王洪明 孫汕民 李希順

摘要：為研究低壓系統(tǒng)振動的影響因素，通過結(jié)構(gòu)平面簡化和數(shù)據(jù)統(tǒng)計，分析盤間封嚴環(huán)不平衡量、盤間封嚴環(huán)與低壓一級渦輪盤配合間隙值等因素對低壓系統(tǒng)振動的影響，提出盤間封嚴環(huán)的不平衡量越大則低壓系統(tǒng)振動的可能性越大、盤間封嚴環(huán)與低壓一級渦輪盤配合間隙值越大則低壓系統(tǒng)振動的可能性越大。因此，控制盤間封嚴環(huán)不平衡量和盤間封嚴環(huán)與低壓一級渦輪盤的配合間隙值是控制低壓系統(tǒng)振動的有效措施。

關(guān)鍵詞：低壓渦輪轉(zhuǎn)子部件，低壓系統(tǒng);不平衡量;配合間隙;發(fā)動機振動

中圖分類號：V231.92文獻標志碼：A DOI：10.19452/j.iss n 1007-5453.2018.08.023

航空發(fā)動機作為飛機的重要組成部分，被喻為飛機的“心臟”[1，2]，其工作中的振動問題是重要故障之一，影響航空發(fā)動機的使用壽命和工作效率[1，3]。航空發(fā)動機轉(zhuǎn)動系統(tǒng)由四大核心轉(zhuǎn)子部件組成，即高壓壓氣機轉(zhuǎn)子部件、低壓壓氣機轉(zhuǎn)子部件、高壓渦輪轉(zhuǎn)子部件和低壓渦輪轉(zhuǎn)子部件，轉(zhuǎn)子部件工作過程中產(chǎn)生不平衡慣性力和慣性力矩，是航空發(fā)動機振動主要的激振源，因此，各轉(zhuǎn)子部件的不平衡量控制和穩(wěn)定性尤為重要[1，5～11]。

低壓渦輪轉(zhuǎn)子部件作為航空發(fā)動機的重要組成部分，盤間封嚴環(huán)的不平衡量對低壓渦輪轉(zhuǎn)子部件不平衡量貢獻較大。盤間封嚴環(huán)與低壓一級渦輪盤的配合關(guān)系影響低壓渦輪轉(zhuǎn)子部件的穩(wěn)定性，當配合間隙較大時，盤間封嚴環(huán)的活動量較大，給旋轉(zhuǎn)的低壓渦輪轉(zhuǎn)子部件帶來不穩(wěn)定性，影響低壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡。因此，亟待研究盤間封嚴環(huán)不平衡量、盤間封嚴環(huán)與低壓渦輪盤配合關(guān)系對低壓系統(tǒng)振動的影響。

1 低壓渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

低壓渦輪轉(zhuǎn)子部件由低壓一級渦輪盤片組件、低壓二級渦輪盤片組件、盤間封嚴環(huán)和低壓渦輪軸等組成，如圖1所示。在裝配時，低壓一級渦輪盤片組件、低壓二級渦輪盤片組件、低壓渦輪軸通過螺栓連接，盤間封嚴環(huán)與低壓一級渦輪盤通過配合止口和定位銷定位、盤間封嚴環(huán)與低壓二級渦輪盤通過配合止口定位。其中，低壓一級渦輪盤片組件、低壓二級渦輪盤片組件、低壓渦輪軸不平衡量較小，低壓渦輪轉(zhuǎn)子部件不平衡量主要由盤間封嚴環(huán)貢獻。

2 盤間封嚴環(huán)不平衡量對低壓系統(tǒng)振動影響分析

2.1 理論分析

低壓一級渦輪盤片組件、低壓二級渦輪盤片組件、低壓渦輪軸不平衡量較小，低壓渦輪轉(zhuǎn)子的不平衡量主要由盤間封嚴環(huán)不平衡量貢獻，在低壓渦輪轉(zhuǎn)子部件平衡時，以低壓渦輪軸兩端軸承面作為支點，對低壓渦輪轉(zhuǎn)子部件進行不平衡量檢查，當?shù)蛪簻u輪轉(zhuǎn)子部件存在不平衡量時，通過調(diào)整低壓二級渦輪工作葉片的順序使低壓渦輪轉(zhuǎn)子部件達到平衡狀態(tài)。

可以將低壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡過程簡化成如圖2所示模型。

假設(shè)盤間封嚴環(huán)的不平衡量為P，則：

P=Δm×r（1）式中：Δm為盤間封嚴環(huán)對點質(zhì)量差，單位為kg;r為盤間封嚴環(huán)旋轉(zhuǎn)半徑，單位為m。

假設(shè)盤間封嚴環(huán)中心到各點的半相等，則說明盤間封嚴環(huán)質(zhì)量不均勻，存在質(zhì)量差Δm，當?shù)蛪簻u輪轉(zhuǎn)子部件旋轉(zhuǎn)時，所受到的離心力為：

F=Δm×ω²×r（2）式中：F為盤間封嚴環(huán)離心力，單位為N;w為盤間封嚴環(huán)旋轉(zhuǎn)角速度，單位為rad/s。

當通過調(diào)整低壓二級渦輪葉片使低壓渦輪轉(zhuǎn)子部件達到力的平衡時，低壓二級渦輪盤片組件存在一個不平衡力F'，則：

F=F'

假設(shè)盤間封嚴環(huán)與低壓二級渦輪盤片組件之間距離為X，則低壓渦輪轉(zhuǎn)子部件承受的力矩不平衡量為：

M=F×X（3）式中：M為力矩，單位為N·m。

盤間封嚴環(huán)與低壓二級渦輪盤片組件之間距離X不變，根據(jù)式（1）～式（3），盤間封嚴環(huán)不平衡量越大時，低壓渦輪轉(zhuǎn)子部件的力矩不平衡量越大，對低壓系統(tǒng)的振動越不利。并且發(fā)動機工作時低壓渦輪轉(zhuǎn)子部件的角速度大于不平衡量檢查時低壓渦輪轉(zhuǎn)子部件的角速度，根據(jù)式（2）、式（3），隨著角速度的增大，力矩不平衡量會增大，對低壓系統(tǒng)的振動越極為不利。

2.2 統(tǒng)計分析

統(tǒng)計200臺次盤間封嚴環(huán)的不平衡量，分析發(fā)動機的試車表現(xiàn)，低壓分量值是低壓系統(tǒng)振動結(jié)果的體現(xiàn)，一般以Y作為分界線，振動值在Y以下的認為表現(xiàn)良好，振動值在Y以上的認為表現(xiàn)較差。

將盤間封嚴環(huán)不平衡量每500g·mm劃分為一個階段，分析每個階段中低壓分量在0～Y以及低壓分量在Y以上的比例分布，如圖3所示。

根據(jù)圖3可知，隨著盤間封嚴環(huán)不平衡量值的增大，試車時低壓分量在0～Y之間的比例逐漸下降，而低壓分量超過Y的比例在不斷上升，表明盤間封嚴環(huán)的不平衡量越大，低壓系統(tǒng)振動的可能性越大，因此，控制盤間封嚴環(huán)不平衡量是控制低壓系統(tǒng)振動的有效措施之一。

3 盤間封嚴環(huán)、低壓渦輪盤配合量對低壓系統(tǒng)振動影響分析

3.1 理論分析

盤間封嚴環(huán)通過止口配合與低壓一級渦輪盤連接，配合量在過盈0.10～間隙0.12之間，盤間封嚴環(huán)與低壓二級渦輪盤之間亦是間隙配合，配合量在間隙0.06～間隙0.24之間，因此，盤間封嚴環(huán)與低壓一級渦輪盤配合尺寸關(guān)系到盤間封嚴環(huán)在低壓渦輪轉(zhuǎn)子部件中的穩(wěn)定性。

當盤間封嚴環(huán)與低壓一級渦輪盤配合量為間隙時，低壓一級渦輪盤與盤間封嚴環(huán)的理論圓心為口，低壓渦輪轉(zhuǎn)子部件旋轉(zhuǎn)時，盤間封嚴環(huán)的幾何圓心由口點移動至口，點，旋轉(zhuǎn)圓心仍然為口點，盤間封嚴環(huán)做偏心運動，產(chǎn)生新的不平衡量，如圖4所示。

設(shè)盤間封嚴環(huán)與低壓一級渦輪盤的配合為間隙z，則O點到O₁點的直線距離為z/2。設(shè)盤間封嚴環(huán)的幾何半徑為r，則盤間封嚴環(huán)旋轉(zhuǎn)半徑為：式中：r₁為短軸半徑，單位為m;r₂為長軸半徑，單位為m。

設(shè)盤間封嚴環(huán)的整體質(zhì)量為M，以旋轉(zhuǎn)中心O為原點，在a°時，d_a的質(zhì)量為：式中：M_1a為短軸側(cè)在a°時d_a的質(zhì)量，單位為kg;r_1a為短軸側(cè)在a°時旋轉(zhuǎn)半徑，單位為m。式中：M_2a為長軸側(cè)在a°時d_a的質(zhì)量，單位為kg;r_2a為長軸側(cè)在a°時旋轉(zhuǎn)半徑，單位為m。

根據(jù)式（4）、式（5）可得：式中：ΔP為不平衡量差值。

將式（4）、式（5）代入式（6）得出：

根據(jù)余弦定理得：

由式（8）、式（9）得：

再根據(jù)：

由式（10）、式（11）得出：

將式（12）代入式（7）得出：

由式（13）可以得出，盤間封嚴環(huán)與低壓一級渦輪盤的止口配合間隙越大，由盤間封嚴環(huán)引起的不平衡量越大，低壓渦輪轉(zhuǎn)子在工作過程中穩(wěn)定性越差，越易引起發(fā)動機振動問題。

3.2 統(tǒng)計分析

統(tǒng)計200臺次盤間封嚴環(huán)與低壓一級渦輪盤配合情況，分析發(fā)動機的試車表現(xiàn)，低壓分量值是低壓系統(tǒng)振動結(jié)果的體現(xiàn)，一般以Y作為分界線，振動值在Y以下的認為表現(xiàn)良好，振動值在Y以上的認為表現(xiàn)較差。

將盤間封嚴環(huán)不平衡量每0.02mm劃分為一個階段，分析每個階段中低壓分量在0～Y以及低壓分量在Y以上的比例分布，如圖5所示。

根據(jù)圖5可知，隨著盤間封嚴環(huán)與低壓一級渦輪盤的配合間隙值的增大，試車時低壓分量在0～Y之間的比例逐漸下降，而低壓分量超過Y的比例在不斷上升，表明盤間封嚴環(huán)與低壓一級渦輪盤的配合的間隙值越大，低壓系統(tǒng)振動的可能性越大。當盤間封嚴環(huán)與低壓一級渦輪盤配合在間隙0.04至過盈時，試車時低壓分量在0～Y之間的比例基本相當，因為受盤間封嚴環(huán)形位公差影響，盤間封嚴環(huán)與低壓一級渦輪盤存在局部過盈，配合尺寸對低壓系統(tǒng)振動影響不明顯。因此，當盤間封嚴環(huán)與低壓一級渦輪盤配合間隙在0.04以上時，控制盤間封嚴環(huán)與低壓一級渦輪盤的配合量是控制低壓系統(tǒng)振動的有效措施之一。

4 結(jié)論

通過研究，可以得出以下結(jié)論：

（1）盤間封嚴環(huán)的不平衡量越大，低壓系統(tǒng)振動的可能性越大，控制盤間封嚴環(huán)不平衡量是控制低壓系統(tǒng)振動的有效措施之一。

（2）盤間封嚴環(huán)與低壓一級渦輪盤配合在間隙0.04至過盈時，試車時低壓分量在0～Y之間的比例基本相當，當盤間封嚴環(huán)與低壓一級渦輪盤配合間隙在0.04以上時，控制盤間封嚴環(huán)與低壓一級渦輪盤的配合量是控制低壓系統(tǒng)振動的有效措施之一。

參考文獻

[1]羅立，唐慶如.航空發(fā)動機振動與平衡研究[J].中國民航飛行學(xué)院學(xué)報，2014（5）：57-60.

[2]岳聰，任興民，鄧旺群，等.航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子突加不平衡參數(shù)分析及LQR控制技術(shù)應(yīng)用14振動與沖擊，2015，34（17）：174-179.

[3]張群巖，史建邦，符嬈.基于多元線性回歸方法的試驗條件對發(fā)動機振動的影響分析[J].機械研究與應(yīng)用，2016，29（4）：114-117.

[4]朱亞夫，丁宏剛，曹光光.汽車起重機發(fā)動機振動分析[C]//中國工程機械學(xué)會工程起重機械分會第17屆年會會刊，2015：201-207.

[5]周駿，潘曉銘，周哲為.轉(zhuǎn)子動平衡的技術(shù)研究[J].機械設(shè)計與制造，2007（04）：151-153.

[6]張大林.離心泵不平衡振動的故障診斷分析[J].建設(shè)機械技術(shù)與管理，2015，28（12）：67-69.

[7]劉靜宇.CFM56-7B發(fā)動機振動指示高故障分析[J].航空維修與工程，2012（01）：58-59.

[8]王宇飛，謝永鵬.旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)子不平衡故障的診斷與分析[J].湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2009，9（05）：6-7.

[9]劉翠紅，王克明，夏錕，等.轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不平衡響應(yīng)的逆向分析[J].沈陽航空航天大學(xué)學(xué)報，2016，33（4）：30-37.

[10]王娟，史新宇，王文宇.發(fā)動機轉(zhuǎn)子平衡測量穩(wěn)定性技術(shù)研究[J].航空科學(xué)技術(shù)，2015，26（07）：17-21.

[11]王娟，史新宇.航空發(fā)動機低壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡工藝研究[J].航空科學(xué)技術(shù)，2016，27（02）：25-28.