航空发动机高压转子动平衡工艺技术研究

[摘 要]航空发动机转子是航空发动机的重要部件，航空发动机转子动平衡工作是转子装配工艺中的重要工艺过程，航空发动机的高压压气机和高压涡轮转子的动平衡工作是保证发动机稳定工作的基础，本文针对转子部件的动平衡工艺为研究方向，具体研究了航空发动机的高压转子的平衡工艺技术，用高压转子组合平衡降低发动机振动有着至关重要意义。

[关键词]发动机 高压转子 动平衡

中图分类号：TH877 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）13-0385-01

概述：振动是旋转机械在运行过程中普遍存在的现象，在生产和科学实验中，多数场合下振动是有害的。振动会使机械部件承受额外附加的动载荷，显著地加速轴承、轴颈的磨损，影响部件正常工作性能，更严重的会导致机械构件急剧断裂、损坏，致使系统失效。振动加剧，伴随而来的噪声也会污染环境，危害人类健康，而航空发动机的振动更会严重影响整个飞机的正常工作，更严重的会造成飞行事故。

一、动平衡机技术

1、动平衡机归类

1.1 动平衡机的结构

现代动平衡机可归纳为六个部分组成：机械振动系统（含测振传感器和相位基准信号发生器）；通用和专用平衡夹具；驱动系统；电子测量系统；校正装置；安全防护系统。

1.2 机械振动系统动平衡机的机械振动系统多半是6个自由度、3自由度和2自由度，硬支承平衡机在摆架结构、无间隙的轴承架、测振传感器、低噪驱动、电测系统微机化等，无论在精度上和功能上，已有很大提高。硬支承平衡机的机械振动系统的重要特点是系统刚度大。硬支承动平衡机摆架结构。

1.3 硬支承动平衡杌常用予加载的压电式传感器保证机械振动系统的固有频率高于转子平衡的频率。由于地面的弹性误差，硬支承动平衡机必须有结实的混凝土地基，或有一定厚的混凝土地面，并要求两者有良好的连续性。

1.4 动平衡机的测振传感器有：动圈式速度传感器、压电式力传感器、电容式位移传感器、差动变压器式位移传感器和应变片式位移传感器等。

二、航空发动机高压转子的结构及特点

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。而涡轮风扇发动机的转子结构就十分复杂，且存在多样性，从轴颈支承方式上一般存在双轴颈、单轴颈、无轴颈、短轴颈或外旋长轴颈结构，这也为后续动平衡工作造成了困难。

1、高压转子结构及特点

航空高压转子具有航空涡扇发动机的典型结构，前部为高压压气机转子，后部为高压涡轮转子，前后部分为螺栓连接，螺栓主要用于传力和承扭作用。

1.1 高压压气机转子

压气机功用：压气机是用于提高进入发动机的空气压力，共给发动机工作时所需要的压缩空气。在航空燃气涡轮发动机中，采用了轴流式和离心式两种基本类型压气机，由得燃气涡轮发动机采用轴流式和离心式的组合一混合式压气机，压气机结构为轴流式压气机。

1.2 发动机高压压气机为九级，为盘鼓式结构，前部由前轴颈组成，中部为鼓筒组件，后部为篦齿盘组件，叶片前三级为一般燕尾槽结构，后六级为环形燕尾槽结构，整个压气机进气通道位内等径结构。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。

1.3 鼓筒分为前、后两个部分，中间为三级盘片。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。

1.4 组成高压压气机转子的六大部分的装配，其中前轴颈、前鼓筒、三级盘和后鼓筒均由一组螺栓进行连接，且止口过盈定位，后部的后鼓筒和篦齿盘连接也是一组螺栓连接，通过止口过盈定位，从鼓筒组件的结构上分析，该结构刚性好。叶片的装配前三级为轴向榫槽，叶片独立装配，且一级叶片有防振阻尼台，叶片自身的活动量小，对平衡过程影响较小。

三、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，其支承结构拟用涡轮模拟转子，并以模拟转子的一端作为另外的支点，此时转子的支承方式可为动平衡方式为通过模拟转子一端采用联轴节端驱动，这样可很好的限制轴向力引起的窜动问题。

3、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量，以保证模拟转子的不平衡量转位后仍然对高压压气机转子的不平衡量测量影响为最小。

四、航空发动机高压转子组合平衡新工艺

1、高压转子组件平衡的关键技术

1.1高压转子组合平衡是以高压涡轮转子独立平衡完成做为基础，并将高压压气机和高

压涡轮组合，对高压压气机进行平衡校正的方法，因高压涡轮转子在工作状态与动平衡状态相同，所以对于高压涡轮的动平衡仍然采用模拟转子动平衡方案；高压转子组合件是组合平衡的基础状态，对该组合转子进行动平衡的关键技术在于支承方案的设计和配套工艺装备的设计。

1.2 组合后高压涡轮转子以选用滚子轴承，轴承为发动机原台相同的工艺轴承，无轴向定位。由于高压压气机前轴颈结构复杂，原支点轴承未直接装配至轴颈上，且装配后轴承部分内缩，根据发动机正常工作状态为中央传动齿轮、三支点轴承内套、石墨跑道、定距套等多个组件共同随高压转子转动，所以考虑将中央传动齿轮等组件及原台轴承直接装配至高压压气机上，并进行相互定位，轴承外套固定在工装上，这样既可保证组合平衡时的高压压气机与工作状态相同，又可保证其动平衡时的轴向定位，而转子传动方式也选择皮带转动。

2、高压转子组合平衡工艺方案

2.1 高压转子组合件根据其动力特性可归类为两端具有校正面的非对称转子，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。

2.2 根据转子结构，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，通过该方法，为高压转子组合件设定了合理的支点，既保证其正常工作状态的支承，又防止轴向产生传动。

结语：航空发动机是飞机的重要组成部分，航空发动机转子是决定航空发动机性能的重要组成部件，航空转子的动平衡工艺过程则是保证发动机转子正常运转，转子组合平衡工艺也是预防发动机振动的一个重要的准备工作，是发动机振动故障排除的一个重要手段。

参考文献

[1] 宴励堂.航空燃气轮机的振动和减振 北京 国防工业出版社.1991.10.

[2] 陈炳贻.航空发动机平衡技术的发展 推进技术 1998，19（4）：105-109.