涡桨发动机螺旋桨模拟转子自动平衡试验研究

邓旺群，杨 海，孙 勇，刘文魁，唐虎标

(1.中国航发湖南动力机械研究所，湖南株洲 412002；2.中国航空发动机集团航空发动机振动技术重点实验室，湖南株洲 412002)

1 引言

航空发动机转子的平衡可以有效降低发动机的整机振动、提高使用的安全性和可靠性，在发动机研制中占有重要地位。航空发动机转子平衡通常采用离线平衡的方式进行，该方式虽然不能实时消除航空发动机转子在运行过程中产生的不平衡量，但实践证明通常都能满足工程需要。然而，对于涡桨发动机螺旋桨转子这种大直径、大转动惯量的转子，离线平衡在实施上存在很大困难，控制其不平衡振动的最有效途径就是采用自动平衡技术对转子进行在线平衡。

转子自动平衡是指在运行过程中通过主动控制改变转子的质量分布，达到实时抑制不平衡振动的目的。该研究起步于19世纪，平衡装置分为电机驱动式、液压式、电磁轴承式、电磁式等结构形式。1964 年，Van de Vegte 等研制了一个电机驱动质量块的自动平衡装置，但平衡质量块仅可作径向移动；1978 年，对其进行了改进优化，使得质量块可进行周向移动，并在自动平衡试验台上完成了一个刚性转子的自动平衡实验[1-2]。2006 年，张鹏[3]研制了一种注液式自动平衡装置，该装置采用三个平衡空腔，且空腔中有一定液体，通过改变进液流量来改变空腔中液体质量，从而达到自动平衡效果；2008年，苏奕儒等[4]利用该液压式自动平衡装置在悬臂转子上进行了实验研究。电磁轴承式自动平衡装置由于与转子非接触、无摩擦、不需要润滑，可在高压或真空环境下使用，但能耗大、结构复杂，国外已在工业上得到应用，如超高速磨床、高速电动机、透平压缩机、航天器姿态控制装置等。国内在该领域的研究始于20 世纪60 年代，目前仍处于实验室研究阶段，与国外比还存在较大差距[5-6]。1999年，浙江大学曾胜等[7]研制了一种补偿质量块单向移动的电磁式自动平衡装置；2001年，欧阳红兵等[8]又研制了能双向移动的自动平衡装置并在某风机上进行了应用；北京化工大学在电磁式自动平衡装置的结构、控制算法和自动平衡实验验证等方面进行了较系统的研究，取得了一系列研究成果[9-13]。

美国在航空发动机转子的自动平衡研究领域处于领先地位。2004 年美国Lord 公司公开报道了用于军用涡桨发动机的螺旋桨在线自动平衡系统IPBS[14]，2014年研制成功，并在军用运输机上正式列装[15]。国内针对航空发动机转子自动平衡试验的研究还处于起步阶段。

本文针对某涡桨发动机螺旋桨转子的自动平衡开展试验研究。以基于结构和动力学相似等原则设计的一个螺旋桨模拟转子为研究对象，在高速旋转试验器上完成了两种转子状态、三个平衡转速的自动平衡试验，取得了非常理想的平衡效果。本研究在国内是一项开创性的研究工作，为后续涡桨发动机装机螺旋桨转子的自动平衡奠定了坚实的技术基础，具有重要的工程应用价值。

2 螺旋桨模拟转子的设计及动力学分析

涡桨发动机与螺旋桨转子之间的动力传输原理见图1。研究过程中，参照动力传输原理，建立了螺旋桨模拟转子自动平衡试验研究平台，包括螺旋桨模拟转子、减速器、浮动轴、安装支座等。其中，螺旋桨模拟转子的结构设计及动力学分析已在文献[16]中进行了较详细论述，本文仅给出主要设计原则及有关结论。

图1 涡桨发动机与螺旋桨转子之间的动力传输原理Fig.1 Schematic diagram of power transmission between turboprop engine and propeller rotor

螺旋桨模拟转子的主要设计原则：①主体结构基本一致；②动力学相似；③支承刚度不变；④轴向传递功率；⑤满足自动平衡；⑥适应试验设备。

装机螺旋桨转子结构见图2(a)，螺旋桨模拟转子结构见图2(b)。两个转子的动力学特性基本一致，计算得到的第一阶临界转速的相对误差仅1.2%，振型几乎一致，均为非常典型的刚性转子(螺旋桨转子的最大巡航转速、最大爬升转速、最大起飞(额定起飞)转速均远低于第一阶临界转速)。据此，从理论上说，螺旋桨模拟转子自动平衡试验所取得的研究成果完全可以在装机螺旋桨转子上推广应用。另外，当在螺旋桨模拟转子的模拟桨叶上施加不平衡量时，计算得到模拟桨毂悬臂端的转子挠度随转速和不平衡量的变化而变化。因此，选择转子挠度作为螺旋桨模拟转子自动平衡试验中的测量和控制参数在理论上合理可行。

3 螺旋桨模拟转子的自动平衡试验

3.1 自动平衡试验器及测试布局

螺旋桨模拟转子的自动平衡试验研究在高速旋转试验器上进行。试验器由动力系统、传动系统、支承系统、润滑系统、真空系统、控制系统、测试系统等组成，其额定功率和最高转速等均满足试验要求。

自动平衡试验使用的是北京化工大学专门为该模拟转子自动平衡试验研制的电磁式自动平衡装置，包括控制器和执行器(平衡头)，其中执行器安装在模拟桨毂内。如图3所示，旋转状态下，执行器的两个平衡块产生的离心力在自动平衡前互相抵消(大小相等、相位相差180°)，不对转子的平衡状态产生影响；自动平衡后，两个平衡块周向移动到相应位置以抵消模拟转子的不平衡量，从而实现对转子的平衡。计算表明：安装执行器后，螺旋桨模拟转子的第一阶临界转速下降约12.9%(依然远高于最大巡航转速、最大爬升转速、最大起飞转速)，对振型几乎没影响。因此，执行器仅对第一阶临界转速有一定影响，并没有对模拟转子的动力学特性产生实质性影响。本文不讨论自动平衡装置的结构、性能、控制规律等，只研究自动平衡装置对螺旋桨模拟转子自动平衡试验的平衡效果及平衡时间，并考核自动平衡装置设计的正确性和可靠性。

图2 螺旋桨转子和螺旋桨模拟转子的结构示意图Fig.2 Structure sketches of the propeller rotor and the simulation propeller rotor

图3 自动平衡前、后两个平衡块的位置示意Fig.3 Position sketch of the two balance blocks before and after auto balance

螺旋桨模拟转子自动平衡试验的安装及测试示意见图4。在模拟桨毂前端布置振动位移传感器D、D1和D2测量转子挠度，其中D连接自动平衡装置的控制器，D1和D2连接德国申克公司生产的多功能振动分析仪；在前转接座(1号轴承位置)、支座、减速器上分别布置振动加速度传感器A1和A2、A3和A4、A5～A8测量振动加速度；在模拟桨毂前端和减速器输入端的浮动轴上分别布置光电转速传感器N1和N2测量转速，其中N1连接德国申克公司生产的多功能振动分析仪，N2连接LMS分析系统；在模拟转子1号、2号和3号轴承的外环上分别焊接热电偶温度传感器T1、T2和T3测量轴承外环温度。⊥表示垂直方向，＝表示水平方向。螺旋桨模拟转子在试验器上的实物照片见图5。

图4 螺旋桨模拟转子自动平衡试验的安装及测试示意图Fig.4 Installation and measurement sketch during auto balance experiment of the simulation propeller rotor

限于篇幅，本文仅对D1、D2所测转子挠度进行讨论。

图4 和图5 中的减速器也是为螺旋桨模拟转子自动平衡试验专门研制的，采用了同轴心输入输出、两级减速(涡桨发动机体内减速器也是两级减速)的结构形式，其原理见图6，减速比与涡桨发动机体内减速器的完全一致。计算和考核试验结果均表明：减速器满足螺旋桨模拟转子自动平衡试验需要。

图5 螺旋桨模拟转子在试验器上的照片Fig.5 The photos of the simulation propeller rotor on test rig

图6 减速器原理Fig.6 Schematic diagram of the reducer

3.2 集中不平衡量对转子挠度影响的考核试验

图7 转子挠度幅值-转速曲线Fig.7 Curves of horizontal rotor deflection amplitude versus speed

螺旋桨模拟转子在初始状态以及分别在0°、60°、120°、180°、240°、300°的模拟桨叶上施加115.47 g·m 的同一集中不平衡量(配重螺钉，质量178.06 g，半径648.5 mm)，由D1和D2测得的垂直和水平方向的转子挠度幅值-转速曲线见图7。由图可知：初始状态下，模拟转子在初始不平衡量作用下产生一定的转子挠度幅值，且转子挠度幅值随转速的增大略有增大；在不同角度的模拟桨叶上施加同一集中不平衡量时，转子挠度幅值均随转速的变化而变化，且在300°的模拟桨叶上施加集中不平衡量时转子挠度幅值增量最大，在120°的模拟桨叶上施加集中不平衡量时转子挠度幅值减量最大，说明转子的初始偏心靠近300°位置；在模拟桨叶上施加集中不平衡量均使模拟转子挠度发生变化，如用转子挠度作为测量和控制参数驱动自动平衡装置执行器的平衡块作周向移动，就相当于在模拟转子的某一角向位置上施加了一个集中不平衡量，因此选择转子挠度作为自动平衡装置的测量和控制参数合理可行。

3.3 模拟转子的影响系数法平衡试验

影响系数法平衡的主要目的是为了模拟转子在集中不平衡量状态下的自动平衡试验做准备，即在影响系数法平衡好的模拟转子上施加一个已知的集中不平衡量，然后再进行自动平衡试验。因篇幅限制，本文仅简要介绍影响系数法的平衡参数和平衡结果。

平衡参数为：平衡面为模拟叶片所在平面；平衡转速为最大起飞转速(额定起飞转速)；平衡配重为螺钉。

平衡结果见表1。影响系数法平衡使螺旋桨模拟转子垂直和水平方向的转子挠度幅值分别减小96.28%、93.70%，平衡效果非常显著。平衡后的转子挠度幅值已非常小，后续模拟转子集中不平衡量状态下的自动平衡试验，可认为转子挠度幅值基本上是由集中不平衡量引起。

表1 影响系数法平衡结果Table 1 Balance results of the influence coefficient method

3.4 模拟转子的自动平衡试验

在初始状态或集中不平衡量状态下，分别在螺旋桨转子的最大巡航转速、最大爬升转速和最大起飞转速(额定起飞转速)下对螺旋桨模拟转子进行了自动平衡试验。其中，最大巡航转速＜最大爬升转速＜最大起飞转速(额定起飞转速)。

3.4.1 初始状态下的自动平衡试验

螺旋桨模拟转子的初始状态为加工、装配完成后的转子状态(转子上存在初始不平衡量)。

在最大巡航转速、最大爬升转速和最大起飞转速(额定起飞转速)下的自动平衡试验过程中，由D1和D2测得的转子挠度幅值随时间的变化见图8，据此可以得到初始状态下模拟转子在三个平衡转速下自动平衡试验的平衡效果和所经历的平衡时间，见表2。可见：初始状态下的模拟转子，三个平衡转速下的平衡效果在53.60%～72.41%范围内，平衡效果显著，且平衡效果随着平衡转速的增大而提高；三个平衡转速下自动平衡试验所经历的时间基本一致，均在20～21 s范围内。

3.4.2 集中不平衡量状态下的自动平衡试验

螺旋桨模拟转子的集中不平衡量状态是指：在上述影响系数法平衡后，再在300°位置的模拟桨叶上施加一个60.16 g·m(质量92.7 g，半径648.5 mm)集中不平衡量的转子状态。

在最大巡航转速、最大爬升转速和最大起飞转速(额定起飞转速)下的自动平衡试验过程中，由D1和D2测得的转子挠度幅值随时间的变化见图9，据此可以得到集中不平衡量状态下的模拟转子在三个平衡转速下自动平衡试验的平衡效果和所经历的平衡时间，见表3。可见：集中不平衡量状态下的模拟转子，三个平衡转速下的平衡效果在75.61%～83.87%范围内，平衡效果非常显著，且平衡效果同样随着平衡转速的增大而提高；三个平衡转速下的自动平衡试验所经历的时间也基本一致，均在18～21 s范围内。

图8 不同平衡转速下自动平衡过程中的转子挠度幅值-时间曲线(初始状态下)Fig.8 Curves of rotor deflection amplitude versus time during auto balance at different balance speed(the initial state)

表2 初始状态下螺旋桨模拟转子自动平衡试验的平衡效果和平衡时间Table 2 Balance effect and balance time of auto balance experiment of the simulation propeller rotor in the initial state

图9 不同平衡转速下自动平衡过程中的转子挠度幅值-时间曲线(集中不平衡量状态下)Fig.9 Curves of rotor deflection amplitude versus time during auto balance(the concentrated unbalance state)

对比分析表2和表3可知：在转子状态不变的情况下，平衡效果同样随着平衡转速的增大而提高；在相同平衡转速下，集中不平衡量状态下的平衡效果明显好于初始状态下的平衡效果，说明自动平衡装置对集中不平衡量状态下的转子有更好的平衡效果。

4 结论

在高速旋转试验器上，对基于结构和动力学相似等原则设计的螺旋桨模拟转子开展了系统的自动平衡试验研究，主要结论如下：

表3 集中不平衡量状态下螺旋桨模拟转子自动平衡试验的平衡效果和平衡时间Table 3 Balance effect and balance time of auto balance experiment of the simulation propeller rotor in the concentrated unbalance state

(1) 螺旋桨模拟转子的自动平衡试验验证了模拟转子设计和自动平衡试验方案设计的合理性，也验证了自动平衡装置原理、结构、控制等设计的正确性和可靠性。自动平衡装置经过进一步优化后完全可以应用于装机螺旋桨转子的自动平衡试验，本研究工作为后续装机螺旋桨转子的自动平衡奠定了坚实的基础，将在线、实时解决螺旋桨转子的平衡难题。

(2) 初始状态和集中不平衡量状态下的螺旋桨模拟转子，在最大巡航转速、最大爬升转速和最大起飞转速(额定起飞转速)下的自动平衡试验均取得了显著的平衡效果，每次自动平衡的时间也基本一致。在平衡转速相同的前提下，集中不平衡量状态下的平衡效果要明显好于初始状态下的平衡效果；在转子状态不变的前提下，平衡效果同样随着平衡转速的增大而提高。