封严环的不平衡量及配合关系对低压系统振动的影响分析

王洪明 孙汕民 李希顺

摘要：为研究低压系统振动的影响因素，通过结构平面简化和数据统计，分析盘间封严环不平衡量、盘间封严环与低压一级涡轮盘配合间隙值等因素对低压系统振动的影响，提出盘间封严环的不平衡量越大则低压系统振动的可能性越大、盘间封严环与低压一级涡轮盘配合间隙值越大则低压系统振动的可能性越大。因此，控制盘间封严环不平衡量和盘间封严环与低压一级涡轮盘的配合间隙值是控制低压系统振动的有效措施。

关键词：低压涡轮转子部件，低压系统;不平衡量;配合間隙;发动机振动

中图分类号：V231.92文献标志码：A DOI：10.19452/j.iss n 1007-5453.2018.08.023

航空发动机作为飞机的重要组成部分，被喻为飞机的“心脏”[1，2]，其工作中的振动问题是重要故障之一，影响航空发动机的使用寿命和工作效率[1，3]。航空发动机转动系统由四大核心转子部件组成，即高压压气机转子部件、低压压气机转子部件、高压涡轮转子部件和低压涡轮转子部件，转子部件工作过程中产生不平衡惯性力和惯性力矩，是航空发动机振动主要的激振源，因此，各转子部件的不平衡量控制和稳定性尤为重要[1，5～11]。

低压涡轮转子部件作为航空发动机的重要组成部分，盘间封严环的不平衡量对低压涡轮转子部件不平衡量贡献较大。盘间封严环与低压一级涡轮盘的配合关系影响低压涡轮转子部件的稳定性，当配合间隙较大时，盘间封严环的活动量较大，给旋转的低压涡轮转子部件带来不稳定性，影响低压涡轮转子平衡。因此，亟待研究盘间封严环不平衡量、盘间封严环与低压涡轮盘配合关系对低压系统振动的影响。

1 低压涡轮转子结构

低压涡轮转子部件由低压一级涡轮盘片组件、低压二级涡轮盘片组件、盘间封严环和低压涡轮轴等组成，如图1所示。在装配时，低压一级涡轮盘片组件、低压二级涡轮盘片组件、低压涡轮轴通过螺栓连接，盘间封严环与低压一级涡轮盘通过配合止口和定位销定位、盘间封严环与低压二级涡轮盘通过配合止口定位。其中，低压一级涡轮盘片组件、低压二级涡轮盘片组件、低压涡轮轴不平衡量较小，低压涡轮转子部件不平衡量主要由盘间封严环贡献。

2 盘间封严环不平衡量对低压系统振动影响分析

2.1 理论分析

低压一级涡轮盘片组件、低压二级涡轮盘片组件、低压涡轮轴不平衡量较小，低压涡轮转子的不平衡量主要由盘间封严环不平衡量贡献，在低压涡轮转子部件平衡时，以低压涡轮轴两端轴承面作为支点，对低压涡轮转子部件进行不平衡量检查，当低压涡轮转子部件存在不平衡量时，通过调整低压二级涡轮工作叶片的顺序使低压涡轮转子部件达到平衡状态。

可以将低压涡轮转子平衡过程简化成如图2所示模型。

假设盘间封严环的不平衡量为P，则：

P=Δm×r（1）式中：Δm为盘间封严环对点质量差，单位为kg;r为盘间封严环旋转半径，单位为m。

假设盘间封严环中心到各点的半相等，则说明盘间封严环质量不均匀，存在质量差Δm，当低压涡轮转子部件旋转时，所受到的离心力为：

F=Δm×ω²×r（2）式中：F为盘间封严环离心力，单位为N;w为盘间封严环旋转角速度，单位为rad/s。

当通过调整低压二级涡轮叶片使低压涡轮转子部件达到力的平衡时，低压二级涡轮盘片组件存在一个不平衡力F'，则：

F=F'

假设盘间封严环与低压二级涡轮盘片组件之间距离为X，则低压涡轮转子部件承受的力矩不平衡量为：

M=F×X（3）式中：M为力矩，单位为N·m。

盘间封严环与低压二级涡轮盘片组件之间距离X不变，根据式（1）～式（3），盘间封严环不平衡量越大时，低压涡轮转子部件的力矩不平衡量越大，对低压系统的振动越不利。并且发动机工作时低压涡轮转子部件的角速度大于不平衡量检查时低压涡轮转子部件的角速度，根据式（2）、式（3），随着角速度的增大，力矩不平衡量会增大，对低压系统的振动越极为不利。

2.2 统计分析

统计200台次盘间封严环的不平衡量，分析发动机的试车表现，低压分量值是低压系统振动结果的体现，一般以Y作为分界线，振动值在Y以下的认为表现良好，振动值在Y以上的认为表现较差。

将盘间封严环不平衡量每500g·mm划分为一个阶段，分析每个阶段中低压分量在0～Y以及低压分量在Y以上的比例分布，如图3所示。

根据图3可知，随着盘间封严环不平衡量值的增大，试车时低压分量在0～Y之间的比例逐渐下降，而低压分量超过Y的比例在不断上升，表明盘间封严环的不平衡量越大，低压系统振动的可能性越大，因此，控制盘间封严环不平衡量是控制低压系统振动的有效措施之一。

3 盘间封严环、低压涡轮盘配合量对低压系统振动影响分析

3.1 理论分析

盘间封严环通过止口配合与低压一级涡轮盘连接，配合量在过盈0.10～间隙0.12之间，盘间封严环与低压二级涡轮盘之间亦是间隙配合，配合量在间隙0.06～间隙0.24之间，因此，盘间封严环与低压一级涡轮盘配合尺寸关系到盘间封严环在低压涡轮转子部件中的稳定性。

当盘间封严环与低压一级涡轮盘配合量为间隙时，低压一级涡轮盘与盘间封严环的理论圆心为口，低压涡轮转子部件旋转时，盘间封严环的几何圆心由口点移动至口，点，旋转圆心仍然为口点，盘间封严环做偏心运动，产生新的不平衡量，如图4所示。

设盘间封严环与低压一级涡轮盘的配合为间隙z，则O点到O₁点的直线距离为z/2。设盘间封严环的几何半径为r，则盘间封严环旋转半径为：式中：r₁为短轴半径，单位为m;r₂为长轴半径，单位为m。

设盘间封严环的整体质量为M，以旋转中心O为原点，在a°时，d_a的质量为：式中：M_1a为短轴侧在a°时d_a的质量，单位为kg;r_1a为短轴侧在a°时旋转半径，单位为m。式中：M_2a为长轴侧在a°时d_a的质量，单位为kg;r_2a为长轴侧在a°时旋转半径，单位为m。

根据式（4）、式（5）可得：式中：ΔP为不平衡量差值。

将式（4）、式（5）代入式（6）得出：

根据余弦定理得：

由式（8）、式（9）得：

再根据：

由式（10）、式（11）得出：

将式（12）代入式（7）得出：

由式（13）可以得出，盘间封严环与低压一级涡轮盘的止口配合间隙越大，由盘间封严环引起的不平衡量越大，低压涡轮转子在工作过程中稳定性越差，越易引起发动机振动问题。

3.2 统计分析

统计200台次盘间封严环与低压一级涡轮盘配合情况，分析发动机的试车表现，低压分量值是低压系统振动结果的体现，一般以Y作为分界线，振动值在Y以下的认为表现良好，振动值在Y以上的认为表现较差。

将盘间封严环不平衡量每0.02mm划分为一个阶段，分析每个阶段中低压分量在0～Y以及低压分量在Y以上的比例分布，如图5所示。

根据图5可知，随着盘间封严环与低压一级涡轮盘的配合间隙值的增大，试车时低压分量在0～Y之间的比例逐渐下降，而低压分量超过Y的比例在不断上升，表明盘间封严环与低压一级涡轮盘的配合的间隙值越大，低压系统振动的可能性越大。当盘间封严环与低压一级涡轮盘配合在间隙0.04至过盈时，试车时低压分量在0～Y之间的比例基本相当，因为受盘间封严环形位公差影响，盘间封严环与低压一级涡轮盘存在局部过盈，配合尺寸对低压系统振动影响不明显。因此，当盘间封严环与低压一级涡轮盘配合间隙在0.04以上时，控制盘间封严环与低压一级涡轮盘的配合量是控制低压系统振动的有效措施之一。

4 结论

通过研究，可以得出以下结论：

（1）盘间封严环的不平衡量越大，低压系统振动的可能性越大，控制盘间封严环不平衡量是控制低压系统振动的有效措施之一。

（2）盘间封严环与低压一级涡轮盘配合在间隙0.04至过盈时，试车时低压分量在0～Y之间的比例基本相当，当盘间封严环与低压一级涡轮盘配合间隙在0.04以上时，控制盘间封严环与低压一级涡轮盘的配合量是控制低压系统振动的有效措施之一。

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