本机平衡的意义，通常发动机转子是在专门的动平衡机床上进行动平衡,经平衡后的转子再与其他零组件组装成整台发动机。发动机在台架上、或装在飞机上对转子进行平衡称发动机本机平衡,这是减小发动机振动的一种简便有效的方法。
新的或经过修理的发动机,在试车中如整机振动超过规定值,即可在台架上调整发动机转子动平衡,将振动降到允许范围;使用中的发动机如振动过大,或更换发动机风扇叶片或低压涡轮末级转动叶片时,可在外场飞机上调整发动机转子的平衡,而无需将发动机从飞机上卸下送修理厂返修。
所以,发动机本机平衡不仅简便、省时,还可以延长发动机寿命。当然,本机平衡由于是在不拆卸发动机机匣等组件情况下进行的,因此只适用于对单转子发动机的转子或多转子发动机的低压转子进行平衡。
发动机本机平衡技术最早是在波音707旅客机的JT3D发动机上采用过、后来又在许多新型发动机如CF6 80A、JT9D7R4、TFE731、RB211 535E4与CFM56发动机被选用。现以CFM56 3发动机为例,对本机平衡技术作一简要分析介绍。
与在平衡机上进行转子平衡一样,本机平衡也需找出转子的不平衡大小与位置(角向位置)。在CFM56 3发动机本机平衡中,不平衡的大小用测振感头测出的振动振幅表征。为此在1号轴承(即风扇转子止推轴承)机匣及涡轮后轴承机匣处分别装有测振幅的感头;不平衡的方向则视不同的本机平衡方法而定。另外,对于需平衡的转子要能精确地给出每转一转的信号。
CFM56发动机以风扇轮盘前端整流锥的后段作为低压转子平衡前修正面。 在本机平衡中,通过安装不同重量的平衡螺钉的方法进行平衡调整工作。CFM56 3发动机采用了两种本机平衡方法,即一次猜试作向量图法与三次猜试法(又称三圆平衡法)。
一次猜试作向量图法是利用有关仪器测出不平衡角向位置,然后通过若干次调整平衡配重达到平衡。其工作步骤与原理简述如下:
第一步，第一次开车,测出在几种转速下发动机原始振动的大小与不平衡位置,测试结果如表1所示。
表1、 发动机原始振动实测值（注：1mil=0.254毫米）
从表1可以看出,发动机振动较大(对 CFM56发动机来说,当振幅大于0.203 mm(0.8mil)时就需采取修正平衡措施以降低振幅),且涡轮后机匣上测出的振幅最大,所以根据涡轮后机匣的数据来调整转子的平衡。
按已知的CFM56发动机平衡数据表(即振动值与不平衡度关系数据表),见表2,计算转子不平衡度的大小与方向,也即求出为使转子平衡需增加的校正配重的大小与方向。
表2 、CFM56-3发动机平衡数据表
例如,1号轴承机匣处在4200r/min测出的振幅是3.8mil,相位角为32°,则按表2算出的转子不平衡度的大小与相位角分别为:不平衡度=3.8×500=1900g·cm,相位角=32°+160°=192°。
按表1、表2给出的数据,计算得到转子不平衡度的大小与方向,也即得到为减小转子振动所需增加的校正配重的不平衡大小与方向,结果示于表3。
表3、按表1、表2算出的校正配重数据
上述计算结果表明,在三种转速下,转子所需的配重不平衡量是不同的,而这在实际中是不可能做到的。为此,只能用折中的办法,增加一个使三种转速下的振动都能适当减小的配重。这就需要在极坐标图中作向量图的分析来得到。
如图1所示,在极坐标图上绘出表3示出的三种转速下需加配重的不平衡向量 B1、B2、B3(分别代表3400,4200,4400r/min的配重)。连接三个向量中每两个向量的矢端得出一个三角形,此三角形三边中线的交点 O′即是三角形的中点。
连接极坐标原点O和 O′,所得的OO′向量即是要求的折中的校正配重不平衡量W,其长度代表所需配重的不平衡大小,它与Y轴的夹角即为需加配重处的相位角。
按图1计算,应加配重W1的不平衡量为1750g·cm,方向β1=105°。但因平衡螺钉是预制的标准件,其重量不能恰好与计算所需的重量相同,只能取接近计算值的配重,即1695g·cm。
第二步
加上按第一步确定的配重后,第二次开车检验平衡效果,如果各点振幅值均小于规定值(0.8mil),说明转子达到平衡;否则需继续校正,直到满足要求为止。
在所示例中,加配重后测得的振动数据如表4所示。
图1、求折中配重不平衡度的向量图
表4、加配重后检验开车测出的振动数据
由表4可见,涡轮后机匣的振幅仍然过大,因此需按下述各步进行分析,继续校正。
第三步：表4所示振动数据,实际上是原始不平衡量引起的振动值与所加配重引起的振动值之差。为了以后调整平衡,需求出所加配重引起的振动值。为此,需进行振动值的向量分析。在所示例中,涡轮后机匣振动值较大,以它作为分析对象,在极坐标图上画出三种转速下测出的涡轮后机匣的原始振动向量。
它们分别是:3400r/min时:A0=8.6mil,α0=133° 4200r/min时:
A′0=9.5mil,α′0=12.5° 4400r/min时;
A″0=7.0mil,α″0=187.5°A 代表振幅,α代表相位角(如图2所示)。
图2、振动向量分析图
在图2上再画上加校正配重后测出的涡轮后机匣振动向量,它们
分别是:3400r/min时:
A1=6.3mil,α1=100° 4200r/min时:
A′1=2.0mil,α′1=45° 4400r/min时:
A″1=6.0mil,α″1=262.5°
然后,将同转速下的两个振动向量矢端连接起来,得到三个向量R1,R′1,R″1,即是校正配重W1在三种转速下引起的涡轮后机匣的振动值。量出这三个向量的大小以及向量R转到与向量A。重合时需转动的角度和转向(顺时针方向为正),得出
R1=4.7mil,θ1= 48°
R′1=7.7mil,θ′1=10°
R″1=8.0mil,θ″1”=47°
第四步确定新的校正配重W2的不平衡量的大小和方向。当然希望这次所加配重的不平衡量引起的振动值正好与各转速下原始振动值抵消,以达到完全的平衡。为此,W2的不平衡量在各转速下引起的振动要等于原始振动值,仅方向相反。
发动机转子可近似地认为是线性振动体,即振动与引起该振动的不平衡量成正比关系。据此,可按正比关系W1∶W2=R∶A。求出新配重W2在各转速下不平衡量的大小;因上次试猜配重的方向角β1=105°,新配重在各转速下不平衡量要转动的角度θ又已求出,于是可求出新校正配重在各转速下的不平衡量V1、V′1、
V″1与方向γ1、γ′1、γ″1:
将上述得出的新配重在三种转速下引起的不平衡向量画在极坐标图上,仍按第一步中的方法求折中的配重W2,最后量出W2=1800g·cm,β2=100°。按算出的新校正配重,选取大小与方向均相近的配重加到转子上即可。如果开车测出的振动仍嫌大,可如法进行下一次平衡。
三次猜试作图平衡法的优点是只需知道振动大小,无需测量振动方向,而且计算、作图也比较简单;缺点是开车次数多,至少五次。此方法的具体步骤如下:第一步为第一次开车,测出发动机原始振动A。
第二步在平衡校正面的0°方向加上待试配重W0,第二次开车测出发动机振动值B1;取下猜试配重加到120°位置上,第三次开车测出振动值B2;再将猜试配重置于240°方向上,第四次开车,测出振动值B3。四次开车过程中转速与测振位置均应保持一样。
第三步用四次开车测出的振动值作图。先用原始振动中最大值或要求其必须减小很多的那个值作半径画一圆,如图3所示,称为基圆。在基圆上0°、120°、240°位置的三点作圆心,以B1、B2、B3作半径画出三个圆弧。三圆弧从理论上可以证明应交于一点,实际上因有误差不一定能交于一点,则可取某一点近似地认为是三弧线的交点。连接基圆圆心O与三弧线交点X1得OX1向量。OX1的大小即等于试加配重W0所引起的振动值A0。
方向从O 向X1,代表要加配重的方向,以γ1表示。校正配重的不平衡量可按前法用比例求出。配重不平衡量为:
第四步按上面所求出的校正配重不平衡量Xx(大小和方向)选取适当的配重并加到转子上,第五次开车以检查振动是否控制在允许的范围内。如振动值仍然过大,则重复以上各步进行第二次平衡。
以上介绍只是取某一转速下的振动进行平衡、作图与计算的结果。这样的平衡结果能使该转速下的振动减小,在此影响下,其他转速下的振动可能随之减小,但也可能加剧。为此,可先按第三步的作图和计算法求出三种转速下需加的不平衡向量(大小和方向),再按一次猜试作向量图法,用极坐标法求出各转速下振动都减弱的折中校正配重的不平衡量与方向。
为了调整转子的平衡,CFM56发动机用于风扇转子的平衡螺钉有六种,其重量由10g到27.4g;风扇转子整流锥平衡修正面上共有38个安装平衡螺钉的螺纹孔。调节平衡时,可在要求的位置处安装1个或以该位置为中心线对称地在其两侧安装多个平衡螺钉(最多不超过10个),这样不同重量的平衡螺钉的不同组合,可得出实用的62种不平衡度值(290~3285g·cm)。
在CFM56发动机使用说明书中,用图表列出了这种组合的结果。调整平衡时,根据分析、计算得出的配重不平衡度,查表找出最接近的数值,即可得到平衡螺钉选用及安装的信息。
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