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大连理工大学专业学位硕士学位论文 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，某型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。本文主要研究了航空发动机转子动平衡工艺的分析方法和动平 衡实践技术；研究了动平衡工艺方案的平衡品质评定方法并对某发动机高压转子的两套 平衡工艺方案进行了评定。根据转子的实际设计条件确认转子状态，选择合适的分类对 转子进行动平衡分析。设计了两套动平衡工艺流程，充分考虑转子实际工作状态和动平 衡状态的差别，保证了转子动平衡差异和实际工作差异的最小性。研究工作具体包括三 个方面： ( 1 ) 分析了某发动机高压压气及和高压涡轮转子的实际结构及工作状态，研究了 转位平衡工艺方案，结合平衡设备选择原则选择了最合理的动平衡设备；对试车前、后 的同件试验转子进行了初始动平衡量的数据采集，结果表明高压压气机转子试车前、后 的动平衡量变化较大，平衡效果不好。 ( 2 ) 研究了高压转子组合平衡工艺方案，结合平衡设备选择原则选择了最合理的 动平衡设备；对试车前、后的同件试验转子进行了初始动平衡量的数据采集，结果表明 高压压气机转子应用组合平衡方案时试车前、后的动平衡量变化较小，平衡效果较好。 ( 3 ) 研究了发动机试车技术并应用试车技术对发动机转子动平衡品质进行了评定。 对应用两套动平衡工艺方案的试验转子进行了发动机试车数据的采集；对比了应用两种 工艺方案后的发动机振动的报警率和试车振动的合格率；结果表明，针对该型发动机的 高压压气机转子及高压涡轮转子的两套动平衡方案，高压转子组合平衡方法更优于转位 平衡的方法。 该工艺研究成果已经应用于实际发动机的生产中，随着实际经验的进一步成熟，动 平衡工艺将更加完善。 关键词：高压转子；动平衡理论；转位平衡；振动；试车 某发动机高压转子平衡理论与关键技术研究 s t u d yo nt h eb a l a n c et h e o r ya n dk e yt e c h n i q u eo fs o m ea e r oe n g i n e h i g h p r e s s u r er o t o ra s s e m b l y a b s t r a c t r o t o ri sav i t a lp a r ti na l la e r o e n g i n e d y n a m i cb a l a n c eo fa e r o e n g i n er o t o ri si m p o r t a n t i nt h et u r b i n ea s s e m b l i n gp r o c e s s d y n a m i cb a l a n c eb e t w e e nh i 曲p r e s s u r ec o m p r e s s o ra n d l l i g hp r e s s u r et u r b i n er o t o rf o ra e r o - e n g i n ei st h ef o u n d a t i o nt og u a r a n t e ee n g i n eo p e r a t i o n s t a b i l i t y t h i sa r t i c l ed i s c u s s e st h et e c h n i c a la n a l y s i sm e a n sa n dp r a c t i c eo fd y n a m i cb a l a n c e ； a n ds t u d i e st h ee v a l u a t i o nm e a n so fb a l a n c eq u a l i t ya n dm a d ee v a l u a t i o no ft w ob a l a n c e t e c h n i c a lm e t h o d so fo n et y p eo fa e r o e n g i n eh i g hp r e s s u r er o t o r b a s e do nt h ea c t u a ld e s i g nc o n d i t i o no fr o t o r ，t h er o t o rs t a t u si sc o n f i r m e d ，a n dp r o p e r c l a s s i f i c a t i o nw a sm a d et oa n a l y z et h er o t o rd y n a m i cb a l a n c e t w os e t so fe n g i n e e r i n g p r o c e s so fd y n a m i cb a l a n c ew e r ed e s i g n e db yf u l l yc o n s i d e r i n gt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h e a c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o n sa n dd y n a m i cb a l a n c eo fr o t o r , w h i c hg u a r a n t e e st h a tt h ed i f f e r e n c e o fr o t o rd y n a m i cb a l a n c ea n dt h ed i f f e r e n c eo fa c t u a lw o r k i n ga r em i n i m u m t h ed e t a i l e d r e s e a r c hw o r ki n c l u d i n gt h r e ea s p e c t s ： ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls t r u c t u r ea n dw o r k i n gc o n d i t i o no fh i 曲p r e s s u r eg a sa n d 1 1 i 曲p r e s s u r et u r b i n er o t o r ，t h ed i s p l a c e m e n tb a l a n c e t e c h n i c a ls c h e m ew a ss t u d i e d b a s e do n t h e s e l e c t i n gr u l e o fb a l a n c e e q u i p m e n t , t h eo p t i m a l b a l a n c ee q u i p m e n tw a sc h o s e n a c c o r d i n gt ot h ec o l l e c t e dd a t ao ft h et e s t i n gr o t o r si n i t i a lb a l a n c ev a l u eb e f o r ea n da f t e rt h e r o t o rw a so nat r i a lr u n ，t h ed y n a m i cb a l a n c ev a l u eo fh i g hp r e s s u r ec o m p r e s s o rr o t o rc h a n g e d m u c h , w h i c hs h o w sap o o rb a l a n c er e s u l t ( 2 ) n l i sp a p e rs t u d i e dt h ec o m b i n e db a l a n c em e t h o do fh i 曲p r e s s u r er o t o ra n dc h o s e o p t i m a ld y n a m i cb a l a n c ef a c i l i t yb a s e d o nt h es e l e c t i n gr u l eo fb a l a n c ee q u i p m e n t a c c o r d i n g t ot h ec o l l e c t e dd a t ao ft h et e s t i n gr o t o r si n i t i a lb a l a n c ev a l u eb e f o r ea n da f t e rt h er o t o rw a s o nat r i a lr u n , t h ed y n a m i cb a l a n c ev a l u eo fh i g hp r e s s u r ec o m p r e s s o rr o t o rw h e nu s i n gt h e c o m b i n e db a l a n c em e t h o dd i dn o tc h a n g em u c h , w h i c hs h o w sag o o db a l a n c er e s u l t ( 3 ) 1 1 1 et r i a lr u nt e c h n o l o g yw a ss t u d i e da n dw a sa p p l i e dt oe v a l u a t et h ed y n a m i cq u a l i t y o fa e r o e n g i n er o t o r d a t ao ft h ea e r o e n g i n et r i a lr u n sw i t ht w os e t so fd y n a m i cb a l a n c e t e c h n i c a lm e t h o d sa p p l i e dw a sc o l l e c t e d i nt h e s et w oc o n d i t i o n s ，v i b r a t i o na l a r mr a t ea n d v i b r a t i o nq u a l i t yr a t ew e r ec o m p a r e d 刀 er e s u l t ss h o wt h a ti nt h et w os e t so fd y n a m i c b a l a n c em e t h o d sf o rh i g hp r e s s u r ec o m p r e s s o ra n dh i 曲p r e s s u r et u r b i n er o t o ro ft h i se n g i n e ， t h ec o m b i n e db a l a n c em e t h o df o rh i g hp r e s s u r er o t o ra r em o r ee x c e l l e n tt h a nt h ed i s p l a c e m e n t b a l a n c em e t h o d 一i i 大连理工大学专业学位硕士学位论文 t h er e s e a r c hr e s u l to ft h i st e c h n i c a lp r o c e s sh a sb e e na p p l i e dt ot h ea c t u a lp r o d u c t i o no f a e r o e n g i n e w i c l lm o r ea n dm o r ed e v e l o p m e n to ft h ep r a c t i c a le x p e r i e n c e ，t h ed y n a m i c b a l a n c et e c h n i c a lp r o c e s sw i l lb eb e t t e r k e yw o r d s ：r o t o rp a r t ；d y n a m i cb a l a n c et h e o r y ；i n d e x i n gb a l a n c e ；v i b r a t i o n ；t e s t i n g 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：篡发边扭高压鳖圣壬煎理i 企曼差链拉盔珏究 作考签名：j 蟊旦丝垒l 日期：盟年生月厶日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1绪论 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，控制试车振动故 障的一个重要手段。 1 1 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。因此人们总是千方百计地消除 和限制机械振动，在诸多的机械振动中，旋转机械( 转子) 的不平衡离心惯性力或力矩 所引起的振动最常见的l l 】，对于高速旋转机械而言，由于不平衡原因引起的振动会更加 显著。因此，消除或限制机械振动首先考虑的主要方法是对转子进行动平衡，以消除转 子的不平衡惯性力，使机械振动限制在允许的范围内。 1 2 转动件平衡方法的发展现状 近几年来，我国航空发展水平有了很高的发展，近期公布的歼十战斗机已显现出我 国的航空工业水平在国际上领先的地位，但作为战斗机的核心发动机来说，我国在 该领域的整体水平仍然不高，提升的空间仍然很大，这给我们以航空发动机产业为主产 业技术工作者来说要提出了更高的要求。我国掌握着较先进的转子平衡技术，平衡设备 在国际同行业中也是较先进的，但从动平衡技术的开发与应用方面仍然存在不足。 航空类转子在航空发动机领域的制造中起着关键的作用，航空发动机中转子部件是 航空发动机以及飞机整个工作的所有动力来源，而作为航空发动机的转动部件的航空转 子，它的工作状态直接影响着发动机的工作状态乃至飞机的工作状态【2 1 。振动作为发动 机试车试验中的一个主要的故障是涵盖了整个发动机领域的，在故障排除的手段中，转 子的平衡方法的选择则是一个尤为重要的问题。国外在解决发动机的振动问题时，选择 不同的平衡方法也是一个主要的途径【3 j ，不同的平衡工艺取得的效果仍然有一定的差异。 国外的某些发达国家航空发动机设计及制造有着相当成熟的技术和经验。航空技 术，也是关系一个国家国防的科技领域，而在各国进行广泛的技术交流的时候，航空领 域的技术交流仍然非常有限。这也是限制我国航空科技发展的主要因素。现在国际上掌 某发动机高压转子平衡理论与关键技术研究 握着较先进的航空技术的国家主要是俄罗斯和美国，全世界的军用战斗机中，有9 0 以 上是由俄、美两个国家生产和出口的。另外欧洲的英、法等发达国家在航空领域也有着 长足的发展，仍占有着重要的地位。 1 3 动平衡机技术概述 1 3 1 动平衡机归类 国内外动平衡设备种类较多，一般动平衡机可归纳为以下几类，见表1 1 。 表1 1 动平衡机( 仪) 分类表 t a b 1 1t a b l eo ft h es o r to fd y n a m i cb a l a n c em a c h i n e 注1 ) 表中不包括数字信号分析和记录设备等 1 3 2 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( 含显示和打印) ；校正 装置；安全防护系统【4 1 。 一般动平衡机都有前四个部分，后两个部分视需要而设。 ( 1 ) 机械振动系统( 含测振传感器和相位基准信号发生器) 一2 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 动平衡机的机械振动系统多半是6 个自由度、3 自由度( 通用双面立卧式硬支承和 软支承机) 和2 自由度( 通用单面立式硬支承机和软支承机) ，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【5 】，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【6 】。硬支承动平衡机摆架结 构见图2 1 l 。 ( 鑫) 单h 型撂絮 位 ( b ) 双h 型摆架 图1 1 硬支承平衡机的摆架结构 f i g 1 1 s t r u c t u r eo f t h eb e d e s t a l sp e d e s t a l sf o rh a r d - b e a r i n gd y n a m i cb a l a n c em a c h i n e 移位 耔 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 一定厚度( 1 5 0 3 0 0 r a m ) 的混凝土地面，并要求两者有良好的连续性【7 j 。 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。 对非联轴节驱动的动平衡机，目前用的最多的是光电式同步参考脉冲发生器( 俗称 光电头) ，其典型结构可参考图1 2 怫j 。 某发动机高压转子平衡理论与关键技术研究 光点头 图1 2 光电头 f i g 1 2 p h a s eg e n e r a t o r ( 2 ) 通用和专用平衡夹到州 平衡夹具对卧式平衡机是指用以放置被平衡的转子并承受其载荷，使转子能在摆架 上以规定的平衡转速转动的构件，见图1 3 。 大型平衡机采用联轴器驱动。中型平衡机具有联轴节驱动和圈带驱动两套系统，用 户可任意选用。 联轴节影响平衡精度。中型和小型平衡机采用圈带驱动。圈带驱动的不同结构不能 传递很大转矩；优点是传动对平衡精度的影响很小。 摩擦轮驱动适用于圆柱形转子的平衡。 旋转磁场驱动适用于电机电枢转子平衡。 压缩空气驱动适用于增压器涡轮转子，带叶片的小型转子。 平衡框架属专用平衡夹具需设计制造。 一4 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 2 ( a ) 捏架磨成 一幽 ( b ) 外伸式壤轮絮t o ) 镶滚枉妁v 形块 陶i 勘 k 、甲一2 鞣嫡寨的 ( g ) 轴向止稚轴承 图1 3 卧式平衡机上使用的各种平衡夹具 f i g 1 3 v a r i o u sb a l a n c i n gr i g g i n gf o rt h eh o r i z o n t a ld y n a m i cb a l a n c em a c h i n e ( 3 ) 驱动系统 卧式平衡机的驱动方式有：联轴节驱动、圈带驱动、摩擦轮驱动、旋转磁场驱动、 压缩空气驱动和自驱动等9 种，其中的两种驱动方式见图1 4 。 图1 4 卧式平衡机的2 种驱动方式 f i g 1 4 t h e2d r i v e m o d e sf o rt h eh o r i z o n t a ld y n a m i cb a l a n c em a c h i n e 某发动机高压转子平衡理论与关键技术研究 ( 4 ) 电子测量系统 动平衡机电测系统的任务是从带干扰的微弱的动不平衡信号中提取与转子旋转同 频的有用信号的幅值和相位信息，要配合机械振动系统解决转子的平面分离( 解算) 一 级转子的自动定相问题。 动平衡机电测系统微机化的主要目的并非在于提高平衡精度，而是在于提高功能。 通过微机化可以减少硬件开销并增加系统功能。有不少硬件功能，如软支承机的解算、 硬支承机的口b 廿r 1 r 2 运算、各种补偿( 初始量补偿、工装的系统误差补偿、键槽补偿 以及直流零位补偿等) 、平均化处理、数据存储、从标变换和矢量分解等，用软件来实 现可更为方便。 ( 5 ) 校正装置 构成动平衡机整体的一个组成部分的校正装置可以是：对于卧式平衡机有立钻和立 铣，以及能产生与转子旋转同步激光束的激光器，对于立式平衡机除单轴或多轴立钻和 立铣外，还有点焊机、冲头、磨头、剪刀器和铆接器等，可以按需配置，十分灵活【l o 】。 ( 6 ) 安全防护装置 旋转的转子对操作者存在有潜在的危险，如人体与转子的接触、转子部件或校正重 的脱落甩出以及转子上有可能甩脱的部件等。为此i s o t c l 0 8 制定了i s 0 7 4 7 5 ( “平衡 机防护罩和其他安全措施) 。我国也制定了g b l 2 9 7 7 9 1 ( “平衡机防护罩和其他按 专措施 ) 。 该标准定义了o 、a 、b 、c 、d 五个防护等级，给出了每个等级的应用界限，规定 了安全防护措施，常用的不同类型防护罩见图1 5 。 ( a ) 卧式平衡机l ：典徽的 ( b ) 立式平衡机上典型的 转子防护罩 转予防护翠 图1 5 常用的防护罩 f i g 1 5 t h eu s u a l l ys h i e l d ( c ) 覆藏整个平衡机的 伸缩鬻耱护麓 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 4 研究的目的内容及意义 本课题针对转子部件的动平衡工艺为研究方向，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动平衡工艺，具体研究了国内某机的高压转子的平衡方法，研究 发动机试车时振动情况与采取的两种平衡方案的高压转子的对应关系，并通过试车振动 数据予以评价采用高压转子组合平衡降低发动机试车振动问题的实际意义。 通过本次对航空转子装配平衡工艺及转子动平衡的研究，分析该组合转子现有平衡 方法中的不足，通过试验发现并确认问题的发生。通过改善工艺方法，调整并增加工艺 流程，控制工艺条件，完成本次高压转子组合平衡的分析。 在两个转子的平衡工艺中，根据互换性的原则，通过转位平衡原理，应用两个分别 代替发动机真是转子的工艺装备，对两个转子分别平衡，然后达到平衡效果后，进行正 式装配。由于两个模拟发动机的转子其本身的设计及加工状态就要受到限制，通过配对 平衡虽然可以将两个转子的不平衡量控制到很小的量。但两个模拟转子分别与发动机的 两个真实转子装配，而且各有其装配状态，装配状态受技术条件的约束并不能十分严格， 故会造成两个转子装配后平衡状态的差异，直接影响组合转子的状态。另外两个模拟转 子不平衡量离散程度不确定，也影响了发动机的最终装配及试车结果。 根据现阶段的实际情况，通过分析发动机及转子的结构，并研究组合转子状态的唯 一性，考虑直接将两个转子组合，并按传动装配要求来控制连接要求，保证装配状态的 唯一性。根据这个装配特点j 将组合后的转子装配在平衡机上进行组合后的平衡，通过 调整组合转子的平衡状态，改善了转子分别平衡后组合状态的不同一性，也减小了组合 转子不平衡量与平衡时转子不平衡量的离散程度，保证了发动机的装配状态。 通过动平衡的原理进行分析，采用传统的工艺思想，结合转子自身特点，设计出两 套完善的工艺方法，结合两套工艺方法应用后的试车试验数据，分析出工艺在试验中得 出最佳结论。 某发动机高压转子平衡理论与关键技术研究 2 转动件平衡的动力学基础 绕定轴旋转的零件或部件称为转动件，简称转子。当转子材料分布均匀，安装良好， 转动平稳，在理想情况下，支承只受重力，转子转动与不转动一样只有静载荷。当转子 分布不均匀，安装不当，使转子的中心惯性主轴与旋转轴不重合，产生惯性离心力和离 心力偶，在支承上造成额外的转动载荷成为动载荷i l 。 2 1转子的不平衡状态分析 转子在离心惯性力系作用下变形很小时，按刚性转子处理，变形很大时，按挠性转 子处理。 有任意形状的转子，以等角速度p 绕一固定轴z 旋转，z 轴上任意一点0 为坐标原 点。刚性转子上无数个质点产生的惯性力向o 点简化，得主矢尺d 和主矩m o ，见图2 1 。 根据r o 和m o 的情况，转子的不平衡状态有四种状况： ( 1 ) r d o 、m o = o 时，中心惯性主轴相对于旋转轴平移一个距离( 两轴呈平行状态) 。 是静不平衡的状态。 ( 2 ) r o = = o 、m o = = o 时，r 与帆相垂直时，中心惯性主轴与旋转相交，交点不在质 心处。如沿旋转轴z 移动简化中心找到一个能满足r o = = = o 但m o - - o 的点，是准静不平 衡的状况。 ( 3 ) r o = o 、m o = # o 时，中心惯性主轴与旋转轴相交于质心，是偶不平衡的状况。 ( 4 ) r o = # o 、m o = = o 时，r 与m 。不垂直时，中心惯性主轴与旋转轴既不平行，也不 相交，是一般的动不平衡状况i l 川。r o = = = o 是在重力场中转子旋转或不旋转的条件下检测 出并予以纠正，而m o = # o 必须在转子旋转的条件下，检测它的存在，故动平衡的转子 必须是静平衡的( r o - - - o ) ，静平衡的转子不一定是动平衡的( m o 可能不等于零) 。 许用不平衡量：由于实验设备及加配重、取值等都有误差，所以回转构件经过平衡 实验后，尚会有剩余不平衡量。根据工作要求和可能性对不同的回转构件规定出允许最 大剩余不平衡量，称为许用不平衡量。 一8 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 z m 0j ， 图2 1刚性转子的惯性力系简化示意图 f i g 2 1 t h ei n e r t i af o r c es y s t e mp r e d i g e s ts k e t c hm a po f r i g i d i t yr o t o r 2 2 静平衡及测量方法 静平衡是指对转子的静不平衡进行测量和校正( 加重或去重) 。静平衡属于单面平 衡，主要用于盘状转子【1 3 】。 静平衡按测量手段不同分为：刀口平衡、滚动架平衡、重力平衡机平衡和旋转平衡 ( 动测静不平衡) 。 ( 1 ) 刀口平衡 刀口平衡是指无轴颈配上工艺心轴的盘状转子，由于重力场的作用，转子在刀口上 最终重区处于最下方位置。为减小重区相位误差，需多次反复换滚动方向平衡，判断平 衡试重，通过增减试重摸索确定。 ( 2 ) 滚动架平衡 滚动架平衡是指带轴颈的( 或带工艺轴) 转子放在滚动架上平衡。 ( 3 ) 重力平衡机平衡 重力式平衡机是一个非旋转，两自由度的测量由重力矩产生的弹性应变或位移的系 统，在转子不旋转的条件下，如螺旋桨等进行静不平衡的测量和校正。 ( 4 ) 旋转平衡( 动测静不平衡) 转子旋转产生的离心加速度( r 山2 ) 超过重力加速度( g = 9 8 0 7 m s 2 ) 提高转子静不 平衡的测量精度，旋转平衡又称动测静不平衡。 某发动机高压转子平衡理论与关键技术研究 2 3 动平衡及测量方法 2 3 1刚性转子的平衡 刚性转子不平衡一般情况是其中心惯性主轴与旋转轴既不相交也不平行的不平衡 状态，一般在两个校正面上进行校正。动平衡是测出这两校正面上的等效不平衡矢量( 幅 值和相位) 并予以校正( 加重、或移重) 1 4 - 1 5 】。 动平衡机上转子以支承系统的运动： 刚体在空间运动最多有六个自由度( 三个平动和三个转动) 。转子一支承系统也同 样。 具有三个自由度的转子一支承系统的运动规律见图2 2 。 图2 2 具有三个自由度的转子一支承系统 f i g 2 2 t h er o t o r - b e a r i n gs y s t e mo fb e a r i n gt h r e ef r e e d o md e g r e e 如图2 2 所示，转子为一质量m 的对称圆柱体，以等角速度( i ) 绕转子的对称轴z 转 动。固定坐标o x y z 与转动处于平衡位置时的三个中心惯性主轴相重合。水平方向的弹 簧刚度为c y ( 左右各一) 。 为考察其在不平衡两作用下的影响；在转子右端面上加一个不平衡量聊y ，产生的 离心力e = m ，_ 2 ( ) 2 。 其运动方程式为： a 步+ 2 c y y = m 2 吃2c oscot(21) 大连理工大学专业学位硕士学位论文 肠+ 2 c , z 2 a = m 2 吃2 h c o s t 令y = a c o s j ) = 0c 0 2 c o s 厶经化简得： 聊只( i ) 2 垆页蔺驯 ，2 6 0 2 a 2 ：2 。一c o s ( ) r 2 c 一，( ) 2 转子轴向在y o z 平面上振动，其固有频率有： y = 鲁c 一片， ( 2 。2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 2 伊j 亿6 ， ) ，和口分别为转子轴线随质心作平动振动时的固有频率和绕质心摆动( 转动) 的 固有频率。一般情况下，i 日。 1 6 】 三自由度转子一支承系统的典型幅频特性见图2 3 。 分析如下： 如果略去阻尼影响， 当c o p 6 ) a c o y 时，振幅4 = 夏i m 2 丽r 2 6 3 2= 一苎m 丘。从中略去m 2 ( = 2 ) 项， 2 c 。一m ( i ) 2 。 。 是软支承平衡机的工作状态。 当6 9 p - 6 9 口或吩时，系统发生谐振。当系统有阻尼时，彳将趋于某最大值。 对应动平衡的三种工作状态见图2 4 。 某发动机高压转子平衡理论与关键技术研究 图2 3 三自由度转子一支承系统的典型幅频特性 f i g 2 3 t h eb r e a d t h f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i cf o rt h er o t o r - b e a r i n gs y s t e mo fb e a r i n gt h r e ef r e e d o m d e g r e e ， 图2 4 动平衡机的三种工作状态 f i g 2 4 t h et h r e er u n n i n gs t a t eo ft h ed y n a m i cb a l a n c em a c h i n e ( 1 ) 谐振式动平衡机工作状态，借用机械振动的放大和滤波作用，系统结构简单， 测量振幅用百分表或配上一个反光镜通过光带的宽窄来判断，其缺点是振幅和相位不稳 定，重复性差。 ( 2 ) 软支承动平衡机工作状态，振幅彳：一_ m 2 _ r 2 ，口：一_ m 2 r 2 h ，可见其输出取决于 朋 不平衡量m 2 f 和转子支承系统m 和，。 软支承动平衡机有工作稳定、灵敏度高、地基简单、易抗地基传来的干扰等有点， 缺点是其左、右校正面的分离和标定必须通过试运转。加试重试运转的目的是通过试验 测量影响系数。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 ( 3 ) 硬支承动平衡机工作状态，振幅a = 一皇与转子一支承系统的m 无关。为 ，rf 一 z c , y 保证甜，足够的高( 1 0 0 5 0 0 h z ) ，硬支承机的弹簧刚度是很高，其振幅只与c o 和g 有 关。 g 值固定，甜变化的影响可在电子系统测量中加积分器或具有相应补偿特性的跟踪 带通过滤波器消除。 硬支承动平衡机永久性标定通过a b c r 1 r 2 的设置实现两校正面的分离。其主要缺 点是地基大和平衡精度不如软支承平衡机。 硬支承动平衡机，当甜 w y 时略去m 2 项所以有一原理误差，在使用时应遵循 一些限制条件。l l 7 j ( 4 ) 硬支承动平衡机对转子左右校正面的平面分离 硬支承动平衡机是测力式平衡机可通过直接测量支承上所受的力测出不平衡量，根 据转子几何尺寸直接设置弘6 cr lr 2 。 双面卧式硬支承动平衡机，不同支承方式时，左、右校正面上存在等效不平衡量产 生的离心力与左、右支承动反力，之间存在相应的力学关系。 校正面外悬转子，由于测量计算误差以及系统阻尼等因素影响，其平面分离比随支 承间距对校正平面间距之比的增加而下降1 1 8 之o 】。 2 3 2 转位平衡 转位平衡【2 l 】是使配合误差与无轴颈零件的不平衡量分离开而采用的方法，可用具有 不平衡的一个平面来阐明，如下图2 5 所示。 两次测量的就结果和求值可在下图2 6 得。示值么和彳间的差( 彼此箭头距离) 等 于2 u ( 痧和舀是零件的同一不平衡量，只是在不同相位上测得的) 。按x 点平衡( 测 量点彳和彳连线中点) 就可消除零件上的不平衡量。为检验其效果，再转1 8 0 。，示值 仍应在彳处，辅助轴的不平衡曰只能在辅助轴上平衡。然后，同一批零件数可在这个辅 助轴平衡，而不要再转位了。【捌 对于现阶段的c a b 系列平衡机来说，部分硬支承平衡机有独立转位平衡的功能， 即通过工装转位1 8 0 。前后两次测量不平衡量大小，系统自动将t 装的不平衡量计算出 来并在随后的动平衡中将其消除，最终测量的是被测零件的不平衡量。 转位平衡受限因素很多，例如两次装配位置若状态不十分一致，则两次装配的旋转 轴线发生变化，所以两次测量的工装和零件的不平衡量有相对差异，则会影响转位效果， 某发动机高压转子平衡理论与关键技术研究 同时转为后的工装不平衡量的计算就会由差异瞄】，在消除不平衡量时造成测量不准确 在盘 守o t l l 、 、 、j 1 9 j 一 r l r 3 广_ h 厶 l - ，夕一 、 f - 、 - 。一 l 一 厶 l ，夕一 ，个 j 歹 1 | | ，一 、 f 、y ， 、 歹j 万 f = ：1 a 具有不平衡h 的辅 助轴 具有不平衡u 的零 件 在具有不平衡h 的 辅助轴上装有不平 衡u 的零件，示值a 是两个不平衡的矢 量之和 将辅助轴上的零件 转1 8 0 。( 即半圆) 。不平衡h 不转， 使u 转1 8 0 。 而得u ”，新的示值 为a 图2 5 通过转位1 8 0 。分开装配件的不平衡量 f i g 2 5 u n b a l a n c ei sc a l c u l a t e db yi n d e x i n gl8 0 。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 厂。、 一o 卜于、 a 百分、可 ， i 3j a 、 f i ， 图2 6 测量结果的求算，矢量豆，疗和口 f i g 2 6c a l c u l a t et h em e a s u r ec o n c l u s i o n ，v e c t o r 厅，方和方 一1 5 某发动机高压转子平衡理论与关键技术研究 3 某发动机高压转子结构及转位平衡工艺分析 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。 3 1某发动机高压转子的结构及特点 3 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。 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。 3 1 2 高压转子结构及特点 某机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 ) 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，该压气机结构为轴流 式压气机。【2 4 j 该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。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 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。 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。后六级叶片为环形榫槽结构，由于叶片为串动装配，装配后的叶片为满足最 终工作状态下的温度变化和离心力的变化而保证其叶片缘板位置最终有一个累计轴向 间隙，这导致叶片在转子转动的情况下会出现不同状态时的不同周向位置，以致影响转 子的不平衡量，也影响转子的平衡过程。 图3 1 为该高压转子的大致结构示意图。 图3 1高压压气机转子结构示意图 f i g 3 1 t h es t r u c t u r es k e t c hm a po fh i g hp r e s s u r ec o m p r e s s o rr o t o r 某发动机高压转子平衡理论与关键技术研究 高压压气机转子的质量m 为9 2 k g ，需用不平衡量u r 为1 0 0g 姗。 ( 2 ) 高压涡轮转子 涡轮转子的功用：燃气涡轮转子是将高温燃气中的部分热能和压力能转换为机械 功，带动压气机和附件工作。燃气涡轮按气流流动方向可分为轴向式和径向式，现代航 空燃气涡轮发动机基本都是轴向式的。轴向式涡轮转子按转子数目可分为单转子、双转 子和三转子涡轮，按转子结构又可分为不可拆卸和可拆卸两种基本形式。【2 5 】 在多级涡轮转子中采用盘鼓盘鼓混合式结构，单级和双级涡轮转子通常都是盘式结 构。该涡轮转子为涡轮风扇发动机的典型高压涡轮转子结构，主要由五部分组成，由鼓 筒、篦齿盘、涡轮盘、后轴颈和叶片组成。 鼓筒组件由环形薄壁的结构组成，前部止口与高压压气机相配合，后不与篦齿盘相 配合。 篦齿盘除封严作用外还有作为叶片的前挡板的作用，篦齿盘属于但盘外缘带篦齿结 构，前部连接鼓筒组件，后部连接涡轮盘。 涡轮盘是涡轮部分最重要的组成部分，是主要的承力部件和传扭部件，与前部篦齿 盘及后部的后轴颈均为过盈连接。 后轴颈是高压涡轮的支点轴颈，也是高压涡轮和低压涡轮中介轴承的支点所在，它 以悬臂结构的形式与涡轮盘相连接。 涡轮叶片以一般枞树型榫槽的连接方式与涡轮盘相连接，涡轮叶片是高温做功部 件。 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，图3 2 为高压涡轮转子结构示意图。 高涡轮转子的质量m 为7 8 k g ，需用不平衡量u r 为1 0 0g m m 。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 图3 2 高压涡轮转子结构示意图 f i g 。3 2 t h es t n l c 勃l r es k t c hm a po f h i g hp r e s s u r et u r b or o t o r 3 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1 0 0 状态时的工作转速船为1 5 6 5 0r m i n ，其最 大工作状态n m a x 工作转速为1 7 2 2 0 r m i n ，一般状态的工作转速n 肌加为1 2 5 2 0r m i n ，而组 件状态下的转子的一阶临界转速n ，为9 2 6 0 r m i n ，二阶临界转速砌为2 6 2 4 0 r m i n 准刚性转子应满足以下条件 2 6 - 2 7 】： 7 4n l n m 加与嘞煅 1 4 n l = 1 2 9 6 4r m i n ； 玎蚴= f7 2 2