基于真实数据反演的风扇转子本机平衡方法

陈立芳; 孙亚冰; 周书华; 高强; 乔保栋; 李栋

doi:10.7527/S1000-6893.2023.28321

航空学报 >

2024 , Vol. 45 >Issue 4: 628321 - 628321

DOI: https://doi.org/10.7527/S1000-6893.2023.28321

航空发动机整机振动辨识与抑制专栏

基于真实数据反演的风扇转子本机平衡方法

陈立芳 ,
孙亚冰 ,
周书华 ,
高强 ,
乔保栋 ,
李栋

展开

^1.北京化工大学发动机健康监控及网络化教育部重点实验室，北京 100029
^2.北京化工大学高端压缩机及系统技术全国重点实验室，北京 100029
^3.中国航发沈阳发动机研究所，沈阳 110015

．E-mail： syb19943210@163.com

收稿日期: 2022-11-28

修回日期: 2023-02-13

录用日期: 2023-03-06

网络出版日期: 2023-03-10

基金资助

国家自然科学基金(51775030)

收起

Fan rotor local balancing method based on real data inversion

Lifang CHEN ,
Yabing SUN ,
Shuhua ZHOU ,
Qiang GAO ,
Baodong QIAO ,
Dong LI

Expand

^1.Ministry of Education Key Laboratory of Engine Health Monitoring-Control and Networking，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China
^2.State Key Laboratory of High-End Compressor and System Technology，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China
^3.AECC Shenyang Engine Research Institute，Shenyang 110015，China

E-mail： syb19943210@163.com

Received date: 2022-11-28

Revised date: 2023-02-13

Accepted date: 2023-03-06

Online published: 2023-03-10

Supported by

National Natural Science Foundation of China(51775030)

Fold

摘要

针对风扇转子相位监测困难、振动传递路径复杂、不同机台动力学特性差异性大、动平衡效率低等现象，提出一种基于模型和真实动平衡数据反演的风扇转子本机平衡方法。首先，通过分解风扇转子振动传递路径，构建数据反演模型和确定反演特征参数；其次，利用真实动平衡数据反演出匹配各机台的关键特征参数 $K c s$ （机匣到支点1动刚度）；最后，基于反演理论建立多转速下机匣振动响应、特征参数 $K c s$ 和转子不平衡量的线性矩阵方程，实现转子不平衡量逆运算。本方法经风扇转子现场动平衡验证，可在给定的转速范围内实现100%振动抑制，抑振比达43%~68%，动平衡效率大大提高。

关键词： 航空发动机; 风扇转子; 本机平衡; 数据反演; 无键相

本文引用格式

陈立芳 , 孙亚冰 , 周书华 , 高强 , 乔保栋 , 李栋 . 基于真实数据反演的风扇转子本机平衡方法[J]. 航空学报, 2024 , 45(4) : 628321 -628321 . DOI: 10.7527/S1000-6893.2023.28321

Abstract

A fan rotor local balancing method based on the model and real dynamic balancing data inversion is proposed to address the phenomena of difficult fan rotor phase monitoring， complex vibration transmission paths， large variability of dynamic characteristics of different machines， and low dynamic balancing efficiency. The data inversion model is first constructed and the inversion characteristic parameters determined by decomposing the fan rotor vibration transmission path. The real dynamic balance data is then used to invert the performance to match the key characteristic parameter K_cs（casing to pivot point 1 dynamic stiffness） of each machine. Finally， the linear matrix equation of casing vibration response， characteristic parameter K_csand rotor unbalance is established based on the inversion theory to realize the inverse operation of rotor unbalance. This method is verified by the field dynamic balancing of fan rotors， which can achieve 100% vibration suppression in the given speed range， and the vibration suppression ratio reaches 43%—68%， significantly improving the dynamic balancing efficiency.

Key words： aeroengine; fan rotor; local balance; data inversion; without OPR sensor

参考文献

1	王辰，左彦飞，江志农，等. 全转速系数矩阵降维重构的燃机不平衡量逆推方法［J］. 航空学报， 2020， 41（11）： 223670.
	WANG C， ZUO Y F， JIANG Z N， et al. A backstepping method of gas turbine unbalance vector based on dimension reduction and reconstruction of full speed coefficient matrix［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2020， 41（11）： 223670 （in Chinese）.
2	冯坤，朱振桥，左彦飞，等. 薄壁机匣发动机轴承位置不平衡响应矢量逆推方法［J］. 振动与冲击， 2020， 39（16）： 89-95.
	FENG K， ZHU Z Q， ZUO Y F， et al. A reverse method of unbalance response at bearing position of thin-walled casing engines［J］. Journal of Vibration and Shock， 2020， 39（16）： 89-95 （in Chinese）.
3	孙贵青，丁一明，龙洋，等. 大涵道比涡扇发动机风扇平衡工艺分析［J］. 航空科学技术， 2022， 33（10）： 24-30.
	SUN G Q， DING Y M， LONG Y， et al. Fan balance analysis on high bypass ratio turbofan aeroengine［J］. Aeronautical Science & Technology， 2022， 33（10）： 24-30 （in Chinese）.
4	ZHANG Z X， ZHANG C Y， WAN K D， et al. An improved whole-machine balancing method based on double auto-correlation measurement［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part C： Journal of Mechanical Engineering Science， 2018， 232（4）： 612-620.
5	BIN G F， LI X J， SHEN Y P， et al. Development of whole-machine high speed balance approach for turbomachinery shaft system with N+1 supports［J］. Measurement， 2018， 122： 368-379.
6	吴元东，娄金伟，范顺昌，等. 某型发动机风扇转子本机平衡试验研究［J］. 航空发动机， 2018， 44（6）： 74-78.
	WU Y D， LOU J W， FAN S C， et al. Experimental investigation of local balancing for aeroengine fan rotor［J］. Aeroengine， 2018， 44（6）： 74-78 （in Chinese）.
7	夏存江. 基于直角坐标的在翼航空发动机风扇三圆配平方法研究［J］. 燃气涡轮试验与研究， 2015， 28（3）： 59-62.
	XIA C J. Research of fan trim balance for on-wing aircraft engines based on a rectangular coordinate system［J］. Gas Turbine Experiment and Research， 2015， 28（3）： 59-62 （in Chinese）.
8	葛向东，高强，路阳，等. 风扇转子动特性试验与分析［J］. 航空发动机， 2020， 46（2）： 66-70.
	GE X D， GAO Q， LU Y， et al. Test and analysis of dynamic characteristic of fan rotor［J］. Aeroengine， 2020， 46（2）： 66-70 （in Chinese）.
9	BHENDE A R. A new rotor balancing method using amplitude subtraction and its performance analysis with phase angle measurement-based rotor balancing method［J］. Australian Journal of Mechanical Engineering， 2020， 18（1）： 112-118.
10	姜广义，王德友，焦业秋. 大型发动机转子本机平衡技术试验研究［J］. 航空发动机， 2008， 34（1）： 19-22， 6.
	JIANG G Y， WANG D Y， JIAO Y Q. Experimentd investigation of local balanced technique for large aeroengine rotor［J］. Aeroengine， 2008， 34（1）： 19-22， 6 （in Chinese）.
11	刘钢旗，郑龙席，梅庆，等. 一种跨二阶柔性转子无试重模态平衡方法［J］. 航空学报， 2014， 35（4）： 1019-1025.
	LIU G Q， ZHENG L X， MEI Q， et al. Balancing method of flexible rotor across second order without trial weights［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2014， 35（4）： 1019-1025 （in Chinese）.
12	周瑾，王玉龙，郭勤涛. 基于动平衡机有限元模型的无试重动平衡方法［J］. 江苏大学学报（自然科学版）， 2013， 34（1）： 72-75.
	ZHOU J， WANG Y L， GUO Q T. Dynamic balance method without trial weight based on finite element model of dynamic balancer［J］. Journal of Jiangsu University （Natural Science Edition）， 2013， 34（1）： 72-75 （in Chinese）.
13	章云，王晓宇，梅雪松. 高速转子无试重动平衡方法研究现状分析［J］. 振动与冲击， 2022， 41（21）： 216-227.
	ZHANG Y， WANG X Y， MEI X S. Studying status review for high-speed rotor dynamic balancing method without trial weights［J］. Journal of Vibration and Shock， 2022， 41（21）： 216-227 （in Chinese）.
14	李志炜，何立东，张俎琛，等. 虑及双转速双平面无试重虚拟动平衡研究［J］. 机电工程， 2019， 36（9）： 969-974.
	LI Z W， HE L D， ZHANG Z C， et al. Test-free virtual dynamic balance in consideration of double-rotation double-plane［J］. Journal of Mechanical & Electrical Engineering， 2019， 36（9）： 969-974 （in Chinese）.
15	傅超，任兴民，杨永锋，等. 基于加速不平衡响应的柔性转子无试重动平衡［J］. 西北工业大学学报， 2017， 35（5）： 898-904.
	FU C， REN X M， YANG Y F， et al. Balancing of flexible rotors based on accelerating unbalance response without trial weights［J］. Journal of Northwestern Polytechnical University， 2017， 35（5）： 898-904 （in Chinese）.
16	KHULIEF Y A， MOHIUDDIN M A， EL-GEBEILY M. A new method for field-balancing of high-speed flexible rotors without trial weights［J］. International Journal of Rotating Machinery， 2014， 2014： 1-11.
17	宾光富，李学军，沈意平，等. 基于动力学有限元模型的多跨转子轴系无试重整机动平衡研究［J］. 机械工程学报， 2016， 52（21）： 78-86.
	BIN G F， LI X J， SHEN Y P， et al. Whole-machine dynamic balancing method without trial weights for multi-span rotor shafting based on dynamic finite element model［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2016， 52（21）： 78-86 （in Chinese）.
18	王维民，高金吉，江志农，等. 旋转机械无试重现场动平衡原理与应用［J］. 振动与冲击， 2010， 29（2）： 212-215， 232.
	WANG W M， GAO J J， JIANG Z N， et al. Principle and application of no trial weight field balancing for a rotating machinery［J］. Journal of Vibration and Shock， 2010， 29（2）： 212-215， 232 （in Chinese）.
19	陈立芳，晏资文，李栋，等. 一种基于粒子群优化的无键相虚拟动平衡算法研究［J］. 机电工程， 2021， 38（4）： 421-427， 446.
	CHEN L F， YAN Z W， LI D， et al. Virtual dynamic balancing algorithm without OPR signal based on particle swarm optimization［J］. Journal of Mechanical & Electrical Engineering， 2021， 38（4）： 421-427， 446 （in Chinese）.
20	唐宇航，王雪仁，李欣. 变频激励响应分析及模态阻尼反演理论研究［J］. 船舶力学， 2019， 23（11）： 1339-1350.
	TANG Y H， WANG X R， LI X. Variable frequency excitation response analysis and inverse theory research of modal damping［J］. Journal of Ship Mechanics， 2019， 23（11）： 1339-1350 （in Chinese）.
21	应广驰，孟光，荆建平. 基于频响函数反演法的涡轮增压器基础激励辨识［J］. 振动与冲击， 2007， 26（11）： 70-75， 184.
	YING G C， MENG G， JING J P. Foundation excitation idetification of turbocharger’s vibration response based on frequency response function inversion method［J］. Journal of Vibration and Shock， 2007， 26（11）： 70-75， 184 （in Chinese）.
22	艾伯特 . 塔兰托拉. 反演理论：数据拟合及模型参数估算方法［M］. 张先康，译. 北京：学术书刊出版社， 1989： 2-5.
	TARANTOLA A. Inverse problem theory and methods for model parameter estimation［M］. ZHANG X K， translated. Beijing： Academic Books and Periodicals Press， 1989： 2-5 （in Chinese）.
23	王晓峰，徐可君，秦海勤. 航空发动机风扇转子试验器动力学特性研究［J］. 动力学与控制学报， 2017， 15（2）： 142-148.
	WANG X F， XU K J， QIN H Q. Study on dynamic characteristics of aeroengine fan rotor tester［J］. Journal of Dynamics and Control， 2017， 15（2）： 142-148 （in Chinese）.
24	曾振坤，张大义，黄巍，等. 径向支承刚度非对称转子系统振动特性分析［J］. 推进技术， 2022， 43（2）： 256-265.
	ZENG Z K， ZHANG D Y， HUANG W， et al. Analysis of vibration characteristics of rotor system with asymmetric radial support stiffness［J］. Journal of Propulsion Technology， 2022， 43（2）： 256-265 （in Chinese）.
25	BHARTI S K， BISOI A， SINHA A， et al. Sommerfeld effect at forward and backward critical speeds in a rigid rotor shaft system with anisotropic supports［J］. Journal of Sound and Vibration， 2019， 442： 330-349.
26	JUNG H C， KRUMDIECK S. Rotordynamic modelling and analysis of a radial inflow turbine rotor-bearing system［J］. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing， 2014， 15（11）： 2285-2290.
27	袁胜，邓旺群，徐友良，等. 小型涡扇发动机低压转子临界转速随支承刚度和悬臂长度的变化规律研究［J］. 燃气涡轮试验与研究， 2018， 31（5）： 35-39.
	YUAN S， DENG W Q， XU Y L， et al. Change laws of critical speed with supporting stiffness and cantilever length of a low pressure rotor for a small turbofan engine［J］. Gas Turbine Experiment and Research， 2018， 31（5）： 35-39 （in Chinese）.

Options

文章导航

模态框（Modal）标题

摘要

本文引用格式

Abstract

参考文献