针对航空发动机的振动超限，采用临界转速及振型仿真，高压转子质量（ 转动惯量 ）、抗弯刚度轴向分布动力学分析等方法，最终可以实现高低压转子组合装配的初始及附加不平衡量等参数的优化。

为解决航空发动机振动超限问题，本文进行了故障分析及排故工艺技术方面的研究。航空发动机在前安装节和后安装节截面处分别布置了2个监控传感器，如图1所示。其中前传感器位于分流机匣主吊挂位置，后传感器位于涡轮支承机匣下方，测量的均是垂直方向的振动速度值（单位为mm/s），提取的振动信号对应低压转子转速n₁分量和高压转子n₂分量，高压转子和低压转子结构系统及承力结构系统（见图2）。

搜集多台航空发动机台架振动频谱数据发现，前垂测点除高、低压转子有较小的振动分量外，其他频率分量相对较小；后垂测点除存在低压转子n₁基频分量和高压转子n₂基频分量外，还存在低压转子n₁的二倍频分量和高压转子n₂的二倍频分量信号、4号支点轴承保持架的分频信号等，说明除转子剩余不平衡量带来的振动外，还有其他因素引起转子振动；整机振动超限较大部分发生在后垂传感器部位高压转子n₂分量。李全坤^[1]等对航空发动机双转子系统在临界转速下出现二倍频共振情况进行分析，认为出现了高压转子和低压转子振动相互耦合，其原因有可能是高压转子的振动激起低压转子振动，也有可能是低压转子振动激起高压转子振动，也有可能是支点不对中引起转子的振动等。韩清凯^[2]、刘占生^[3]等对航空发动机转子系统的不对中进行了模式分类，并对支点不对中等的建模与转子系统支点特性现状进行了评述；张宏献^[4]等研究了航空发动机转子系统不对中的故障及动力学特性，认为不对中是旋转机械常见故障，且占比较高；陈果^[5]等研究了航空发动机整机振动中的不平衡-不对中-碰摩耦合故障，发现不对中将引起系统的超谐共振，除在临界转速下系统发生基频共振外，在1/2临界转速下将出现二倍频共振。

转子振动机理分析

振动主要由转子自身结构等因素引起，转子主要由低压转子和高压转子组成，二者相互影响，最终形成了航空发动机特有的振动（转子振动故障树见图3），二者的排故工艺是决定能否解决振动故障的关键。

低压转子由2级风扇转子、1级低压涡轮转子和低压轴系（包含风扇轴与低压涡轮轴）组成，采用0－2－1式支承方案；高压转子由8级高压压气机转子和1级高压涡轮转子组成，高压压气机转子与高压涡轮转子采用10个带锥度的精密螺栓定心、拉紧，采用1－0－1式支承方案，如图4所示。低压转子由1号、2号、5号支点支承，高压转子由3号、4号支点支承，其中低压风扇与低压涡轮转子由1个花键联轴器连接，高压压气机转子与高压涡轮转子为螺栓刚性连接，4号支点为中介轴承。

建立航空发动机转子系统的动力学分析模型，得到双转子临界转速计算图及振型，如图5所示。图中红线为将低压转子联轴器简化为刚性时得到的曲线，蓝线为低压转子联轴器简化为柔性铰接时得到的曲线，而真实交点是在这两条曲线之间，从计算结果可知进入大状态后主要有三阶临界转速，分别为图中A点对应的低压转子激励起的风扇俯仰振型，B点对应低压转子激励起的高压转子俯仰振型，C点对应高压转子激励起的低压转子弯曲振型。

从仿真计算和实际测量结果可知，主要振动较大的点为状态C点，主要起因在于高压转子产生的激振力，而高压转子产生激振力的原因主要在于高压转子装配引起的剩余不平衡、主惯性轴倾斜，以及高压转子各盘的同心度和连接可靠性。

综上所述，航空发动机振动大的机理在于，在工作范围内存在高压转子激起临界转速，当高压转子装配不好时，剩余不平衡、主惯性轴倾斜以及转子不同心等激振力就会引起低压转子以高压转子的转速为进动转速，绕其旋转轴颈的进行进动运动，因此从外部机匣测量出来的信号主要表现为高压转子分量对应的振动大。通过整机振动测量得到的波德幅值图和相位图，可以确定仿真计算的振型和临界转速正确，高压转子装配问题是引起发动机整机振动大的主要因素之一；其次，由于高低压转子结构造成的振动耦合，当低压转子不对中时的激振力也会激起高压转子的振动。

虽然低压和高压转子共同影响了发动机的振动，但相对而言高压转子由于压力大、温度高、转速高等特点，影响更为巨大，是解决振动问题的关键点。本文主要讨论高压转子的组合装配平衡、转子的初始不平衡量、转子连接的对中性与稳定性等因素，也是振动问题及排故工艺应关注的难点。

高压转子的组合装配及平衡

高压转子是由高压压气机转子和高压涡轮两个单元体的组合，通过10个锥度螺栓连接而成。根据几何构型与结构变形特点，计算得到各结构单元的质量、极转动惯量及抗弯刚度沿轴向分布的变化曲线，如图6所示，高压涡轮转子是产生附加旋转惯性载荷、支点动载荷的关键因素。

转子的初始不平衡量

转子不平衡是整机振动的主要激励源。对于工作转速较低、自身刚度较高的转子，其满足“恒态转子”假设，所以只要控制剩余不平衡量低于“许用值”，便可以有效抑制转子系统的工作不平衡量。但从航空发动机试车监测频谱图可知，在全工作转速范围内会出现多阶的临界转速，发动机转子系统在超临界的高转速状态，存在一定的弯曲变形，会改变结构单元之间的相对角向位置关系，破坏低速平衡后的转子质量分布，造成转子在超临界、高转速下不平衡变化。因此，在低速平衡过程中，除了需要按照传统平衡方法控制结构单元的质心偏移外，还需要根据不同结构单元的结构形式，控制其惯性主轴倾斜，从而控制转子装配的初始不平衡量，防止转子在高转速下发生过大的弯曲变形，尽可能减小剩余不平衡量与工作不平衡量之间的区别，使转子在高速旋转时依然具有较好的不平衡量分布状态^[6-8]。

转子连接的对中性

高压转子由多个构件通过连接结构装配而成，转子中各个构件的惯性主轴偏斜以及装配主轴不对中形成了高压转子的不平衡分布。航空发动机高压转子的连接是采取鼓筒轴的直孔与锥度螺栓的锥面紧度配合，由于配合面是一条线，多次分解装配过程中磨损较快，其定心作用减弱，会造成转子的连接的不对中。其次，惯性主轴偏斜也是造成平衡初始不平衡量大的原因。因此，排故过程中，一是要检查控制鼓筒轴的直孔与锥度螺栓的锥面紧度配合尺寸；二是要控制转子主轴的偏斜。

转子连接的可靠性

鼓筒轴、前封严篦齿盘、高压涡轮盘、后轴颈4个件号通过10个锥度螺栓连接，既有定心作用也有传扭作用。定心作用有两方面，一是前封严篦齿盘、高压涡轮盘、后轴颈（即高压涡轮转子）自身的定心；二是鼓筒轴以直孔与螺栓的锥面紧度配合实现高压压气机转子和高压涡轮转子的定心。传扭作用主要靠螺栓的轴向拉紧力，由于锥度螺栓与锥面接触时会产生锥面的正压力和锥面的摩擦力，两项合力将会抵消螺栓的轴向拉紧力，从而影响整个连接件的轴向拉紧效果。因此，转子连接的可靠性应从以下三方面保证。

一是锥度螺栓配合尺寸的选择^[9]。根据锥度螺栓连接配合关系分析，要同时保证定心和传扭的作用，选择锥度螺栓配合尺寸是关键，选择尺寸过大会造成鼓筒轴与前封严篦齿盘轴向拉紧力不够，甚至盘配合端面出现间隙；尺寸过小会造成前封严篦齿盘、高压涡轮盘和后轴颈配合面之间出现间隙影响定心。

二是对锥度螺栓孔的检查。高压涡轮转子锥度螺栓孔的位置精度和尺寸精度（尺寸的相关性），决定了高压涡轮转子的定心质量和质心分布。因此，在故障检查和修理中，要检查10个螺栓孔的位置度和磨损情况。

三是工艺的可靠性措施。对于该发动机，高压转子的装配和平衡主要有盘的装配方法与安装面的贴合、螺栓的预紧力与拧紧次数及拧紧顺序，以及装配和平衡工装的设计、设备选择等。在装配过程中，要借助模拟盘工装采取螺栓拧紧顺序交叉、拧紧力矩逐次加大、逐次保压等方式进行装配，分解螺栓时也要遵循顺序交叉、力矩逐次减小的方式。平衡工装设计要考虑结构的刚性、稳定性，以及转动轴承的选择、参与平衡的转动件（含螺母、垫片、衬套等）的不平衡量等，并列入一类工装加严周期定检频次控制；平衡设备的选择要考虑转子的平衡方式（一般多采用卧式）和平衡精度、平衡安装位置、旋转轴的水平找正、传动皮带的压力选择、平衡机的热稳定和摆架的清洁，以及平衡转速的选择、最终平衡质量的评价和验证等的控制。因此，为了提高装配质量，保证工作稳定性，在检修排故过程中对高压压气机转子、高压涡轮转子单元体的初始不平衡量和组合装配界面的形位公差等进行工艺控制、工艺优化是非常必要的。

高压压气机转子的装配及平衡

高压压气机转子为盘鼓结构，各构件之间的连接止口及表面的形位公差、螺栓的位置度、叶片的质量分布等装配质量均是影响转子初始不平衡量的因素[9]。因此，在故障检查、装配与平衡等环节除按设计要求执行正常工作外，应重点关注涉及振动的工艺要求。

故障检查要求

针对振动超限故障应重点检查以下内容，若有异常或超出故障检查标准，要进行是否可装机使用的判定处理。

对16个柔性螺栓分解时，仔细观察是否存在卡滞、圆柱面偏磨（台阶）情况。对高压压气机转子各可视部位进行目视检查，各构件的定位止口、定位端面、螺栓孔等是否出现偏磨、损伤，叶片叶尖是否出现碰磨等情况。对各级转子叶片在榫槽内的活动量、叶尖间隙进行检查并记录。测量鼓筒轴上10个孔的尺寸和位置度以及连接端面的平面度。测量盘和环圆周跳动、端面跳动，特别是鼓筒轴与高压涡轮转子连接面的端面跳动和圆周跳动，并记录具体的数据和高点位置。

在以上检查合格的情况下，整机上平衡机，检查转子前端、后端初始不平衡量，若初始不平衡量在350 g×mm内，可不进行分解等下一步排故工作。

装配与平衡工艺要求

需要分解、修理排故的发动机，在执行发动机装配和平衡工艺基础上，针对振动超限故障还应关注以下内容。

对16个柔性螺栓及短螺栓按照质量矩进行排序后再装配。对16个柔性螺栓端面至鼓筒轴前安装边的距离满足要求。各级盘在冷装或热装恢复定位过程中，增加逐级压紧压实配合端面，避免恢复室温应力释放过程出现间隙。对初始不平衡量要进行控制，不合格的要查找原因并重新分解和装配。

高压涡轮转子的装配及平衡

高压涡轮转子为一个独立的单元体，盘件之间的贴合以及配合精度将直接决定转子装配质量，为了保证紧度螺栓的安装，对紧度螺栓的安装顺序、安装拧紧力矩以及与涡轮盘之间的安装过程要进行工艺控制。

故障检查要求

针对振动超限故障应重点检查以下内容，若有异常或超出故障检查标准，要进行是否可装机使用的判定处理。

对转子各可视部位进行目视检查。各级盘的配合端面是否有接触不均匀痕迹、锥度螺栓孔是否出现偏磨、锥度螺栓是否出现偏磨、叶片叶尖是否出现碰磨等情况。检查高压涡轮叶片在榫槽内的活动量及叶尖间隙。对紧度螺栓的尺寸和锥面着色面积进行检查。检查高压涡轮盘10个锥度孔的位置度。

装配与平衡工艺要求

高压涡轮转子装配和平衡要求基本上与高压转子相同，重点在10个锥度螺栓孔的配合质量检查、尺寸的选择、盘的装配顺序、螺栓的拧紧控制等，需要特别强调的是：转子的平衡方式的选择；初始不平衡量的控制；组合装配和传动装配一致性检查。

结束语

针对一型航空发动机外场振动超限问题，本文通过动力学仿真、转子特性分析等方法，明确高压转子装配质量（如初始不平衡、连接对中性与可靠性）是振动故障的核心诱因，并针对性提出高压压气机与涡轮转子的故障检查、装配及平衡工艺方案，使得一次试车振动合格率达到90%以上。研究成果为航空发动机振动排故提供了技术支撑，有效保障飞行安全，后续可进一步优化工艺参数，拓展至其他航空发动机振动问题的解决，助力航空动力装备可靠性提升。

（慕安利，西北工业大学，博士研究生，主要从事发动机故障分析与排故等方向研究）

参考文献

[1] 李全坤, 廖明夫, 蒋云帆, 等. 双转子不对中故障振动特性分析[J]. 机械科学与技术, 2014, 33(12): 1916-1920.

[2] 韩清凯, 王美令, 赵广, 等. 转子系统不对中问题的研究发展[J]. 动力学与控制学报, 2016, 14(1): 1-13.

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[4] 张宏献, 李学军, 蒋玲莉, 等. 航空发动机双转子系统不对中研究发展[J]. 航空学报, 2019, 40(6): 1-12.   

[5] 陈果, 李兴阳. 航空发动机整机振动中的不平衡-不对中-碰摩耦合故障研究[J]. 航空动力学报, 2009, 21(10): 2277-2284.

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[7] 杜海雷, 孙晖斌, 黄健, 等. 面向装配精度的航空发动机转子零件选配优化[J]. 计算机集成制造技术, 2021, 27(5): 1292-1299.

[8] 祝世兴, 高峰. 航空发动机高压转子振动故障分析[J]. 航空维修与工程, 2015, 3:84-86.

[9] 李全坤, 廖明夫, 蒋云帆, 等. 双转子不对中故障振动特性分析[J]. 机械科学与技术, 2014, 12: 1916-1920.