CN115575038B - 一种减小压气机转子旋转惯性激励的控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于航空发动机转子装配领域，为一种减小压气机转子旋转惯性激励的控制方法，通过先对单级叶片进行初始不平衡量和剩余不平衡量的平衡，在满足不平衡量要求后，通过进行剩余不平衡量或前后端同轴度的控制来进行压气机各级叶盘装配相位的控制，在满足相位控制要求后，最后进行压气机转子组件的初始不平衡量和剩余不平衡量的控制；在利用低速动平衡机平衡后，既能保证工作于亚临界状态下的压气机转子旋转惯性激励，也能有效控制工作于超临界状态转子因主惯性轴倾斜带来的旋转惯性激励。

Description

一种减小压气机转子旋转惯性激励的控制方法

技术领域

本申请属于航空发动机转子装配领域，特别涉及一种减小压气机转子旋转惯性激励的控制方法。

背景技术

旋转惯性激励是航空发动机转子振动的主要激振源之一，旋转惯性激励的主要来源为转子的不平衡量，因此转子零件、组件平衡质量对整机振动有较大影响。转子平衡的控制要保证转子质心偏移所带来的离心力在规定范围之内，也要保证由于转子主惯性轴倾斜所带来的惯性力矩在规定范围之内。特别是航空发动机转子一般工作在超临界状态，但转子平衡转速远低于发动机实际工作转速，而质心偏移和主惯性轴倾斜在低转速和高转速所表现出的影响不同。压气机转子通常由多级叶盘装配或焊接组成，具有较长的轴向尺寸和较大的质量，压气机旋转惯性激励是航空发动机旋转惯性激励的主要来源之一，因此在压气机转子平衡过程中，需依据压气机旋转惯性激励控制方法对压气机转子进行检测和控制。

目前采用的压气机旋转惯性激励的控制方法的缺点在于：

1)以往对压气机单级叶盘的不平衡量控制仅局限于剩余不平衡量，并未对初始不平衡量提出控制要求。

2)以往对压气机各级叶盘进行装配或焊接过程中，仅考虑叶盘的跳动值的大小及相位来确定各级盘装配相位，并未结合各级叶盘的剩余不平衡量的大小及相位进行综合考虑。

3)由于进行单级叶盘(转子组件)平衡时，仅能在特性的修正面进行去材料(增加配重块)，不合理的初始不平衡量可能会导致平衡后的质量分布依旧不均匀。

4)在进行压气机转子装配时，仅考虑叶盘的跳动值的大小及相位，无法有效调节各级叶盘的不平衡量分布，可能会导致装配后的转子组件存在较大的组件初始不平衡量，即质量分布不均匀。

5)在进行动平衡时，以往通过控制质心偏移量，进而控制旋转惯性激励。因转子平衡转速远低于发动机实际工作转速，而控制质心偏移量只能控制工作于亚临界状态转子的旋转惯性激励，无法对工作于超临界状态的转子旋转惯性激励进行有效控制。若转子惯性主轴存在偏斜，则会发动机出现振动随转速提高而增大的现象。因此，按目前的压气机转子旋转惯性激励的控制方法，无法起到通过装配工艺控制旋转惯性激励的作用，无法有效的改善航空发动机整机振动情况。

因此，如何对压力机转子旋转惯性激励进行更有效的控制是一个需要解决的问题。

发明内容

本申请的目的是提供了一种减小压气机转子旋转惯性激励的控制方法，以解决现有技术中对压气机的不平衡量控制不全面、难以对转子旋转惯性激励进行有效控制的问题。

本申请的技术方案是：一种减小压气机转子旋转惯性激励的控制方法，包括：设置单级叶盘的不平衡量阈值，判断转子长径比是否小于等于不平衡量阈值，若是则对单级叶盘进行静平衡，若否则对单级叶盘进行动平衡；将单级叶盘的初始不平衡精度控制在第一等级控制要求，即G40，获得允许的初始静不平衡量；将单级叶盘的剩余不平衡量控制在第二等级控制要求，即G6.3，获得许用剩余静不平衡量；将压气机各级叶盘分成不带有鼓筒的叶盘结构、带有鼓筒的叶盘结构或鼓筒轴，调整不带有鼓筒的叶盘结构的角向位置，对剩余不平衡量进行优化，使得叶盘装配后的叶盘组件剩余不平衡量最小；调整带有鼓筒的叶盘结构或鼓筒轴的角向位置，对前后端同轴度进行优化，使得叶盘装配后的叶盘组件前后端同轴度最小；对压气机转子组件进行动平衡，通过对压气机的前修正面和后修正面分别进行修正，得到前修正面和后修正面的动不平衡量相位差大小，并根据相位差大小的不同对压气机转子组件的平衡品质进行控制，获得许用的初始静不平衡量；对压气机转子的后修正面进行修正，并将压气机转子组件的剩余静不平衡量控制在第二等级控制要求，获得许用的剩余静不平衡量。

优选地，所述不平衡量阈值为

所述转子叶盘的初始静不平衡量U的计算公式为：

对所述单级叶盘进行动平衡后获得初始静不平衡量后，按照质心到修正面的距离进行近似分配，前修正面允许的初始静不平衡量为U_A，后修正面允许的初始静不平衡量为U_B，得到：

其中，Ω为工作转速、L为转子轴向长度、D为转子径向长度、L_A是质心到前修正面距离，L_B是质心到后修正面距离，m是转子质量；

控制U_A与U_B的相位差在0～20、160～200、340～360区间内。

优选地，所述转子叶盘的许用剩余静不平衡量计算公式为：

对所述单级叶盘进行动平衡获得剩余静不平衡量后，按照质心到修正面的距离进行近似分配，前修正面的许用剩余不平衡量为U`<sub>A</sub>，后修正面的许用剩余不平衡量为U`_B，得到：

其中，Ω为工作转速、L为转子轴向长度、L_A是质心到前修正面距离，L_B是质心到后修正面距离，m是转子质量；控制U_A与U_B的相位差在0～20、160～200、340～360区间内。

优选地，对所述不带有鼓筒的叶盘结构进行角向位置优化的方法为：获取不带有鼓筒的叶盘结构的角向位置调整范围，将角向位置调整范围从小至大调整均匀设置若干个节点，从而先调整角向位置至最小节点，并确定该角向位置下的剩余不平衡量；而后再向上增加一个节点，并再次确定该角向位置下的剩余不平衡量，直至确定所有节点的剩余不平衡量，计算所有剩余平衡量中的最小值，即为叶盘装配后的叶盘组件剩余不平衡量最小位置。

优选地，对带有鼓筒的叶盘结构或鼓筒轴进行角向位置优化的方法为：获取带有鼓筒的叶盘结构或鼓筒轴的角向位置调整范围，将角向位置调整范围从小至大调整均匀设置若干个节点，从而先调整角向位置至最小节点，并确定该角向位置下的前后端同轴度；而后再向上增加一个节点，并再次确定该角向位置下的前后端同轴度，直至确定所有节点的前后端同轴度，计算所有剩余平衡量中的最小值，即为叶盘装配后的叶盘组件前后端同轴度最小位置。

优选地，所述压气机转子组件的初始不平衡量控制方法为：在对压气机转子组件进行动平衡时，选用压气机第一级盘前段和最后一级盘后端为动平衡修正面，在动平衡前根据前修正面和后修正面动不平衡大小和相位差进行如下判断：若前修正面动不平衡量与后修正面的动不平衡量相位差小于60°，通过静不平衡量控制转子初始不平衡，初始静不平衡量U的控制标准为

若前修正面动不平衡量与后修正面的动不平衡量相位差大于120°，通过动、静不平衡量控制转子初始不平衡，初始静不平衡量U的控制标准为

前修正面的动不平衡量U_A和后修正面的动不平衡量U_B的控制标准为

前修正面动不平衡量与后修正面的动不平衡量相位差大于60°且小于120°，则认为压气机转子组件不合格，进行重新装配。

优选地，所述压气机转子组件的剩余不平衡量的控制方法为：在对压气机转子组件进行平衡过程中，仅对后修正面进行修正，压力机转子组件对应的许用剩余平衡量U`的控制标准为

后修正面对应的剩余平衡量U`_B的控制标准为

其中U`_A＝U_A，U_A为前修正面的动不平衡量。

本申请的一种减小压气机转子旋转惯性激励的控制方法，通过先对单级叶片进行初始不平衡量和剩余不平衡量的平衡，在满足不平衡量要求后，通过进行剩余不平衡量或前后端同轴度的控制来进行压气机各级叶盘装配相位的控制，在满足相位控制要求后，最后进行压气机转子组件的初始不平衡量和剩余不平衡量的控制；在利用低速动平衡机平衡后，既能保证工作于亚临界状态下的压气机转子旋转惯性激励，也能有效控制工作于超临界状态转子因主惯性轴倾斜带来的旋转惯性激励。

附图说明

为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。

图1为本申请整体流程示意图；

图2为本申请压气机转子叶盘结构尺寸示意图；

图3为本申请不带鼓筒的压气机转子叶盘结构示意图

图4为本申请带鼓筒的压气机转子叶盘结构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。

一种减小压气机转子旋转惯性激励的控制方法，分析影响压气机转子工作中影响旋转惯性激励的关键因素，得到该关键因素分别为：单级叶盘初始不平衡量、剩余不平衡量，压气机各级叶盘的角向位置，压气机转子组件初始不平衡量及相位差、剩余不平衡量及相位差等。对这些关键因素进行分别控制，以能够大于压气机转子的旋转惯性激励进行有效控制。

如图1所示，具体包括如下步骤：

步骤S100，单级叶盘的不平衡量控制，包括：

一、初始不平衡量控制

如图2所示，对于不同的转子结构尺寸，根据转子的长径比大小判断平衡方式：

1)当转子长径比较小

时，转子平衡仅需进行静平衡，初始不平衡量的精度等级控制在第一等级控制要求，也即是G40，对应允许的初始静不平衡量为U(g·mm)；

2)当转子长径比较大

时，转子平衡需进行动平衡，初始静不平衡量按照平衡品质级别第一等级控制要求，也即是G40进行控制，对应允许的初始静不平衡量为U(g·mm)，按照质心到修正面的距离进行近似分配，前修正面允许的初始不平衡量为U_A(g·mm)，后修正面允许的初始静不平衡量为U_B(g·mm)，得到：

其中，Ω为工作转速、L为转子轴向长度、D为转子径向长度、L_A是质心到前修正面距离，L_B是质心到后修正面距离，m是转子质量；

控制U_A与U_B的相位差在0～20、160～200、340～360区间内。

二、剩余不平衡量控制

1)当转子长径比较小

时，转子平衡仅需进行静平衡，剩余不平衡量的精度等级控制在G6.3，对应许用剩余静不平衡量为U`(g·mm)；

2)当转子长径比较大

时，转子平衡需进行动平衡，剩余静不平衡量按照平衡品质级别G6.3进行控制，对应许用剩余静不平衡量为U`(g·mm)，按照质心到修正面的距离进行近似分配，前修正面许用剩余不平衡为U<sub>A</sub>(g·mm)，后修正面许用剩余不平衡为U`_R(g·mm)，得到：

控制U`<sub>A</sub>与U`_B的相位差在0～20、160～200、340～360区间内。

通过对压气机单级叶盘的初始不平衡量提出额外的控制要求，同时对发动机转子的额外控制转速进行控制，从而能够对单级叶盘的不平衡量进行全面的控制，避免由于单级叶盘的初始不平衡量误差而导致的单级叶盘的不平衡量出现额外的误差。

同时设置不平衡量阈值，根据不同的初始不平衡量或剩余不平衡量的大小，采用不同的平衡控制方式，也即是静平衡或动平衡，同时通过分别计算单级叶盘的前修正面的初始不平衡量和后修正面的初始不平衡量，并设置相位差来平衡不平衡量，采用非去材料的方式进行初始不平衡量的平衡，保证平衡后的单级叶盘质量分布均匀。

步骤S200，压气机各级叶盘装配相位控制

压气机各级叶盘的装配过程，通常是按照特定顺序将各级叶盘依次装配形成组件，该过程中需要通过控制各级叶盘的角向位置，进而控制装配后的压气机转子组件质量分布。控制叶盘角向位置的参数需根据叶盘结构进行区分：

具体控制方法为：将压气机各级叶盘分成不带有鼓筒的叶盘结构、带有鼓筒的叶盘结构或鼓筒轴，调整不带有鼓筒的叶盘结构的角向位置，对剩余不平衡量进行优化，使得叶盘装配后的叶盘组件剩余不平衡量最小；调整带有鼓筒的叶盘结构或鼓筒轴的角向位置，对前后端同轴度进行优化，使得叶盘装配后的叶盘组件前后端同轴度最小；

如图3所示，优选地，对不带有鼓筒的叶盘结构进行角向位置优化的方法为：

获取不带有鼓筒的叶盘结构的角向位置调整范围，将角向位置调整范围从小至大调整均匀设置若干个节点，从而先调整角向位置至最小节点，并确定该角向位置下的剩余不平衡量；而后再向上增加一个节点，并再次确定该角向位置下的剩余不平衡量，直至确定所有节点的剩余不平衡量，计算所有剩余平衡量中的最小值，即为叶盘装配后的叶盘组件剩余不平衡量最小位置。

如图4所示，优选地，对带有鼓筒的叶盘结构或鼓筒轴进行角向位置优化的方法为：

获取带有鼓筒的叶盘结构或鼓筒轴的角向位置调整范围，将角向位置调整范围从小至大调整均匀设置若干个节点，从而先调整角向位置至最小节点，并确定该角向位置下的前后端同轴度；而后再向上增加一个节点，并再次确定该角向位置下的前后端同轴度，直至确定所有节点的前后端同轴度，计算所有剩余平衡量中的最小值，即为叶盘装配后的叶盘组件前后端同轴度最小位置。

通过分别对两类叶盘结构进行角向位置的调整，使得不带有鼓筒的叶盘结构的叶盘组件处于剩余不平衡量最小的状态，带有鼓筒的叶盘结构或鼓筒轴进行前后端同轴度控制，从而有效调节两类叶盘结构的相位准确度，保证质心偏移量小，减少主惯性轴倾斜，保证两类叶盘结构的质量分布均匀性。

步骤S300，压气机转子组件不平衡量控制

分别进行压气机转子组件的初始不平衡量和剩余不平衡量控制。

具体包括：

1)初始不平衡量控制

压气机转子组件需进行动平衡，选用压气机第一级盘前端和最后一级盘后端为动平衡修正面，在动平衡前需根据前修正面和后修正面动不平衡量大小和相位判定转子组件状态是否满足要求：

1、若前修正面动不平衡量与后修正面动不平衡量相位差(小夹角)小于60°,通过静不平衡量控制转子初始不平衡，按照平衡品质级别G16进行控制，对应允许的初始静不平衡量为U(g·mm)；

2、若前修正面动不平衡量与后修正面动不平衡量相位差(小夹角)大于120°，通过动、静不平衡量控制转子初始不平衡，静不平衡量按照平衡品质级别G10进行控制，前、后修正面动不平衡量大小按照平衡品质级别G16进行控制，对应允许的初始静不平衡量为U(g·mm)，前修正面允许的初始不平衡量为U_A(g·mm)，后修正面允许的初始静不平衡量为U_B(g·mm)；

3、若前修正面动不平衡量与后修正面动不平衡量相位差(小夹角)大于60°且小于120°，则认为转子不合格，需重新装配。

具体控制方法如下表1所示：

表1初始不平衡量控制方法

2)剩余不平衡量控制

在对压气机转子组件进行平衡过程中，前修正面不需进行调整，仅在后修正面进行修正。压气机转子组件剩余静不平衡量按照平衡品质级别G6.3进行控制，对应许用剩余静不平衡量为U`(g·mm)，后修正面剩余不平衡大小按照平衡品质级别G6.3进行控制,后修正面许用剩余不平衡为U`_R(g·mm)。

U`_A＝U_A

进行压气机转子组件的动平衡时，通过分别进行初始不平衡量和转子不平衡量进行控制，而非控制质心偏移量，从而更加精准地控制转子惯性主轴的偏斜量，这样转子在超临界状态下工作时，也不会出现发动机振动随转速提高而增大的问题，从而有效改善发动机的整机振动情况。

同时通过分别计算单级叶盘的前修正面的初始不平衡量和后修正面的初始不平衡量，并设置相位差来平衡不平衡量，采用非去材料的方式进行初始不平衡量和剩余不平衡量的平衡，保证平衡后的压气机转子组件质量分布均匀。

本申请通过先对单级叶片进行初始不平衡量和剩余不平衡量的平衡，在满足不平衡量要求后，通过进行剩余不平衡量或前后端同轴度的控制来进行压气机各级叶盘装配相位的控制，在满足相位控制要求后，最后进行压气机转子组件的初始不平衡量和剩余不平衡量的控制；在利用低速动平衡机平衡后，既能保证工作于亚临界状态下的压气机转子旋转惯性激励，也能有效控制工作于超临界状态转子因主惯性轴倾斜带来的旋转惯性激励。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种减小压气机转子旋转惯性激励的控制方法，其特征在于，包括：

步骤S100，设置单级叶盘的不平衡量阈值，判断转子长径比是否小于等于不平衡量阈值，若是则对单级叶盘进行静平衡，若否则对单级叶盘进行动平衡；将单级叶盘的初始不平衡精度控制在第一等级控制要求，即G40，获得允许的初始不平衡量；将单级叶盘的剩余不平衡量控制在第二等级控制要求，即G6.3，获得许用剩余不平衡量；

步骤S200，将压气机各级叶盘分成不带有鼓筒的叶盘结构、带有鼓筒的叶盘结构或鼓筒轴，调整不带有鼓筒的叶盘结构的角向位置，对剩余不平衡量进行优化，使得叶盘装配后的叶盘组件剩余不平衡量最小；调整带有鼓筒的叶盘结构或鼓筒轴的角向位置，对前后端同轴度进行优化，使得叶盘装配后的叶盘组件前后端同轴度最小；

步骤S300，对压气机转子组件进行平衡，通过对压气机的前修正面和后修正面分别进行修正，得到前修正面和后修正面的动不平衡量相位差大小，并根据相位差大小的不同对压气机转子组件的平衡品质进行控制，获得许用的初始不平衡量；对压气机转子的后修正面进行修正，并将压气机转子组件的剩余不平衡量控制在第二等级控制要求，即G6.3，获得许用的剩余不平衡量；

步骤S300中，压气机转子组件的初始不平衡量控制方法为：

在对压气机转子组件进行动平衡时，选用压气机第一级盘前端和最后一级盘后端为动平衡修正面，在动平衡前根据前修正面和后修正面动不平衡大小和相位差进行如下判断：

若前修正面动不平衡量与后修正面的动不平衡量相位差小于60°，通过静不平衡量控制转子初始不平衡，初始静不平衡量U的控制标准为

其中，Ω为工作转速、m是转子质量；

若前修正面动不平衡量与后修正面的动不平衡量相位差大于120°，通过动、静不平衡量控制转子初始不平衡，初始静不平衡量U的控制标准为

前修正面的动不平衡量U_A和后修正面的动不平衡量U_B的控制标准为

前修正面动不平衡量与后修正面的动不平衡量相位差大于60°且小于120°，则认为压气机转子组件不合格，进行重新装配。

2.如权利要求1所述的减小压气机转子旋转惯性激励的控制方法，其特征在于，所述不平衡量阈值为

所述转子叶盘的初始静不平衡量U的计算公式为：

对所述单级叶盘进行动平衡后获得初始静不平衡量后，按照质心到修正面的距离进行近似分配，前修正面允许的初始静不平衡量为U_A，后修正面允许的初始静不平衡量为U_B，得到：

其中，Ω为工作转速、L为转子轴向长度、D为转子径向长度、L_A是质心到前修正面距离，L_B是质心到后修正面距离，m是转子质量；

控制U_A与U_B的相位差在0～20、160～200、340～360区间内。

3.如权利要求1所述的减小压气机转子旋转惯性激励的控制方法，其特征在于，所述转子叶盘的许用剩余静不平衡量计算公式为：

对所述单级叶盘进行动平衡获得剩余静不平衡量后，按照质心到修正面的距离进行近似分配，前修正面的许用剩余不平衡量为

后修正面的许用剩余不平衡量为

得到：

其中，Ω为工作转速、L为转子轴向长度、L_A是质心到前修正面距离，L_B是质心到后修正面距离，m是转子质量；

控制

与

的相位差在0～20、160～200、340～360区间内。

4.如权利要求1所述的减小压气机转子旋转惯性激励的控制方法，其特征在于，对所述不带有鼓筒的叶盘结构进行角向位置优化的方法为：

获取不带有鼓筒的叶盘结构的角向位置调整范围，将角向位置调整范围从小至大调整均匀设置若干个节点，从而先调整角向位置至最小节点，并确定该角向位置下的剩余不平衡量；而后再向上增加一个节点，并再次确定该角向位置下的剩余不平衡量，直至确定所有节点的剩余不平衡量，计算所有剩余平衡量中的最小值，即为叶盘装配后的叶盘组件剩余不平衡量最小位置。

5.如权利要求1所述的减小压气机转子旋转惯性激励的控制方法，其特征在于，对带有鼓筒的叶盘结构或鼓筒轴进行角向位置优化的方法为：

获取带有鼓筒的叶盘结构或鼓筒轴的角向位置调整范围，将角向位置调整范围从小至大调整均匀设置若干个节点，从而先调整角向位置至最小节点，并确定该角向位置下的前后端同轴度；而后再向上增加一个节点，并再次确定该角向位置下的前后端同轴度，直至确定所有节点的前后端同轴度，计算所有剩余平衡量中的最小值，即为叶盘装配后的叶盘组件前后端同轴度最小位置。

6.如权利要求2所述的减小压气机转子旋转惯性激励的控制方法，其特征在于，所述压气机转子组件的剩余不平衡量的控制方法为：在对压气机转子组件进行平衡过程中，仅对后修正面进行修正，压气机转子组件对应的许用剩余平衡量U`的控制标准为

后修正面对应的剩余平衡量

的控制标准为

其中

U_A为前修正面的动不平衡量。

Images