飞机发动机挠性转子高速动平衡（I）
从事飞机发动机研发、制造和维修的人们对飞机发动机转子高速动平衡问题并不陌生，因为发动机振动是个司空见惯的问题，特别是在发动机组装后试车的时候，每每遇到这个问题总会直觉反应，是不是动平衡没做好？是不是该做高速动平衡？但放眼望去，世界上那些著名的发动机制造大户也都没做高速动平衡啊。于是，还是埋下头来继续面对这个问题的困扰，久而久之，这便成了一个亦真亦幻、似有非有的问题，一个甩不掉又解不开的问题，一个天天碰到却又说不清的问题。今天咱们就来把这个问题捋一捋。
一. 什么叫高速动平衡？
飞机发动机转子转速那么高，动平衡是必须的，这一点谁都清楚，事实上也都是这么做的。为了把平衡精度做的高一点是不是应该把平衡转速提高一些？这个想法也符合逻辑。但现代动平衡测量技术在相对较低的平衡转速就能够满足工程中几乎任何刚性转子的平衡精度要求，进一步提高平衡转速已经没太大的实际意义了。在动平衡技术领域，高速动平衡不是指平衡的转速有多高，而是指对挠性转子进行动平衡，与之相对应的，刚性转子的动平衡通常也叫低速动平衡。目前飞机发动机转子或转子部件所做的动平衡基本上都是低速动平衡。
挠性转子是指其工作转速接近或高于其第一阶弯曲临界转速的转子。实际中转子都是支承在一定的支承结构上运转的，转子的临界转速都是指转子在工作支承条件下表现出来的临界转速。也就是说，临界转速不仅与转子本身的刚度有关，还与支承刚度有关。对于通用机械中的大部分转子，说工作转速接近或高于一阶临界转速的就叫挠性转子没大毛病，不必刻意区分该阶临界转速是由于支承结构弹性变形还是转子弯曲变形，但对于飞机发动机转子则要特别强调“弯曲”二字，因为在航空发动机设计中往往配有弹性支承装置，低阶的临界转速主要是由于弹性支承的低刚度而形成的，此时转子本身并没有明显的变形，仍处于刚性状态。对于这类振动问题，对转子进行低速平衡就能搞定。而在工作转速范围内一旦存在有转子弯曲变形的临界转速，该转子就是挠性转子了，理想条件下就应该进行高速动平衡。
二. 飞机发动机转子是刚性的还是挠性的？
这个问题不能一概而论，把话说的太绝对，需要对不同的发动机进行具体分析，一旦这个发动机设计制造完成了，其转子是刚性的还是挠性的就确定了。但泛泛而论，对于现代双转子发动机，低压转子大部分属于挠性转子，高压转子中相当一部分也是挠性转子。
低压转子通常是一根细长轴连接前端的风扇和后端的动力涡轮，这根轴又细又长，想把它设计成刚性的几乎是不大可能的。即便轴本身是刚性的，装上涡轮和风扇以后形成的转子也极大可能成为挠性转子。高压转子工作转速更高，按理说成为挠性转子的可能性也更高，但实际中是刚性的还是挠性的需要具体分析。高压转子可通过采用鼓筒结构提高转子的弯曲刚度，以提高弯曲临界转速，还可为其配置弹性支承，使前两阶临界转速为刚体振型临界转速，而把弯曲振型的临界转速推向更高，高于最高工作转速该转子就不属于挠性转子了。但有些高压转子即使这样设计，弯曲振型对应的临界转速仍有可能落在最高工作转速范围以内，它就属于挠性转子了。还有些高压转子，如轮盘之间靠端齿定心和传扭，由中心拉杆拉紧，靠端齿之间的接触压应力形成转子的弯曲刚度，本来设计的弯曲临界转速高于最高工作转速，二者之间是有一定的转速裕度的，但由于工作载荷中的轴向力，和高速旋转时轮盘径向膨胀轴向缩短的效应，会产生转子的弯曲刚度部分损失，弯曲临界转速下降，转速裕度就不够了，再把这样的转子当成刚性转子就不合适了。
下面看两个例子。下图1是美国F119涡扇发动机低压转子弯曲振型图，它对应临界转速13486转/分，低于其最高工作转速，是典型的挠性转子。
图1 F119发动机低压转子弯曲振型
下图2是美国T700涡轴发动机高压转子前三阶振型图，对应三阶临界转速分别为5852、7920和27580转/分。其中第一阶和第二阶振型几乎是直线，变形发生在两端的弹性支承，转子没有弯曲变形，属于刚体振型。对付这两阶振动对转子进行低速平衡就可以。第三阶是转子弯曲变形，对应临界转速在转子的最高工作转速之内，因此该转子是挠性的，需要做高速动平衡才能抑制其振动。
图2 T700发动机高压转子三阶振型
该发动机的低压涡轮轴又细又长，弯曲刚度非常低，在工作转速范围内有两阶弯曲振型（图略），也属于挠性转子，当然也需要高速动平衡。
三. 实践中是怎么对付挠性转子问题的？
前面说了，解决挠性转子的动平衡问题理想的办法是做高速动平衡，但现实很扎心，在航空发动机领域，大多数挠性转子都没做过高速动平衡，因为没有合适的高速动平衡机。这个问题说来话长，留待以后慢慢道来。
不做高速动平衡，那实践中是怎么对付挠性转子问题的？无非是把能用的招数都用上，其余的就凭运气了，碰到问题就只能面对，历尽曲折去解决，包括但不限于以下这些办法：
第一，首先进行较为精确的转子动力学设计，使各阶临界转速（这里也包括刚体振型对应的临界转速）远离发动机典型工况时的工作转速，远离的程度也称转速裕度，一般不低于20%。也就是说发动机可以穿越临界转速但不要在临界转速附近稳速工作。为了顺利穿越临界转速，支承系统中通常还配备挤压油膜阻尼器，抑制过临界转速时的振动。飞机发动机结构复杂，其动力学设计是个大课题，有许多专家学者从事这方面的研究工作。但有些情况还是达不到所要求的转速裕度，比如战斗机的发动机，其工况远不是低速滑行和高速追击这样简单的两种典型工况，实际工况非常复杂，要想都避开各转子的各阶临界转速并不容易，即使能避开，也需要频繁地反复穿越。针对这类情况有专家提出“可容模态”的概念，允许发动机在临界转速附近运转或频繁穿越，但要把各阶临界转速分布优化好，尤其是阻尼器的阻尼系数设计好。
转速裕度原则并不是飞机发动机动力学设计所专有，而是工程中一般性的原则，其它旋转机械也都有这样的设计要求。这样的设计并不减低转子动平衡（包括低速和高速动平衡）的重要性，电力工业的汽轮机、燃气轮机、发电机、通用机械工业的各种压缩机等，大都是挠性转子，都有转速裕度要求，同时都必须做高速动平衡。飞机发动机也是同样道理，特别是可容模态概念的提出，对平衡的精度提出了更高的要求。
第二，新机型都要做不平衡响应的分析和试验，比如模拟叶片丢失等突加不平衡量情况，测量发动机各相关部位的振动，确保不会发生危及整机安全的振动。也就是说发动机振动对某种不平衡量敏感度应该低一些才好，这从另一个角度讲也意味着在发动机制造过程中对此种不平衡量的要求也可宽容一些。这当然是安全底线性质的要求，而不是运行状态更好方面的追求。
第三，严格的低速动平衡精度要求、配合公差要求和装配工艺要求。飞机发动机转子上每个旋转零部件都要做动平衡，而且通常比其它类型的机械要求的平衡精度高；零件组装时相互配合的部位公差要求严格，尽量减少装配误差产生的不平衡量；装配前检查哪些尺寸公差、装配过程中哪一步需要做平衡以及不平衡在哪个平面上校正，都有严格的要求。经过一道道工序上的严格控制，转子上最终的不平衡量的大小以及不平衡量在转子上的分布都得到有效控制，这对挠性转子的平衡状态是有利的，即使存在能激起弯曲振型的模态不平衡量，但也不至于过大。
第四，发动机出厂前都要做整机试运转检验，即通常所说的工厂试车和检验试车，发动机大修也都有试车要求，有振动问题的话都必须在厂内解决。这是非常关键的一步，也是非常困难的一步。试车运转可以发现各种问题，其中振动问题占相当大的比重。对于振动问题就要根据积累的经验和振动信号分析找出原因，如果基频成分大则指向转子动平衡问题。有些问题现场就可以处理，比如风扇不平衡，用现场平衡的方法就可以测量和校正，有些问题则不得不拆解发动机检查，重新做平衡，重新组装，重新试车运转，直至合格。这往往是一项令人恼火的工作，有时需要反复几次，有时拆解后并未发现明显的不平衡问题，重新组装后就好了。
还有其它一些措施，甚至包括一些过度严格必要性不大的措施，来保证发动机振动降低，但往往都回避了挠性转子高速动平衡措施。不是不想做，而是目前没办法做。
四. 理论上仅做低速平衡能解决挠性转子高速动平衡问题吗？
这个问题不能一概而论，有些转子的确是可以的。国际标准《ISO21940-12挠性转子机械平衡的方法和准则》中对挠性转子进行了分类，并对哪一类挠性转子可用怎样的低速平衡方法解决挠性转子的平衡问题给予了分条目叙述，然而遗憾的是现代双转子或三转子航空发动机的高压或低压转子与该标准中列出的几类转子基本上都不符合，因此很难据此标准得出结论说，低速平衡方法能够解决航空发动机挠性转子的平衡问题。
比如，从外形上看发动机高压转子与标准中列出的下图3这类转子很相似，其特征是有两个以上的轮盘组成，全部是可拆卸的（除一个之外），该类型挠性转子可通过下述方法做低速平衡来保证在整个转速范围内都是平衡的，即达到了高速平衡的效果：1）装配前单个部件都平衡过，装配后再做双面平衡；或2）先平衡轴，然后每装上一个盘就平衡一次，不平衡量在新装上的这个盘上校正。
图3 国际标准中的第1.1类挠性转子
标准中所说的该类转子实际上已确定有一根轴，旋转轴线是确定的，各轮盘都是安装在这根轴上的，这与发动机高压转子在结构上有很大区别。发动机高压转子通常是盘鼓结构的，如下图4。涡轮和压气机之间的鼓筒轴靠一圈短螺栓（或其它结构）连接实现相互定位，再通过短螺栓把压气机前轴颈和涡轮后轴颈都组装好以后，转子的旋转轴线才得以确定。该轴线与此前单个轮盘做平衡时的旋转轴线并不重合，因此不能借用国际标准对这类转子推荐的低速平衡的方法得出挠性的发动机高压转子可以仅做低速平衡的结论。
图4 飞机发动机中典型的高压转子结构
挠性低压转子情况也类似，难以确认仅做低速平衡就能保证整个转速范围平稳运转的结论。
五. 不做高速动平衡会带来怎样的后果？
简单地讲就是振动大，特别是在某些特定的转速上振动大，高速时振动大，而且难以消除。这一点搞发动机试车运转工作的人体会最深，也最有发言权。
下面通过一篇文献中讲述的一个实际案例来简单说明一下。下图5为美国的某型号涡扇发动机的一个振动信号。该发动机已在飞机上服役，但振动非常大，引起机舱内的噪声也非常大，经过在飞机上和试验台架上反复测试分析，找到了许多复杂的问题，本文这里只摘取与挠性转子高速动平衡有关的一点内容。测试数据表明振动过大发生在6500转/分和7800转/分左右，经计算分析发现低压转子的弯曲临界转速在这两个转速附近，第三阶临界转速为6535转/分，该阶振型图如下图6。第四阶临界转速为7945转/分，振型图如下图7。
图5 振动随转速的变化
图6 第3阶振型
图7 第4阶振型
从振型图上可见，在涡轮这一端轴的转角变形非常大，这就意味着涡轮处的偶不平衡量对该阶振型的激励作用最大。偶不平衡量的可能来源有两个，一是三个涡轮盘组合体上存在偶不平衡，它需要在两个平面上校正；二是涡轮盘在轴上的安装存在角度不同轴度误差，比如配合端面有轴向跳动。也可能是两者都有一些，安装后相互叠加了。对于这种情况发动机只能返厂维修，无法通过现场动平衡解决。
激起该阶振型还有第三个可能的不平衡来源，就是轴上的不平衡量。单独的轴本身可能是刚性转子，在工作转速内没有临界转速，在制造过程中仅做了低速平衡，但装上涡轮和风扇以后它就是挠性转子的一部分了，弯曲振型能被激励出来，轴上的模态不平衡量就会也起激励作用。
因此，涡轮上的偶不平衡量、轴上的模态不平衡量、装配面轴向跳动误差引起的偶不平衡量，都有各自的大小和相位，组装在一起就有无穷多个组合，最后，能激起该阶振型的不平衡量是多大便不可预知了。
此例还可见，虽然风扇转子、涡轮转子和传动轴本身都是刚性转子，但组装在一起就形成了挠性转子，这一点容易在低速平衡过程所迷惑和误导。这就是发动机挠性转子高速动平衡问题的魔幻之处，解决这种问题的最后把关之道就是对组装好以后转子进行高速动平衡。
六. 结语
航空发动机中有挠性转子，高速动平衡问题就是一个客观存在，需要我们去正视它，解决它。衡超公司愿与航空发动机领域的专家们共同努力去攻克这一难题，让每个飞上天的挠性转子都是经过高速动平衡的。
