■ 唐敏杰 陈永澎 柴开通 李汉青 尹刚/ 成都航利（集团）实业有限公司 成都市新兴机械有限公司

作为一种高度复杂和精密的热力机械，航空发动机任何零部件的异常现象都将直接影响其性能和安全，其中高压压气机转子和高压涡轮转子部件运行稳定性影响尤为突出。在高压压气机转子和高压涡轮转子进入发动机传动装配前，先后要进行两个状态的检查确认。一是转子单元体零部件的装配：通过各装配阶段的形位检查和模拟仿真，控制转子的整体形位状态和刚度。二是转子单元体的平衡：通过模拟转子与对象转子进行装配，在平衡机900～1000r/min的转速下，模拟对象转子的实际工作状态。当装配之后的形位状态和转子不平衡量满足控制要求后，高压压气机转子和高压涡轮转子才能进入发动机传动部件的装配工序。

目前，结合发动机试车情况和振动曲线分析，发现转子单元体振动数值超标，产生超标的最可能原因是转子平衡状态失稳。但查看转子原始平衡数据，发现相关结果符合控制要求，故怀疑平衡结果存在失真现象。本文从保证平衡结果的真实性出发，聚焦平衡工序的模拟转子状态对平衡结果以及试车情况的影响，分析现有模拟转子的状态，制订检修标准和新模拟转子的制造标准，以提高模拟转子的稳定性，从而保证平衡结果的真实性。

所谓模拟转子，就是一种平衡工装，用来与被平衡对象转子组成一个平衡系统，可以模拟对象转子装配到发动机上的实际不平衡状况。所以，模拟转子就是模拟与被平衡对象转子相配的实际转子的结构，与被平衡对象转子组成真实的平衡系统，其与被模拟转子的结构、质量特性等效。对于航空发动机，高压压气机转子平衡要用到“高压涡轮模拟转子”，高压涡轮转子平衡要用到“高压压气机模拟转子”，装配示意图如图1所示。为了方便进行模拟转子状态分析，特将其编号为1号、2号、3号等。

图1 模拟转子示意图

选取两台航空发动机修理过程中出现一次试车不振动、二次试车发动机高压压气机转子振动的情况，对高压压气机转子平衡前后数据进行收集，如表1所示，两台发动机高压压气机转子都呈现了前后四、九级初始不平衡量异常变化的情况，且都符合初始不平衡量控制标准。

表1 一、二次试车情况对比

选取两台高压压气机进行模拟转子状态评估试验，如表2所示。

表2 模拟转子对比试验

3号高压压气机转子在一次试车前使用3号高压涡轮模拟转子进行了平衡工作，初始不平衡量符合控制标准，试车无振动故障。但在一次试车后，分别使用1号和3号高压涡轮模拟转子进行原位平衡检查发现，平衡结果与一次试车前的平衡结果有较大差异，四、九级初始不平衡量的大小、角度都发生了没有规律的变化，同时1号与3号高压涡轮模拟转子的平衡结果也无法对应。

4号高压压气机转子在工试前使用1号高压涡轮模拟转子完成平衡工作，四、九级初始不平衡量符合控制标准，但在试车过程中发生振动。同样，分别使用1号与3号高压涡轮模拟转子进行平衡检验，也出现了平衡数据无法对应的情况。

综上所述，推断1号和3号高压涡轮模拟转子状态已经失稳。又由于模拟转子在验收过程中采用的是互平转位法进行的平衡验收，故高压压气机模拟转子状态有可能是失稳的。

为了实现单元体转子的互换性，高压压气机转子和高压涡轮转子均采用分别与模拟转子单独平衡的平衡工艺，即用模拟转子替代真实转子与另一转子组装后进行动平衡。模拟转子的重心位置、转动惯量、质量、配合尺寸、支撑跨距等关键参数与被模拟转子的参数理论值保持一致[1-3]。产品转子和模拟转子组合后进行转位平衡，主要是控制转子的初始不平衡量，如超出控制范围，将返装配工序进行分解检查。高压压气机转子和高压涡轮转子分别与各自对应的模拟转子单独平衡后，直接进入发动机传动装配工序。同时，为实现模拟转子的作用，需要在结构上进行仔细设计，满足几个关键结构参数；
制造中严格满足精度要求；
使用操作中也有一些特别注意事项。这三方面只有全部做到，才能体现出模拟转子及平衡工序的实际价值，否则将产生虚假的平衡结果，反倒不如传统的高压压气机转子和高压涡轮转子直接组合平衡更稳妥。现根据目前使用情况，对以上三个方面中的不足之处进行分析，找出模拟转子故障的真正原因，以便采取针对性措施。

2.1 模拟转子结构特点的影响

由于模拟转子的参数应尽可能与被模拟转子的参数一致，在讨论过程中，需保证支撑跨距、质量、中心位置、转动惯量和标准一致，所以主要研究结构特点对模拟转子状态的影响。根据上述模拟转子的使用情况，对3号故障模拟转子（3号高压涡轮模拟转子与3号高压压气机模拟转子）进行了全方位的检查。在平衡转位检查中，3号高压压气机模拟转子的不平衡量异常，如表3所示，与平衡验收标准不符。将3号高压涡轮模拟转子与另外一个新的高压压气机模拟转子进行组合平衡检查，平衡结果符合平衡验收标准，如表4所示。检查后续3号高压涡轮模拟转子在平衡过程中的工装转位倍数，平均值为12，符合使用要求（工装转位倍数超过20，平衡机将提示平衡结果失真）。检修前故障异常发动机的平衡工装转位倍数平均值为21。

表3 3号故障高压压气机模拟转子转位平衡检查

表4 3号故障高压涡轮模拟转子转位平衡检查

对3号高压压气机模拟转子的形位状态进行检查，发现其形位状态发生了不可逆的变化。进一步分析造成变化的原因是高压压气机模拟转子三段结构鼓筒连接采用的是焊接工艺，焊接后形变量较难控制，难以修复；
目前使用的材料为20钢，该材料的力学性能一般，在长期高转速使用条件下易形变；
鼓筒内部阶梯结构和焊接形变也可能造成模拟转子质量分布不均。为消除以上缺陷和风险，将高压压气机模拟转子中心鼓筒的三段结构改为一体结构，同时利用UG仿真软件保证其重心、转动惯量符合标准，更改示意图如图2所示。同时，将材质更改为42CrMo合金钢，保证其强度。

图2 高压压气机模拟转子更改示意图

2.2 模拟转子尺寸配合的影响

由工装图纸得知，当前模拟转子之间的配合范围为-0.14～-0.072mm，选择过盈配合-0.086mm进行接触应力仿真分析，得到高压压气机模拟转子和高压涡轮模拟转子的形变结果，在较大的过盈量装配环境下，高压压气机模拟转子和高压涡轮模拟转子均发生形变，且高压涡轮模拟转子形变位置不可控，如图3所示。因此，需要制订合理的配合范围。

图3 模拟转子接触形变示意图

查阅产品图纸，高压压气机转子和高压涡轮转子的配合范围为-0.14～-0.051mm，配合范围分布如图4所示。同时对30组高压涡轮转子和高压压气机转子的配合数据进行正态分布分析，得出其配合数据主要集中在-0.109～-0.073mm。

图4 模拟转子配合尺寸分布图

结合之前模拟转子的配合选择是按照下限控制的，可以推断出模拟转子配合过盈量过大造成组合装配后其整体形位状态差，致使模拟转子互平衡结果失真。在调整高压涡轮模拟转子止口尺寸后，故障消除。

考虑到模拟转子形位状态要高于产品形位状态，为保证产品与模拟转子装配之后，止口与端面能够尽可能贴合，最大限度地模拟转子工作运转的真实状态，决定模拟转子在制造时的配合范围按照-0.109～-0.051mm控制，且尽可能接近上限。

通过分析和结合现场实际经验，某型航空发动机模拟转子制造和检修时需要按照以下标准执行：

1）高压压气机模拟转子和高压涡轮模拟转子的形位状态在满足各自图纸要求的同时，还要满足组合转位检查要求；

2）高压压气机模拟转子的鼓筒结构必须按照一体结构制造，不允许焊接，且将材料更改为42CrMo合金钢；

3）模拟转子之间的配合范围按照-0.109～-0.051mm控制，且尽可能接近上限；

4）完成验收平衡后，跟踪5台产品的转子平衡情况，工装转位倍数不能超过15；

5）根据现场平衡机数量，增加模拟转子数量，保证每季度对模拟转子进行组合形位检查。

基于上述标准，对4号模拟转子进行检修，除高压压气机模拟转子依然是老结构外，其余按最新标准进行检修，具体数据如表5所示。4号模拟转子的组合形位状态稳定，按照新的标准完成了检修工作，验收平衡数据符合标准，工装转位倍数符合使用要求。同时，后续跟踪使用4号模拟转子进行平衡的5台发动机试车情况，均无振动故障。

表5 4号高压压气机模拟转子与高压涡轮模拟转子组合平衡检查

平衡工序是刚性转子在进行发动机传动装配前的最后一道检测工序，反映了刚性转子在模拟工作环境下的真实工作状态，模拟转子作为精密工装起到了决定性作用。本文通过对某型航空发动机平衡模拟转子制造和检修控制标准的研究，制订了新的控制标准，初步解决了现场模拟转子状态失控问题，保证了发动机转子平衡工序数据的准确性和真实性，提高了发动机的试车合格率，并为后期模拟转子持续优化工作提供了思路。

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