飞机发动机挠性转子高速动平衡（II）

        前文（I）曾提到，航空发动机领域是有挠性转子的，这些挠性转子是需要做高速动平衡的，但目前没有合适的高速动平衡机，这个现实令人尴尬。今天咱把这个问题再捋一捋。

一、技术层面的问题

在高速旋转机械中挠性转子非常普遍，挠性转子高速动平衡也同样非常普遍，这不是啥新问题，也不是啥特殊问题。电力工业的汽轮机、燃气轮机、发电机、通用工业的各种压缩机，几乎都是挠性转子，其制造厂家及维修服务单位大都配有高速动平衡机，高速动平衡是必须的一道工序。有人将高速动平衡机称为高速旋转机械行业的金刚钻，你有高速平衡机，你的制造与服务能力就能得到你用户的认可，经过高速动平衡和超速试验的转子就可放心地运到现场去安装了。

高速动平衡技术已经这样成熟了，为啥不能用于航空发动机转子呢？技术上还的确有些障碍，其中最主要的障碍是支承方式不同，上面提到的那些转子都是滑动轴承支承的，高速动平衡机设计也都是针对滑动轴承支承的，而航空发动机转子的支承方式都是滚动轴承，滚动轴承支承的转子是不适合放在现有高速动平衡机上进行平衡的，因为：

第一，工作原理上的不同。用不太专业但容易理解的方式来解释，在滑动轴承中可以把油膜看成是隔开转子与平衡机摆架的介质，摆架感受到的激振力就是通过油膜传来的转子的不平衡离心力，摆架的动态特性是设计出来的，动平衡测量系统根据摆架的振动幅值和相位就能解算出不平衡量。而把滚动轴承支承的转子安装到平衡机摆架上则相当于把转子的质量叠加到平衡机摆架轴承座上了，改变了摆架的系统参数，也就改变了其动特性，便不能简单地根据其振动信号解算不平衡量了。

第二，航空发动机转子轴承结构是复杂的、多样的。有带弹性支承加挤压油膜阻尼器的；有轴承外环自带安装法兰的；有的轴承是凹进转子体的；有中介轴承外圈旋转内圈固定（工作时是差速旋转）的；有一个转子上有三个甚至多个轴承的，等等。总之要把带滚动轴承的发动机转子的工作支点对接到通用型高速平衡机的摆架上并不容易。

图1  航空发动机典型的滚动轴承和挤压油膜阻尼器支承结构

第三，轴承不同，润滑方式和参数也不同，如带有挤压油膜阻尼器则更具特殊性。这也是适用于滑动轴承的通用型高速动平衡机不能用来平衡航空发动机转子的原因之一。

以上说明的是现有通用型高速动平衡机不适用于航空发动机挠性转子的高速动平衡，但这并不意味着这种转子的高速动平衡机有多难的技术障碍，只要搞发动机的人和搞高速动平衡机的人坐下来认真讨论，搞出适合具体转子的高速动平衡机并非是不可能的。

二、高速动平衡机制造厂家的情况

笔者退休前在一著名的动平衡机厂家工作多年。该厂家的平衡机百年来一直处于行业领先地位。其航空工业低速动平衡机在全球基本处于主导地位，高速动平衡机差不多应该算是独一份存在了。二十年前国内引进第一台涡轴发动机动力涡轮转子高速动平衡机，笔者有幸参与其中，那时对高速平衡机略知些皮毛，对航空发动机则是妥妥的一枚小白。安排了几次客户与厂家的技术交流，我居中翻译，也陪客户考察了国内两台不同规格、不同年代的高速动平衡机。交流中客户现场手画草图借以说明平衡任务，厂家的专家也没多问，大概是认为所有参数都在所推荐型号的机器都覆盖范围之内吧。经过似乎充分的交流和商谈，最后签约了。这是国内首台用于航空发动机挠性转子的高速动平衡机，后来才知道，也是该厂家首次提供给客户这种用途的高速平衡机。

客户在技术上一直不太放心，在去国外厂家的设计审查会上手绘了相对比较详细的转子图，展示了转子结构，特别是轴承部位结构。厂家的专家发现了问题，平衡机摆架不适合这种轴承结构，经过讨论分析给出的解决方案是要客户做一个框架式工装，为了减小框架对摆架动特性的影响并保证框架自身的动特性，建议用碳纤维材料，用空心结构。客户设计部门画好图纸并让厂家检查过，然而调研了一大圈国内没有人能做。

图2  涡轴发动机动力涡轮转子

平衡机到货安装调试完成后，各项指标都达到了合同规定标准，最终验收，但涡轮转子的高速动平衡还是做不了，因为它就是一台通用型的高速动平衡机。后来经过客户长时间努力和反复试验，最后移开了平衡机的摆架这一核心部件，用户自己设计了轴承座、驱动工装和润滑方式等，终于成功地平衡了动力涡轮转子。

十几年后由于生产任务的扩大，客户又陆续买了两台高速平衡机，配备的不再是通用型高速平衡机摆架，而是按客户要求定制的轴承座。虽然动力涡轮转子的高速动平衡问题得到了满意的解决，但这并不意味着该平衡机就是针对此平衡任务的最佳方案。

事实上随着客户方面的专家对平衡任务和平衡机原理的理解不断深入，特别是平衡经验的积累，针对这类平衡任务的平衡机提出了很好的构想，希望厂家设计制造，笔者也认为构想不错，并尽力推动此事，将客户的构想整理出来与厂家开会讨论，但最终还是不了了之，没了下文。

都说一旦有市场需求，看不见的手就会发挥作用来满足，但现实却是这只看不见的手选择了忽视。因为作为一个公司，不会为一个没有一定批量的市场需求去冒一定的技术和商务风险去开发。

归根结底，动平衡机就是一个很窄的行业，高速动平衡机则是更窄的分支，而航空发动机转子用高速动平衡机则更是细分得没有厂家愿意来做的边角料性质的产品了。因此，市场狭小也是形成没有合适平衡机可选的原因之一。

三、国外发动机厂家的应用情况

从世界最大最权威的平衡机厂家此前没有制造和供货过航空发动机挠性转子高速动平衡机这一基本事实，以及资料中所看到的这类转子的高速动平衡试验都是在自制台子上用现场平衡的方法来做的这一情况，基本上可以断定国际上的各航空发动机制造公司也都没有高速动平衡机，没有作为一道工序对其中的挠性转子实施高速动平衡。

通过对燃气轮机转子的平衡工艺的观察也可得出同样的判断。燃气轮机与飞机发动机原理相同，都是通过燃烧气体膨胀推动涡轮旋转对外做功的。飞机发动机推动飞机上天，燃气轮机安装在地面或者船舶上作为驱动动力。重型燃气轮机制造厂家有两大类，一类是汽轮机厂家，另一类是飞机发动机厂家。汽轮机和燃气轮机在工作原理上也没有很大的不同，区别仅在于汽轮机的工作介质是高压蒸汽而燃气轮机的是高压燃气。汽轮机厂家制造燃机转子其平衡工艺与汽轮机相同，转子做好以后上高速动平衡机做高速动平衡与超速试验，然后就可运到现场直接装机了，比如西门子和三菱公司，并不担心因平衡问题影响燃机启动。事实上核电站的汽轮发电机转子很大、转子系很复杂，不可能在出厂前组装好试运转的，没有哪个汽轮机厂家会建造个大锅炉或核反应堆，用来对每台新制造的机器进行出厂前试运转的，对燃气轮机也是一样。而航空发动机厂家制造燃机转子其平衡工艺则沿用航空发动机的平衡工艺，对各个轮盘、轴段和封严环等，在立式平衡机上逐件进行低速平衡，按照严格的工艺规则组装成转子，组装好以后整个转子再在卧式平衡机上进行低速平衡，最后像飞机发动机一样上试车台试运转，检查燃机的各项性能指标，包括机械振动。如果振动大，则看在试车台上是否可能用现场平衡的方法调整过来，调整不过来就只好拆解，重新逐件平衡，再重新组装，直至合格，比如美国GE。

图3 燃气轮机转子高速动平衡

GE公司有多台立式和卧式低速平衡机用于燃机转子动平衡，燃机转子用的是滑动轴承，可以在通用型高速动平衡机上进行高速动平衡与超速试验，每当平衡机厂家向GE提出此建议时，得到的回答只是“呵呵”，上百年形成的工艺规则谁敢拍板修改？甚至公司那么大，由哪个部门来考虑这事儿也说不清楚。

文献[1]介绍，国内在运行的GE公司9E燃气轮机因振动大需要大修，因动平衡问题厂家建议转子返厂，重复转子制造中的平衡工艺，其经济和时间代价该有多高可想而知，作者作为高速动平衡资深专家和GE燃机授权的售后服务单位，经过计算分析，给出了在国内高速动平衡机上进行高速动平衡的可行方案。

        文献[2]介绍了与GE公司合作制造9FA燃机工作中对转子进行高速动平衡的开创性工作。文章介绍了GE公司低速动平衡工艺和在试车台上试车情况，指出，在试车台上的振动标准是在0-3000转/分整个转速区间不大于10.16mm/s，大约有60%的转子会超标，而作者单位做高速平衡的标准通常为临界转速上2.8 mm/s，其它转速2.5 mm/s，平衡精度明显高压GE原厂标准。实际中对转子进行了高速动平衡，平衡后在试车台上一次试运转成功，实际装机运行平稳，证明了高速动平衡的有效性和可行性。

        能用而且有必要用高速动平衡机的情况而不用，说明发动机制造厂家严格、甚至有些僵化的工艺规则，也是造成航空发动机挠性转子缺乏高速动平衡机的原因之一。

四、结语

以上讨论了通用型高速动平衡机不适用于发动机挠性转子的技术方面的原因、以具体实例分析了平衡机制造厂家和发动机制造厂家两方面的原因，说明了这些原因叠加在一起形成了市场上缺乏航空发动机挠性转子高速动平衡机的现实。

从科学的态度讲，是挠性转子，尤其是国际标准中例举的可以低速平衡之外类型的挠性转子，就应该进行高速动平衡，才是从根本上消除激励振动的根源，是解决振动问题的治本之道。为解决航空发动机挠性转子高速动平衡这一问题，我们不应循规蹈矩，重复别人的老路，不必教条地效法国外厂家，而应当有分析地看待他们的经验与教训，走中国人自己的路。

参考文献：

[1] 邓勇  MS9001E燃气轮机转子的高速动平衡 《燃气轮机技术》2006.3.

[2] 李立波 雒兴刚 张修寰 张奇  9FA重型燃气轮机转子高速动平衡研究 《燃气轮机技术》 2011.12