采用转子叶片优化排序技术降低涡喷发动机的振动

南京师范大学高尧林罗友美-种利用优化叶片在转子上的初始装配排列顺序减小转子单级初始不平衡量,降低涡轮喷气发动机振动的技术,并在此基础上研制了具有数据采集功能,能迅速完成叶片优化排序的基于单片机的智能仪器一发动机转子叶片微机称重排序仪。

1.不平衡量
转子某平面上不平衡量的量值大小,不涉及不平衡的角度位置。它等于不平衡质量和其质心至转子
轴线的乘积,不平衡量单位是gmm或者gcm,俗称“重径积”。2.不平衡相位
转子某平面上的不平衡质量相对于给定极坐标的角度值。3.不平衡度
转子单位质量的不平衡量,单位是gmm/kg。在静不平衡时相当于转子的质量偏心距,单位为μm。4.初始不平衡量。
平衡前转子上存在的不平衡量。5.许用不平衡量
为保证旋转机械正常工作所允许的转子剩余不平衡量。该指标用不平衡度表示时,称为许用不平衡度。
6.剩余不平衡量 平衡校正后转子上的剩余不平衡量。 7.校正半径
校正平面上校正质量的质心到转子轴线的距离,一般用mm表示。
8.校正平面的干扰
在给定转子某一校正面上不平衡量的变化引起另一校正平面上平衡机指示值的改变
9.转子平衡品质 衡量转子平衡优劣程度的指标。 G=eperω/1000
式中G-转子平衡品质,单位mm/s。从G0.4-G4000分11级。
eper-转子允许的不平衡率gmm/kg或转子质量偏心距μm
ω-相应于转子最高工作转速的角速度=2πn/60≈n/10,n为转子的工作转速r/min
10.转子单位质量的允许不平衡度 eper=G×1000/n/10 单位:gmm/kg或μm
11.最小可达剩余不平衡量
最小可达剩余不平衡量。单位是gmm。其意义是指平衡机能使转子达到的剩余不平衡量的最小值。是衡量平衡机最高平衡能力的性能指标。当该指标用不平衡度表示时,称为最小可达剩余不平衡度。
12.不平衡量减少率
经过一次平衡校正所减少的不平衡量与初始不平衡量之比值。它是衡量平衡机效率的性能指标,以百分数表示:
URR=/U1=×100 式中:U1-初始不平衡量 U2-一次平衡校正后的剩余不平衡量
13.不平衡力偶干扰比 单面平衡机抑止不平衡力偶影响的性能指标。
转子单位质量的不平衡量,单位是gmm/kg。在静不平衡时相当于转子的质量偏心距,单位为μm。
14.校验转子
为校验平衡机性能而设计的刚性转子。其质量、大小、尺寸均有规定,分立式和卧式两种。立式转子质量为1.1、3.5、11、35、110
kg。卧式转子质量为0.5、1.6、5、16、50、160、500kg(end)

排序动平衡减振航空涡轮喷气发动机转子是在高转速、大负荷下运行的,由转轴、轮盘与装配在轮盘上数目众多的转子叶片所组成的复杂机件。

在转子加工、装配过程中,由于材料质量的不均匀性、尺寸允差以及零件间的装配误差,转轴、轮盘组件不可避免地存在实际质心偏离转子回转中心的现象。

由于同样的原因,各个转子叶片的质量和质心高度也存在一定的差异,当叶片装配到转子上时,给转子增加了新的质心偏移,转子旋转时在旋转中心的两侧出现不相等的离心力,造成转子的振动,这种现象称之为不平衡。

转子不平衡对于在高转速下工作的航空涡轮喷气发动机危害极大。转子的剧烈振动,使轴承承受过大的载荷。振动还会通过支承传递给飞机发动机机匣,引起发动机整机振动。当振动值超过一定范围时,振动不仅会引发飞机、发动机机件紧固件的松脱,使连接失效,而且还会诱发各受力零、机件的疲劳损伤,乃至于疲劳断裂,直接影响飞机、发动机的工作可靠性和使用寿命。

因此,航空涡轮喷气发动机转子必须进行严格的平衡,通过平衡调整转子的质量分布,将振动控制在允许范围之内。

1航空涡轮喷气发动机转子平衡现状现代航空涡轮喷气发动机转子大多在刚体临界转速以上工作,一般应归入柔性转子范畴,采用柔性转子平衡技术进行平衡。

20世纪50年代末以来,作为转子动力学的一个主要研究方向,柔性转子平衡的理论和方法得到了迅速发展并日趋完善。柔性转子的平衡方法基本上可以归纳为模态平衡法、影响系数法以及把这两类方法相结合而发展起来的混合平衡法和振型圆平衡法,这些方法一般都是多平面多转速平衡方法。

转子平衡一般是在本机外进行的,转子的平衡环境、安装条件和平衡转速与实际工作时存在较大的差异,而且,平衡好的转子受分解和再装配的影响,装机后转子的平衡状态也会受到某种程度的破坏,难以确保原有的平衡精度。为了解决这个问题,出现了在发动机实际安装条件下进行平衡的本机全速平衡法,转子平衡好以后不需要进行再分解和再装配,因此可以获得较高的平衡精度。然而,国内现有航空涡轮喷气发动机的结构形式以及现有动平衡设备的条件限制了这些先进技术的使用。目前国内航空行业所使用的动平衡设备大多是只适用于刚性转子平衡的低速动平衡机,无法采用柔性转子平衡技术。

现有航空涡轮喷气发动机由于结构形式的限制,在转子上没有提供足够多的加重校正平面,也限制了柔性转子平衡技术的应用。由于在结构上现有航空涡轮喷气发动机没有设置供安装测量转子挠度的整体式近抵探针的工艺口和供平衡时在校正平面上调整平衡配重的工艺口,也限制了本机全速平衡法的使用。

因此,国内航空涡轮喷气发动机转子基本上还是在低速动平衡机上采用刚性转子平衡技术进行平衡的。所以,尽管已经把转子动平衡的合格标准控制在相当低的数值水平上,发动机振动偏大的故障仍然时有发生。

2叶片优化排序技术的应用如前所述,航空涡轮喷气发动机转子质心相对于旋转轴线的偏移,是由转轴、轮盘组件的偏心与装配在轮盘上的转子叶片组的质量分布偏心叠加而成的,那么就有可能选择叶片排布方式,改变叶片组的质量分布,以叶片组的质量分布对转轴、轮盘组件的偏心进行补偿。在工厂早已采用调换较重叶片来补偿轮盘轻点的方法,实践证明是有效的。

基于这一设想,本文提出一种利用优化叶片在转子上装配排列次序来减少转子单级装配初始不平衡量的技术并为此研制了具有叶片质量数据采集功能,能迅速完成叶片优化排序运算的微机系统()该系统称之为发动机转子叶片微机称重排序仪1〕所谓叶片优化排序就是通过优化技术确定最佳的叶片排列顺序,把单级叶片组质量分布的偏心或质量矩矢量和的绝对值控制在规定的量值范围内。

发动机转子叶片微机称重排序仪由主机、打印机、电子天平、叶片挑选器以及其他外围设备组成。在操作使用中,主机自动采集电子天平所称得的叶片质量数据,按照事先设定的级残余不平衡量的合格标准,对叶片在转子级上的装配排列顺序进行优化计算,然后,通过安装在叶片挑选器上的指示灯,提示操作者按照运算所得的优化顺序,逐一取出叶片以备装配,如果需要还可以打印出叶片质量数据和排序计算结果,供校验和存档。

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