數(shù)據(jù)還不穩(wěn)定）時就采集平衡數(shù)據(jù)。

當模擬轉子向高壓壓氣機轉子上落裝時，由于模擬轉子和高壓壓氣機轉子貼合面不可能完全平行，因此，在落裝過程中可能出現(xiàn)模擬轉子和高壓壓氣機貼合面存在先后接觸的現(xiàn)象，使模擬轉子和高壓壓氣機貼合面存在間隙，貼合面結合不緊密，產(chǎn)生較大的平衡誤差。針對這一問題，須對模擬轉子和高壓壓氣機轉子進行找平后再緩慢落裝，保證兩者裝配后緊密貼合。

3.3 平衡工裝和設備控制

模擬轉子的精度越高，由模擬轉子自身不平衡、徑向偏差和端面偏差帶來的不平衡量誤差就越小。目前，模擬轉子在使用和定期檢查的中發(fā)現(xiàn)有不平衡量變大、跳動變大和端面著色變差的趨勢，說明模擬轉子在使用過程中狀態(tài)會發(fā)生變化。模擬轉子的狀態(tài)變化是緩慢累積的過程，在使用過程中不易被及時發(fā)現(xiàn)。針對這些問題，需要在正常工裝定檢的基礎上，增加自檢頻次，及時修正相關問題，保證模擬轉子的穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)批次性平衡誤差問題。

平衡高壓壓氣機轉子組件的平衡機也是重點監(jiān)控的對象。運行正常的平衡機本身差生的誤差是比較小的，但是如果平衡機的平衡數(shù)據(jù)不準確，那么產(chǎn)生的平衡誤差是完全不可控制的，而且在生產(chǎn)過程中也較難發(fā)現(xiàn)。因此，需要在正常校驗的基礎上增加檢查頻次，加強對平衡機（對重點轉子進行平衡的平衡機）工作狀態(tài)的監(jiān)控，防止出現(xiàn)平衡機平衡數(shù)據(jù)不準確的情況。

4 實施效果評估

通過逐步實施上述控制措施，高壓壓氣機轉子試車后的剩余不平衡量和補償倍數(shù)逐步降低，說明以上控制措施是合理的，其有效地控制了平衡過程中產(chǎn)生的誤差，為轉子的穩(wěn)定工作運行奠定了基礎。

5 結語

通過逐步摸索和改進工藝，某型號發(fā)動機高壓壓氣機轉子的平衡誤差呈逐步降低的趨勢，但仍存在很多不足。目前，在平衡過程中仍會出現(xiàn)初始不平衡量大、跳動超差以及試車后變化大等問題，缺少對這些偶發(fā)問題的預防措施，這反映現(xiàn)有工作仍過多地依賴現(xiàn)場經(jīng)驗和較為模糊的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，對理論研究和數(shù)據(jù)關聯(lián)性的研究不夠深入，后續(xù)須深入研究相關問題，進一步提高平衡的精度和穩(wěn)定性。