林东 杜立峰 王海宁 吕政 吕禛
中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司
摘要：转子的自身结构对平衡工艺有着决定性的影响，传统的发动机转子结构及相应的平衡工艺以渐渐不适应新型发动机结构的出现，新型发动机转子结构也是基于现代发动机技术水平的提高、性能要求的提高所创新发展的，所以要完成转子的平衡工艺首先要研究其结构特点，运用合理的平衡方案来实现其动平衡过程。
关键词：高压转子；设计参数；平衡工艺
1 某发动机高压转子的结构及特点
1.1 高压转子简介
高压转子是双转子发动机特有结构中的一部分，它是相对于低压转子来阐述的，一般双转子结构的发动机分为高压转子和低压转子，高压转子由高压涡轮和高压压气机组成，低压转子由低压涡轮和低压压气机组成，这也称为双转子发动机的四大转子。一般涡轮喷气发动机的结构较小，所以高压及低压转子均有独立的轴颈，从动平衡工艺上分析，一般都有明确的支承位置，这也为平衡工作提供了方便。
1.2高压转子结构及特点
（1）高压压气机转子
前轴颈为三支点支承用轴颈，除以轴承内套作为支承外，轴承外部主要与发动机机匣组件连接，形成低压与高压的过渡部分。鼓筒分为前、后两个部分，中间为三级盘轴。前鼓筒由两级盘鼓组合件组成，结构为焊接结构。中间的三级盘片为单盘结构，前部承接前鼓筒，后部承接后鼓筒，三级盘片是高压压气机的一个重要的部件。后鼓筒则由六级盘鼓组合件组成，相互之间均为焊接连接。最后部的篦齿盘则是连接高压涡轮的重要部件，后部为与高压涡轮连接所需要的配合止口。高压压气机转子的质量M为92kg，需用不平衡量Ur为100g.mm。
吕雪
图1 高压压气机转子结构示意图
（2）高压涡轮转子
在高压涡轮的整体结构中，前四部分的连接均为过盈装配螺栓连接，刚性较好，而涡轮叶片装配后的活动量大，由于工作状态下的热膨胀及离心力致使叶片装配时要有一定的工作余量。由此叶片结构导致平衡时的位置难以找到工作的真实状态，这也是平衡中的难点。高涡轮转子的质量M为78kg，需用不平衡量Ur为100 g·mm。
图2 高压涡轮转子结构示意图
1.3高压转子的设计参数与平衡特性
根据发动机设计方案，高压部分在100％状态时的工作转速n为15650 r/min，其最大工作状态nmax工作转速为17220r/min，一般状态的工作转速nmin为12520 r/min，而组件状态下的转子的一阶临界转速n1为9260r/min，二阶临界转速n2为26240r/min。准刚性转子应满足以下条件：
1.4n1<nmin与nmax<0.7n2
其中nmin与nmax分别为转子最低与最高连续转速。
根据实际转子的转速和转子的临界转速值可知：
nmin=12520 r/min>1.4nl=12964 r/min；
nmax=17220r/min<0.7n2=18368 r/min。
从平衡特性分类，该转子属于准刚性转子，可以通过改良的低速动平衡达到平稳运行。由于该转子的结构由高压压气机和高压涡轮转子两部分组成，从转子自身结构上我们已经分析，自身无法进行动平衡，需要用相应的方法满足动平衡的要求，保证其动平衡状态。
2 现有高压压气机转子平衡工艺分析
根据平衡的基本条件要求和转子实际结构，对于两个转子本身的结构不具备动平衡的基础条件，选择用模拟转子进行转位平衡，以保证两个转子的动平衡状态。
（1）高压压气机根据其动力特性可归类为两端具有校正面的转子，其最高转速远离第二阶临界转速，且原始不平衡量是被控制的，转子可在任选平面上将转子平衡到许用不平衡量，一般不做高速平衡，也就是说选择低速平衡方案。
（2）由于转子结构特殊，在转子安装支点上设计合理的工装，即为保证转子的动平衡与工作状态一致，将与其配合的工装设计为与该转子工作状态下想配合的高压涡轮转子的结构，而且模拟其质量、外廓尺寸和转动惯量，保证与工作状态一致，通过该方法，也为高压转子设定了合理的支点，其支承结构图：
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图3 高压压气机转位平衡支点及工装方案
采用模拟转子以后要考虑模拟转子自身的不平衡量对高压压气机转子的影响，固采用180°转位平衡的方式以消除工装的不平衡量，在使用该模拟转子前，预先对模拟转子平衡至规定的剩余不平衡量，以保证模拟转子的不平衡量转位后对高压压气机转子的不平衡量测量影响为最小。
（3）平衡机选择
根据转子的质量和结构，首选的是卧式硬支承平衡机，即选用承载质量5kg-1000kg的HL5UB及1.5kg-500kg的HL4UB平衡机。动平衡机精度和规格必须同时满足以下两式的要求：
e1=(3～5)emar
式中emar是动平衡机的最小可达剩余不平衡量，即精度。
G02＜G1＜G01
式中G01：动平衡机的最大承载能力；G02：动平衡机允许的最小承载量；G1：转子的总质量(包括工装)。
动平衡机的选择，根据其许用不平衡量公式得，选用的平衡机要相对高于该精度的平衡机，即能完全满足该转子的动平衡工作即满足式，转子与工装的总质量为：G1=G压+G模=92+78=170kg。
HL5UB平衡机的emar为15μinch，即0.381 g.mm/kg；HL4UB平衡机的emar为10μinch，即0.254 g.mm/kg；按式均满足e1=(3～5)emar要求。按式对比得：均满足G02＜G1＜G01的要求。
（4）动平衡转速的确定
动平衡转速必须同时满足以下三式的要求。
n3≥n0
G1·n32＜[Gn2]
G1·r12·n32＜[Gr2·n2]
式中n3：指确定的动平衡转速；
N0：指对于确定的动平衡机，其电测系统进行测量所满足e0要求的最低转速，单位rpm；
[Gn2]：指动平衡机的支架刚度，单位为kg/min2，其中，n的单位为rpm；
[Gr2·n2]：指动平衡机允许的最大惯性力矩，单位kgm2／min2；
G1·n32：指G1转子在n3转速下的刚度；
G1·r12·n32：指G1转子在n3转速下的惯性力矩。
HL5UB平衡机的端驱动转速范围为120-1700r/min，[Gn2]为710×106kg/min2，[Gr2·n2]在该平衡机可以被忽略；
根据n3≥n0选择平衡转速n3为950r/min＞120 r/min。
根据G1·n32＜[Gn2]得：
170kg×(950 r／min)2=153.4×106kg/min2＜7l0×106kg/min2；
HL4UB平衡机的端驱动转速范围为120-1700 r/min，[Gn2]为450×106kg/min2，[Gr2·n2]为Max.14×106kgm2/min2；
平衡转速选择950 r／rain。
根据n3≥n0得：
平衡转速n3为950r/min＞120 r/min。
根据G1·n32＜[Gn2]得：
170kg×(950 r／min)2=153.4×106kg/min2＜450×106kg/min2；
根据G1·r12·n32＜[Gr2·n2]得：
G1·r12·n32=170×(O．15m)2×(950 r/min)2=3.45×106kgm2/min2＜14×106kgm2/min2。
根据式 选用动平衡的转速为950r/min可满足以上技术要求。在进行两个平衡机动平衡试验时，传动转子转动至测量转速的时间对比见表1：
表1 平衡机启动时间比较表
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从对比数据可以看出，采用HL5UB平衡机可有更高的效率进行转子的动平衡，其启动和制动时间均较HL4UB快，即效率高，所以有此看来需选用HL5UB平衡机进行动平衡试验。
4 结论
本文针对高压转子平衡工艺技术为研究方向，以传动装配跳动情况验证预装配的合理性，以发动机的试车结果作为最终动平衡品质评价标准来验证平衡工艺的可行性，具体研究国内某型发动机核心机平衡工艺方法，通过改善工艺方法，调整增加工艺流程，控制工艺条件，完成本次高压高涡组合转子平衡的分析。
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