某微型发动机转子高速动平衡试验研究

某微型发动机转子高速动平衡试验研究 西北工业大学杨秉玉杜生广戚先萍 摘要 介绍了某微型发动机转子在高速动平衡试验台上 ,在一阶临界转速附近进行柔性转 动平衡的 、步骤 。介绍了临界转速及平衡转速确定的方法和结果 。高速转子动平衡结 明 ,在平衡转速下 ,使转子达到了较高的平衡精度 ,振幅明显下降 ,能安全越过临界转速 , 降低了转子传给发动机机匣的振动和减少了轴承负荷 。 关键词 柔性转子 三矢法 动平衡 传递矩阵法 1 引言图如图 1 所示 ,可控硅 、直流电机 、变 速器和传动座固定 在一个大水泥台 某微型发动机在动平衡机床上进行刚性; 支架则匣的发动机转子装在支架上 转子动平衡 , 平衡转速为 1800r/ min , 平衡精 平台上 ;平台通过 4 个自动校准减振度为 0 . 5g. cm 。由于存在残余不平衡量 , 在 承在专用的钢架上 。设备出口转接临界转速处会出现振型放大 ,致使叶片与机 机转子联轴器间采用尼龙绳联接 ,因匣可能相碰 ,传给发动机振动可能过大 ,因此 效果比较好 。测试仪器采用由西德有必要在一阶临界转速附近进行柔性转子平 度可达微米级的 M497 测振仪 ,直接 衡 ,这方面的试验研究在国内报道较少 。本 文介绍了图 1 所示转子高速动平衡方法步骤 振幅 、不平衡重点相位角和转速 。并与效果 。为了提高柔性转子平衡精度 , 在高 算机打印幅频 、相频特性曲线 。速动平衡试验台上尽量模仿试车台上的支承 条件 。采用理论计算与实验相结合的方法确 3 高速动平衡的方法和步骤定转子的一阶临界转速 。首先通过锤击试验 确定转子一阶横向振动固有频率 ,然后通过 计算确定支承刚度并预估一阶临界转 柔性转子平衡方法基本上可分速 ,最后在动平衡现场由幅频 、相幅特性曲线 衡法和影响系数法 。本文采用振型 确定一阶临界转速 ,在此基础上确定平衡转 在接近一阶临界转速的一个安全转速 ,并在高速动平衡台上进行柔性转子平衡 。 衡 ,修正面为涡轮盘最大直径平面 ,采 的方法作为试加配重 。为了提高平 减少平衡时的开车次数 , 采用三矢 以测定主轴法兰边水平振动位移为 2 高速动平衡设备与测试框图简介 矢量图 。一般说来 ,挠性转子的平衡 规定在指定转速下 。测点上允许的 87 Hz ,见图 2 。以一阶横向振动固有频率为依 据 ,用试凑法确定转子支承刚度 ,用传递矩振 3 法计算一阶横向振动固有频率和一阶临界 转速及一阶振型 ,由此得到一阶临界转速的 计算值 n。一阶临界转速和一阶横向振动 cr 固有频率计算值与试验值比较列于表 1 。 图 1 动平衡设备仪器测试框图 面上残余不平衡量尽量小 ,以保证发动机转 子在试车台架上平稳地越过一阶临界转速 , 并保证由转子的剩余不平衡量所引起传给发 1 ,2 动机机匣的振动不超过允许值。 高速动平衡的步骤如下 : ()1 录下转子在 7000r/ min 以下的幅 频 、相频特性曲线 ,确定一阶临界转速和平衡 锤击盘 、测盘垂直位移 图 2 转速 。 ()2 将转子升速至平衡转速 ,测量 读数 ,包括主轴法兰边上水平振动位移 、压气 机机匣水平振动加速度 、压气机机匣垂直加 速度 。 ()3 在涡轮盘修正面处外缘加一试重 , 在平衡转速下记录各点读数 。 ()4 作三矢图 ,算出第一阶振型不平衡 量 ,并在涡轮上加蜡 ,以校正第一阶振型不平 衡量 ,直至测点振动位移尽量小 。 ()5 去蜡 , 在修正面外缘重点处去材 料 ,多次开车检验直至满足平衡要求 ,并检查 平衡精度的重复性 。 4 发动机转子在高速动平衡试验台上的临 界转速和平衡转速 开车前 ,用锤击法锤击涡轮盘 ,录取涡轮 盘水平和垂直方向位移的振动信号进行频谱 表 1 某微型发动机振动计算值与实验值比较) ( 为 1 . 11 即 m ? m,这个比值反映 1 类别 ( )( )力矩对转子振动的影响 。由此可见nr/ min pr/ min n/ pσσcr1 cr1 1 1 确定临界转速是可靠的 。平衡转速 试验值 5525 4980 1. 109 临界转速的 90 %处 ,即 4700r/ min 。 计算值 5508 4947. 4 1. 1 5 发动机转子高速动平衡效果 录下 7000r/ min 以下的水平方向的幅频 、相频( ) 特性曲线 图 3, 由图可见 , n= 5270r/ min 1 去材料平衡后幅频 、相频特性线为一阶临界转速 。加蜡平衡后录下了幅频 、 2 。由图 5 可见 , 在平平衡效果见表 () 相频特性线 图 4,由图可见 , n= 5780r/ min 2 下 ,振幅大幅度下降 ,在各转速下振( ) 亦为临界转速 。具有两个临界转速 一阶, 显的下降 。在达到最终平衡状态下 是由于支承在水平方向和垂直方向的刚性及 料 2 . 5g 。在 4700r/ min 下 ,平衡前涡 参振质量不同所造成的 。 面处 ,原始不平衡量为 18 . 25g. cm 。) ( 取 n= n+ n/ 2 为实验值列入表 1 。0 1 2 后残余不平衡量为 2 . 5g. cm 。去材料由表 1 可见 ,实验值与计算值吻合较好 。一 衡后 ,残余不平衡量为 1 . 75g. cm 。在阶临界转速与一阶横向振动固有频率之比均 () 3 平衡后 ,二次开车测得平衡转速下振幅均为在高速动平衡台上和试车台架上 0 . 005mm 。次日再次开车时为 0 . 007mm ,表明 动力特性仍会有差异 ,但一阶振型基本相同 ,高速动平衡精度重复性好 。 因此在高速动平衡台上平衡后 ,在试车台架 上顺利通过一阶临界转速 。 表 2 某微型发动机平衡前后振幅值比较() 4 本动平衡设备隔振效果较好 、测试 发动机转速 系统精度高 、动平衡方法比较先进 、支架4300 4700 4900 5270 5780 6020 比较合理等 ,使动平衡效果较好 。 ( ) r/ min 致谢 :参加本试验研究项目的工作人员 ()平衡前 mm 0. 06 0. 073 0. 075 0. 0844 0. 075 还有 : 王茉瑚 , 胡璧刚 , 任平珍 , 刘德馨等同 去材料平衡后0. 02 0. 007 0. 025 0. 025 0. 063 志 。 () mm 参 考 文 献 6 结论 1 挠性转子的机械平衡. ISO5406 - 1980 ,沈阳鼓风() 1 由计算与试验相结合确定临界转机厂出版社 ,1980 速这种方法可靠 。2 挠性转子平衡的评定准则. ISO5340 - 1983 ,沈阳 鼓风机厂出版社 ,1980 ()2 发动机转子虽经过低速平衡 ,但在3 Ц. B. 赫洛宁著 , 晏砺堂等译. 航空发动机振动理 一阶临界转速附近 ,不平衡量剧增 ,经柔性转论和计算. 北京 :北京航空学院出版社 ,1979 子平衡后 ,残余不平衡量大为下降 ,表明高速 动平衡效果好 ,而且是必要的 。 () 上接第 10 页 ASME 85 - GT - 35 , 1985 模拟的实验壁温 , 能代表设计状态壁温 。 3 Sturgess G J . Design of Combustor Cooling Slot for High () 4压力 1 . 75 次方燃烧效率准则模拟的实 Film Effectiveness Part ?2Film General Develepwent , 验壁温对设计状态壁温的偏差较大 , 它不能 ASME 85 - GT - 36 , 1985 代表设计状态时的壁温 。 4 鲁钟琪. 流体力学 , 机械工业出版社 , 1979() 5模拟压力最好不要小于三分之一设 5 周慧仙. 燃气涡轮燃烧室模化试验初步分析 , 燃 气轮机燃烧室试验技术专题学术会议论文选集 , 中 计值压力 , 压力若低于 1 MPa 时 , 其实验壁 国工业出版社 , 1965 温应作增加 5 % 以上的修正 。 6 周力行. 雾状液体燃料燃烧室的模化和效率分析 问题 , 燃气轮机燃烧室试验技术专题学术会议论文 选集 , 中国工业出版社 , 1965 参 考 文 献 7 高效节能发动机文集第四分册 , 航空工业出版社 , 1991 1 金如山. 航空燃气燃烧室 , 宇航出版社 , 1988 2 Sturgess G J . Design of Combustor Cooling Slot for High Film Effectiveness Part I2Film General Develepwent ,