V2500发动机振动配平简析
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【摘 要】航空燃气涡轮发动机是一种高速旋转机械，转子虽然经过严格的平衡，但工作时依然存在振动现象。在发动机正常使用过程中，随着轴承和叶片的磨损，燃烧室以及高低压压气机、涡轮叶片灰尘的积累，发动机的振动值会慢慢变大，因此需要配平。但在实际工作中，工作者依然对配平程序表示不解和困惑，一方面相对于发动机配平常见的三圆平衡法，IAE使用的是三矢平衡法；另一方面，通过机载计算机程序仅仅是简单的输入数据，甚至仅需要按动数个按键，不能对配平方法有一个完整、连贯的认识。本文将介绍v2500发动机振动监控系统及三矢平衡法的原理，并简要分析V2500发动机配平两种方法的实现方法。
【关键词】振动；平衡；三矢法；V2500
0 引言
V2500发动机是IAE公司推出的一款市场占有率较高的双转子、轴流式，高涵道比单通道推力级别、单通道推力级别涡轮风扇发动机。V2500除了采用避免有害振动的结构设计外，还配备了一套完整的机载振动监控和故障诊断设备，为一线维护及发动机趋势、性能监控提供了支持。此外，AMM中还提供了纠正发动机振动值偏离的相关程序，借助机载计算机程序即可完成发动机配平的计算工作。
1 V2500的振动监视系统及三矢平衡法
现实中的振动现象很复杂的，发动机振动是其结构受到激振力作用后的响应。如气体流经发动机的通道、燃烧不均匀形成的气体激振力，转子不平衡、风扇、齿轮传动及轴承振动等引起的机械激振力，以及声学激振等。这些激振力综合作用的结果，使发动机产生了一种随机性的振动现象。这种振动现象很难用理论计算方法进行分析，而需要采用一个完整的监控系统实现对振动的监控与故障诊断。
V2500发动机的振动监控系统包括采集和分析两大部分，采集部分包括安装在风扇机匣左上方将振动转化为电信号的压电晶体传感器，以及将N1、N2转速转换为频率的相关转速传感器；EVMU作为分析部分收集自压电晶体的振动频率信号，以及来自转速传感器的N1、N2转速频率信号。在EVMU中，左右侧发动机的模拟信号通过通道模块完成滤波，并将加速度及N1转速信号传输给平衡模块完成不平衡位置和幅值的计算，最后通过数据生成模块接受发送来自诸如CFDS的数字信号。
通过振动监控系统，实现了V2500振动值的实时监控、不平衡数据、频率及咨询等级的计算、分析、存储，并通过CFDS系统完成振动值的航段报告、加速度计构型等功能。通过对发动机振动的全方位监控，保障了发动机的正常工作。
对于三矢平衡法，是在平衡测试中以转子的不平衡量应用三个向量的关系，以确定出转子的轻点方位和大小。在第一次试车得到残余不平衡量的向量■及相位角a1。以OB的长度为半径等比例在极坐标纸上作出基圆。由相位角a1确定OB。
在任意一个已知方位（一般放在BO的延长线上）加一已知配重Q，再一次试车测得第二个向量■及向量角a2，则向量■表示的是残余不平衡量与试调平衡量的合成向量。连接BE，把BE平移至原点O得到OC，则向量■则等同于试调平衡量单纯存在时所代表的不平衡量大小向量。已知配重Q在OQ延长线上，则OC与OQ的夹角β实为试调不平衡量滞后于试调配重Q所在位置的角度，令■，θ即为滞后相位角。
由向量的相互关系及余弦定律，求得向量■，
■=■-■ BE2=OE2+OB2-2OB・OE・cos（a1-a2）
■=■ sinβ=■・sin（a■-a■）
■=■ G0=■・Q
应用OB起顺时针旋转θ，便可找到重心方位，其反向延长线即为轻点方向。在轻点方向加载Q2=G0，即可消除转子的残余不平衡量。
2 V2500配平方法的实现
V2500发动机风扇叶片的配平有两种方法，其中一步法是IAE以大量发动机试车数据为基础，统计出各转速下振动时的滞后相位角及质量系数，并以此为参考，通过实际发动机振动值、转速、相位角计算出配平配重及安装相位角；试重法则是通过加装试重块的方式求出发动机的残余不平衡量，运用数学工具计算出配平配重及安装相位角。
发动机实际振动数据的采集直接决定着配平效果。振动值数据可以采用地面数据、人工输入数据和飞行数据。当飞机在空中N1转速稳定在设置的特定的转速上和规定的时间时，飞行数据由被EVMU自动记录；在地面可以通过试车将N1转速稳定在85%、83%、81%三个推荐转速获得振动数据。
不管是人工手动配平还是通过EVMU计算配平方案，都要考虑配平块的初始构型。因此，要确认EVMU记录的配平块初始构型和实际配平块的构型一致，获得24颗螺栓（进口整流锥法兰盘）上配平块及A、B两种螺栓孔的位置，其中A孔作为进气整流锥整流罩的安装孔是不能安装配平块的。最后还需要确认36颗螺栓（前风扇叶片固定环）上的配平块位置。不管是24颗还是36颗螺栓，均为面向发动机，从定位标志点逆时针开始计数。这里还需要引入一个概念，即配平块的组合，IAE将配平块的组合细分为两类：一类称为配重组（weight set），配平块以连续的形式出现，以数量表示；一类称为配重对（weight pairs），配平块通常成对出现，用彼此间螺栓间隔数表示。配平块产生的转动惯量TA就是通过配重块的不同组合来计算和实现的。
完成上述准备工作后，既可以开始进行实际的发动机配平了。根据手册推荐，一般首次配平都是采用一步法，此方法简单、效果也不错，通常航线工作中作为首选。若一步法不能纠正发动机的振动值偏离，则可以考虑使用试重法进行进一步的配平。
2.1 一步法的实现
采集到相关的发动机振动数据后，首先通过空中/地面干扰系数表查找对应转速下的质量系数K（oz.in/Mil）及相位滞后角B，并将K与该转速下的振动值U（Mil）相乘求出不平衡转动惯量TA（oz.in），再把B与振动相位角A相加得到配平相位角TP。最后将每一组转速下TP、TA求和取得平均值。此时TP平均值即为标志点逆时针旋转到需要配平位置的角度（轻点位置），而TA平均值为配平块需要克服的转动惯量。
接下来是确认配平块安装位置。首先要明确进口整流锥法兰盘（24颗螺栓）上已安装的配平块的位置及其产生的转动惯量TA，然后确保其不在配平相位角TP 90度范围内，并且它们产生的转动惯量TA
对于进口整流锥法兰盘（24颗螺栓）安装配平块，则通过进口整流锥法兰盘配重块平衡效果表选择不同的单个或数个配平块组合，使其总的转动惯量和SA接近TA，且彼此的差值TE不能大于0.5 oz..in，选择最接近的一组并记录下它们所对应的配平块件号、组合类型、配重数和螺栓间隔数。接着由TP在法兰盘上标注出具体的位置，根据选择的配平块组合数据即可确认配平块的安装位置了，需要注意的是因为实际的对中位置可能与计算值有偏差，所以要求实际值与TP之间的差在7.5度以内即可，如图。最后须确认24颗螺栓中的A螺栓孔未安装配平块，B螺栓孔至多安装了一个配平块。
对于在前风扇叶片固定环（36颗螺栓）上安装配平块其步骤和法兰盘安装的步骤及注意事项基本一致，只是需要注意配平块组合的选择应该参考前风扇叶片固定环配重块平衡效果表来实现，这里就不再赘述了。
完成上述计算过程后，按照手册对配平块及相关部件重新安装、定力，及完成了配平工作。最后通过试车对配平结果检验，并将新的构型装载进EVMU即可。
2.2 试重法的实现
进行具体的配平工作前，需要在规定的转速下（77 0.5%、80+0.5%、83+0.5%）采集两组发动机振动值数据，记录其振动量AV及相位角AD。唯一的区别是后一组需要在进口整流锥法兰盘77 0.5%转速下的振动相位角AD1附近位置安装3颗连续的、编号为5A0014的配平块作为配平试重，通常认为此处即为不平衡位置（轻点），并将三个试重块的中心位置与标记点之间的夹角记为AD0。需要注意的是振动量AV的单位为in/s，EVMU上的指示单位为mil，所以需要进行必要的转换。
按照适当的比例，以AV的长度及AD在三张极坐标图上绘出向量■/■、■/■、■/■的方向和大小；最后作图即可得到由试重块产生的振动量AC及相对于残余不平衡量AV1、AV2、AV3的逆时针角度AB。
图2
由试重块产生的不平衡转动惯量是个不变的常数6.546oz.in，且AV、AC均表征了不同工况下的振动幅值大小，则可求解出各转速下残余不平衡量产生的不平衡转动惯量AW的大小，如下：
因为不平衡转动惯量AW与AC的方向相同，所以也就确定了矢量■、■、■。
最后对矢量■、■、■在另一坐标图上进行矢量合成，得到矢量■，并按照比例关系，即可确定AW4的大小（oz.in）及其角度AB4。
接下来就可以确定不平衡点（轻点）的位置及需要的配重大小了。
已知试重块的安装位置为AD0（接近轻点的位置）
则轻点相对于标志点的角度AK=AD0+AB4，由此可知AB4实为相位滞后角。
已知进气整流锥法兰盘安装孔与法兰盘圆心的距离为7.913in（200.99mm）及矢量AW4的长度AW4，则需要的配重
WYozY=■×■.913 WYgY=■×■.00
若W1oz，则在前风扇叶片固定环（36颗螺栓）上安装配平块。
若在进口整流锥法兰盘安装配平块，假设AK=321°，W=12.7g则重点相对于标志点的角度
对于进口整流锥法兰盘A螺栓孔其相对于标志点逆时针旋转的角度分别为45°、105°、165°、225°、285°、345°，以重点位置起始顺时针旋转可以发现105°的A孔距离其最近，并将此点标记为N1，最后逆时针将剩余的23个螺孔依次标记为N2到N24，通过这样的步骤即可试重确定所有A螺栓孔的编号始终为N1、N5、N9、N13、N17、N21，以确保不会将配平块装于A孔上。所以与N1位置偏离的不平衡相位角。
已知W=12.7g，FA=36°，由所提供的数据表得到最接近的震动量为15g、不平衡角为35°，以此得出的配平方案即为N4-11；N6-11；N15-14；N16-14。分隔符前三位表示配重的安装位置，后两位表示配重质量的编号，如N12-14即为N12螺栓孔，安装编号14的12.5g配重。
若在前风扇叶片固定环上安装配平块， 相对于进口整流锥法兰盘其直径减小，所以首先需要对配重进行换算，此外，在固定环上配平不需要对螺栓孔的位置重新定义，这也是与前者的主要差别。
已知进气整流锥法兰盘安装孔与法兰盘圆心的距离为7.913in（200.99mm）、风扇叶片固定环与法兰盘圆心的距离为6.540in（166.11mm），假设AK=241°、W=28.4g，所以有
新的配重重量为WF=W×7.913/6.540=W×1.210=28.4×1.210=34.0g；
重点的相位角为FB=AK-180°=241°-180°=61°
已知WF=34.0g，FA=61°，由所提供的数据表得到最接近的震动量为30g、不平衡角为60°，以此得出的配平方案即为H24-2；H25-4；H28-1。同样的分隔符前三位表示配重的安装位置，后两位表示配重质量的编号，即H24-2即为风扇固定环逆时针第24颗螺栓孔，安装编号2的9g配重。
可以看出，相对于试重法，一步法实现起来更简单，需要的工时也更少，但是其建立在统计学中的相关参数不能完全表征不同发动机的真实振动状态，而试重法虽然复杂，但是更精确。所以IAE推荐首先使用一步法，之后才考虑使用试重法的要求就很容易理解了。而对于一线工作中常用的EVMU计算机配平，实际也就脱胎于一步法和试重法，只是将计算及位置确定的工作全部交予计算机完成，希望通过前面的详细分析，能对发动机配平工作有更好的理解，提高工作效率，保障飞行安全。