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[摘 要]航空发动机压气机转子、涡轮转子、动力涡轮转子等转动件的平衡在发动机研制中占重要地位。对转子进行严格的平衡，是降低发动机振动、提高发动机使用安全性、可靠性、寿命和效率的最重要措施之一。
[关键词]发动机 高速转子 平衡方法
中图分类号：TU153 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）42-0055-01
一、高速转子平衡技术研究的意义
航空发动机压气机转子、涡轮转子、动力涡旋转机械零件的运转状况，将影响到整个机械工作的效率和效益。转子振动、磨损、断裂等问题在旋转机械工作过程中随时可能发生。通常，把旋转机械振动问题分为不平衡、不对中、挠性变形等，其中转子不平衡占其主导因素。在机械旋转部件转速不断提高和机械工业发展的情况下，转子动平衡是为了降低噪声和振动发展超来的一项技术。
在现代化工业生产旋转设备中，转子向长径比变大和柔性化方向发展，大部分转子都工作在其一临界弯曲形时就有不对称等因素。在机械零部件工作运转时，转子上面各个质量点产生的离心惯性力经过其轴承作用到机器及地基从而导致整个机械出现振动和噪音。轴承磨损加快，机械寿命变短，甚至会出现严重性灾难事故。例如现代航空涡轮轴发动机转子工作在十万RPM以上，远远超过其第二阶临界弯曲转速，属于挠性转子。如果柔性转子在升速中所存在动不平衡量较大，不能保证其能否顺利通过临界转速，也就不能保证机械的正常工作，如果我们此时采用低速转子平衡而不能像刚性转子能在整个工作转速范围内平衡，这就是高速动平衡与低速动平衡存在的本质性差异。因此，高速转子动平衡需要在多个转速对转子进行平衡。
二、航空发动机高速转子平衡方法
（一）静平衡
平衡有静平衡和动平衡之分，一般当转子外径D与其长度L满足D/L大于5时，不论其工作转速高低都只需进行静平衡。对压气机轮盘、轴等轴向尺寸相对小的旋转零件，早期的发动机在静平衡架上进行静平衡。转子重量G及重心与旋转轴的轴心偏心距e的乘积，即：G·e称为静不平衡度。在转子半径r处增加重量Gb或同侧减去重量Gb，使G·e=Gb·r，则可达到平衡。由于单盘静平衡误差大，近期的发动机大多在静平衡机上对转子轮盘等旋转件进行静平衡测试。现代的静平衡机上由于运用了电子平衡系统，精度有所提高。
（二）动平衡
通常，当转子长度L大于或等于其半径D时，中要它的转速大于1000rpm，均要进行动平衡。
1、刚性转子的平衡
按照ISO1925年规定，凡可在两个校正平面上进行校正，并且校正后在任意转速直到最高工作转速，它的不平衡量不会明显超过平衡允差，其中转子运行条件近于最后支承系统的条件，这样的转子可视为刚性转子。它的特点是：在平衡机上的支承情况与在工作运转时的支承情况相差不大，转子只需在平衡转速上用两个校正面平衡后就能平衡地运转在工作转速上。对于初始不平衡量很大，旋转时振动过大的转子，在作动平衡之前要先进行单面平衡。这种方法广泛应用于航空发动机涡轮转子的平衡。
近年来，由于动平衡机的进步，测量仪可自动进行平面分离，直接显示出两个平面的不平衡量的大小及方向，所以，刚性转子的平衡技术不再是难题。但是，为使工作顺利进行，必须满足下述条件：即转子轴抗弯刚性强；转子轴上所遗留的弯矩小；发动机起动过程中远离临介转速。
转子上各个部件或零件的不平衡量应尽量在自身上给予平衡校正。这样一方面可以消除旋转时由不平衡离心力与校正量离心力不在同一平面或同一体上而引起的内层力，一方面可降低高速时的振型不平衡量。为消除辅助轴带来的影响，转子上各个部件或零件应尽量安装在本转子轴上给予平衡校正。
2、挠性转子的平衡
挠性转子中，除了力与力偶两个基本不平衡量之外，尚存在3个基本不平衡量—一振型不平衡量。它对转子在临界转速附近所产生的动挠度有直接的作用。对于阻尼系统，型函数具有正交性，因此，各阶段振型不平衡之间也是正交的，于是振型不平衡的校正可以简化。挠性转子动平衡的方法有十余种，基本上可归纳为振型法和影响系数法两大类。
2.1振型分离法振型分离法：概括地说是动平衡方程加矢量平衡法，其优点为：在最高平衡转速上测量试验次数最少；在最高平衡转速上能得到良好的灵敏度；不影响低阶的平衡状态；可能完全凭试验进行。其缺点为：转子—轴承系统阻尼较大时不太有效；要求操作者具有较丰富的经验和知识；一般只能考虑一个或多个测量数据；不容易配备计算机辅助。
2.2影响系数法：在振型法发展的同时，它实质是矢量平衡法的发展。把矢量法从单测点平面扩展到多测点多平面的场合。它的优点是：完全凭试验进行的；两个振型或更多振型是同时进行平衡的；可以采用计算机辅助和自动化；在测量点较多的情况下可以利用最小二乘法；可以利用测量误差补偿优化影响系数；不要求操作者具有丰富的知识。其缺点为：在最高平衡转速上的测量试验次数可能很多；对于较高阶振型的灵敏度不可能很高；要求有早先平衡过的振型数据；如果校正面选用不当，校正量可能大到无法实施的地步。
（三）本机平衡
航空发动机装在台架或装在飞机上，对转子进行平衡称为本机平衡。采用本机平衡，可提高平衡精度，改善转子在实际工作条件下的平衡性能，同时它不需要建立专门的平衡机和有关设备，故日益得到重视和发展。发动机挠性轴的日益增多，尤其是中、小型高速航空发动机，有时工作转速在2一3阶临界转速以上，故挠性转子的平衡问题日益突出，加之影响转子的平衡和振动特性的因素很多，而且平衡转速又很高，所以，挠性转子的平衡以在本机上为宜。航空发动机转子采用本机平衡法，特别是挠性转子采用本机平衡法，由于测量面、平衡面以及测试手段的选取常受到结构上的限制，从而使其面临的问题很多，如何简化，有待解决。下面简单介绍用于航空发动机转子的两种本机平衡法。
1、一次猜试作向量图法
此法是利用有关仪器测出不平衡量及其位置，然后通过若干次调整平衡配重达到平衡。
2、三次猜试作图平衡法（亦称三圆平衡法）
这种方法的优点是只需知道振动的大小，无需测量振动的方向，而且计算、作图也比较简单，其缺点是开车次数多（至少5次）。
本机平衡最早应用于JT3D发动机，后来双分别在CF6—80A、JT9D—7R4、TFE731、RB211—533E4以及CFM56等机上应用。我国核心机压气机盘和涡轮盘也进行过本机平衡，平衡转速为10000rpm，采用三圆平衡法，平衡前加速度值为4.6g，平衡后为1.1g.。
三、平衡的转向、支撑形式、驱动方式
1、平衡转向
转子动平衡时的转动方向主要依据被平衡件的实际结构而定，在模拟平衡过程中，转子需不装叶片进行初平衡，装叶片后再进行终平衡，要按下列原则选择动平衡时的转向。
1.1不带叶片初平衡时的转子，转动方向对动平衡结果无影响，可按需要选取转动方向。
1.2安装叶片后的转子在动平衡时会产生较大的轴向力，该轴向力会对转子平衡精度造成影响，要选用产生较小的轴向力的转动方向进行动平衡，压气机转子一般选用其工作转动方向作为动平衡转子转向。
2、支撑形式与驱动方式选取
2.1支撑形式：卧式动平衡机有3种支撑形式，分别为滚轮支撑、鞍型架支撑和混合支撑。
根据实际被平衡转子的结构及转子的结构，考虑到两支点处的轴颈符合发动机转子工作时支点位置，为了利于装配拆卸，选择了滚轮支撑形式。
2.2驅动方式：卧式动平衡机提供了联轴节、皮带两种驱动方式，考虑到待平衡转子较重，转动惯量较大，利用滚轮支撑形式时皮带驱动易引发转子的轴向窜动，影响平衡精度且升降转速较慢，为此，选择联轴节驱动方式。
参考文献
[1] 廖明夫.涡轴发动机动力涡轮转子高速动平衡技术理论分析与计算[R].株洲：中国航空动力机械研究所，2001.
[关键词]发动机 高速转子 平衡方法
中图分类号：TU153 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）42-0055-01
一、高速转子平衡技术研究的意义
航空发动机压气机转子、涡轮转子、动力涡旋转机械零件的运转状况，将影响到整个机械工作的效率和效益。转子振动、磨损、断裂等问题在旋转机械工作过程中随时可能发生。通常，把旋转机械振动问题分为不平衡、不对中、挠性变形等，其中转子不平衡占其主导因素。在机械旋转部件转速不断提高和机械工业发展的情况下，转子动平衡是为了降低噪声和振动发展超来的一项技术。
在现代化工业生产旋转设备中，转子向长径比变大和柔性化方向发展，大部分转子都工作在其一临界弯曲形时就有不对称等因素。在机械零部件工作运转时，转子上面各个质量点产生的离心惯性力经过其轴承作用到机器及地基从而导致整个机械出现振动和噪音。轴承磨损加快，机械寿命变短，甚至会出现严重性灾难事故。例如现代航空涡轮轴发动机转子工作在十万RPM以上，远远超过其第二阶临界弯曲转速，属于挠性转子。如果柔性转子在升速中所存在动不平衡量较大，不能保证其能否顺利通过临界转速，也就不能保证机械的正常工作，如果我们此时采用低速转子平衡而不能像刚性转子能在整个工作转速范围内平衡，这就是高速动平衡与低速动平衡存在的本质性差异。因此，高速转子动平衡需要在多个转速对转子进行平衡。
二、航空发动机高速转子平衡方法
（一）静平衡
平衡有静平衡和动平衡之分，一般当转子外径D与其长度L满足D/L大于5时，不论其工作转速高低都只需进行静平衡。对压气机轮盘、轴等轴向尺寸相对小的旋转零件，早期的发动机在静平衡架上进行静平衡。转子重量G及重心与旋转轴的轴心偏心距e的乘积，即：G·e称为静不平衡度。在转子半径r处增加重量Gb或同侧减去重量Gb，使G·e=Gb·r，则可达到平衡。由于单盘静平衡误差大，近期的发动机大多在静平衡机上对转子轮盘等旋转件进行静平衡测试。现代的静平衡机上由于运用了电子平衡系统，精度有所提高。
（二）动平衡
通常，当转子长度L大于或等于其半径D时，中要它的转速大于1000rpm，均要进行动平衡。
1、刚性转子的平衡
按照ISO1925年规定，凡可在两个校正平面上进行校正，并且校正后在任意转速直到最高工作转速，它的不平衡量不会明显超过平衡允差，其中转子运行条件近于最后支承系统的条件，这样的转子可视为刚性转子。它的特点是：在平衡机上的支承情况与在工作运转时的支承情况相差不大，转子只需在平衡转速上用两个校正面平衡后就能平衡地运转在工作转速上。对于初始不平衡量很大，旋转时振动过大的转子，在作动平衡之前要先进行单面平衡。这种方法广泛应用于航空发动机涡轮转子的平衡。
近年来，由于动平衡机的进步，测量仪可自动进行平面分离，直接显示出两个平面的不平衡量的大小及方向，所以，刚性转子的平衡技术不再是难题。但是，为使工作顺利进行，必须满足下述条件：即转子轴抗弯刚性强；转子轴上所遗留的弯矩小；发动机起动过程中远离临介转速。
转子上各个部件或零件的不平衡量应尽量在自身上给予平衡校正。这样一方面可以消除旋转时由不平衡离心力与校正量离心力不在同一平面或同一体上而引起的内层力，一方面可降低高速时的振型不平衡量。为消除辅助轴带来的影响，转子上各个部件或零件应尽量安装在本转子轴上给予平衡校正。
2、挠性转子的平衡
挠性转子中，除了力与力偶两个基本不平衡量之外，尚存在3个基本不平衡量—一振型不平衡量。它对转子在临界转速附近所产生的动挠度有直接的作用。对于阻尼系统，型函数具有正交性，因此，各阶段振型不平衡之间也是正交的，于是振型不平衡的校正可以简化。挠性转子动平衡的方法有十余种，基本上可归纳为振型法和影响系数法两大类。
2.1振型分离法振型分离法：概括地说是动平衡方程加矢量平衡法，其优点为：在最高平衡转速上测量试验次数最少；在最高平衡转速上能得到良好的灵敏度；不影响低阶的平衡状态；可能完全凭试验进行。其缺点为：转子—轴承系统阻尼较大时不太有效；要求操作者具有较丰富的经验和知识；一般只能考虑一个或多个测量数据；不容易配备计算机辅助。
2.2影响系数法：在振型法发展的同时，它实质是矢量平衡法的发展。把矢量法从单测点平面扩展到多测点多平面的场合。它的优点是：完全凭试验进行的；两个振型或更多振型是同时进行平衡的；可以采用计算机辅助和自动化；在测量点较多的情况下可以利用最小二乘法；可以利用测量误差补偿优化影响系数；不要求操作者具有丰富的知识。其缺点为：在最高平衡转速上的测量试验次数可能很多；对于较高阶振型的灵敏度不可能很高；要求有早先平衡过的振型数据；如果校正面选用不当，校正量可能大到无法实施的地步。
（三）本机平衡
航空发动机装在台架或装在飞机上，对转子进行平衡称为本机平衡。采用本机平衡，可提高平衡精度，改善转子在实际工作条件下的平衡性能，同时它不需要建立专门的平衡机和有关设备，故日益得到重视和发展。发动机挠性轴的日益增多，尤其是中、小型高速航空发动机，有时工作转速在2一3阶临界转速以上，故挠性转子的平衡问题日益突出，加之影响转子的平衡和振动特性的因素很多，而且平衡转速又很高，所以，挠性转子的平衡以在本机上为宜。航空发动机转子采用本机平衡法，特别是挠性转子采用本机平衡法，由于测量面、平衡面以及测试手段的选取常受到结构上的限制，从而使其面临的问题很多，如何简化，有待解决。下面简单介绍用于航空发动机转子的两种本机平衡法。
1、一次猜试作向量图法
此法是利用有关仪器测出不平衡量及其位置，然后通过若干次调整平衡配重达到平衡。
2、三次猜试作图平衡法（亦称三圆平衡法）
这种方法的优点是只需知道振动的大小，无需测量振动的方向，而且计算、作图也比较简单，其缺点是开车次数多（至少5次）。
本机平衡最早应用于JT3D发动机，后来双分别在CF6—80A、JT9D—7R4、TFE731、RB211—533E4以及CFM56等机上应用。我国核心机压气机盘和涡轮盘也进行过本机平衡，平衡转速为10000rpm，采用三圆平衡法，平衡前加速度值为4.6g，平衡后为1.1g.。
三、平衡的转向、支撑形式、驱动方式
1、平衡转向
转子动平衡时的转动方向主要依据被平衡件的实际结构而定，在模拟平衡过程中，转子需不装叶片进行初平衡，装叶片后再进行终平衡，要按下列原则选择动平衡时的转向。
1.1不带叶片初平衡时的转子，转动方向对动平衡结果无影响，可按需要选取转动方向。
1.2安装叶片后的转子在动平衡时会产生较大的轴向力，该轴向力会对转子平衡精度造成影响，要选用产生较小的轴向力的转动方向进行动平衡，压气机转子一般选用其工作转动方向作为动平衡转子转向。
2、支撑形式与驱动方式选取
2.1支撑形式：卧式动平衡机有3种支撑形式，分别为滚轮支撑、鞍型架支撑和混合支撑。
根据实际被平衡转子的结构及转子的结构，考虑到两支点处的轴颈符合发动机转子工作时支点位置，为了利于装配拆卸，选择了滚轮支撑形式。
2.2驅动方式：卧式动平衡机提供了联轴节、皮带两种驱动方式，考虑到待平衡转子较重，转动惯量较大，利用滚轮支撑形式时皮带驱动易引发转子的轴向窜动，影响平衡精度且升降转速较慢，为此，选择联轴节驱动方式。
参考文献
[1] 廖明夫.涡轴发动机动力涡轮转子高速动平衡技术理论分析与计算[R].株洲：中国航空动力机械研究所，2001.