基于真实数据反演的风扇转子本机平衡方法

doi:10.7527/S1000-6893.2023.28321

Abstract

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

CLC Number:

V231.92

Lifang CHEN, Yabing SUN, Shuhua ZHOU, Qiang GAO, Baodong QIAO, Dong LI. Fan rotor local balancing method based on real data inversion[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(4): 628321-628321.

Figures/Tables 21

Fig.1

Fig.2

Fig.3

Fig.4

Fig.5

Fig.6

Fig.7

Fig.8

Fig.9

Fig.10

Fig.11

Fig.12

Fig.13

Fig.14

Table 1

Machine 1 dynamic stiffness Kcs

转速/（r·min^-1）	历史初始振幅/mil	历史原始不平衡量/（g·mm）	$K c d$ /（10⁷ N·m^-1）	$K s s$ / $K s d$ *	$K c s$ /（10⁷ N·m^-1）
5 400	0.47	1 000	2.68	1.019 6	2.63
5 650	1.38	1 038	1.03	1.019 0	1.02
5 800	1.80	1 001	0.81	1.018 6	0.79
5 970	3.20	957	0.46	1.018 2	0.45
6 230	4.50	903	0.34	1.017 5	0.33
6 410	3.90	850	0.39	1.016 9	0.38
6 600	3.50	878	0.47	1.016 4	0.46
6 861	2.90	851	0.60	1.015 6	0.59
7 200	2.30	791	0.77	1.014 4	0.76
7 650	2.00	686	0.87	1.012 8	0.86
8 000	1.75	700	1.11	1.011 4	1.09
8 400	2.00	645	0.98	1.009 7	0.97

Table 1

Table 2

Machine 2 dynamic stiffness Kcs

转速/（r·min^-1）	历史初始振幅/mil	历史原始不平衡量/（g·mm）	$K c d$ /（10⁷ N·m^-1）	$K s s$ / $K s d$ *	$K c s$ /（10⁷ N·m^-1）
5 600	1.3	1 415	1.47	1.019 0	1.45
5 800	2.7	1 291	0.69	1.018 6	0.68
6 000	3.3	1 036	0.49	1.018 1	0.48
6 200	4.7	1 175	0.41	1.017 5	0.41
6 400	3.6	1 287	0.63	1.017 0	0.62
6 600	3.2	1 627	0.96	1.016 4	0.94
6 800	2.8	1 566	1.12	1.015 8	1.10
7 000	2.7	1 799	1.41	1.015 1	1.39
7 200	2.0	1 635	1.84	1.014 4	1.82
7 400	1.5	1 443	2.27	1.013 7	2.24
7 600	1.6	1 264	1.97	1.013 0	1.94
7 800	1.8	1 901	2.77	1.012 2	2.74
8 000	2.0	2 181	3.01	1.011 4	2.98
8 200	2.1	2 368	3.27	1.010 6	3.24

Table 2

Fig.15

Table 3

Table 4

Fig.16

Fig.17

References 27

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）.

转速/（r·min^-1）	原始不平衡量大小/（g·mm）	试重后不平衡量大小/（g·mm）	配重位置1/（°）	配重位置2/（°）
5 800	1 434	1 816.4	265	85
6 000	1 381	缺少
6 200	1 450	缺少
6 400	1 502	缺少
6 600	1 729	2 491.79	235	115
6 800	1 734	2 237.42	254	96
7 000*	1 866	2 998.93
7 200	1 799	3 038.13	221	129
7 400*	1 731	3 077.33
7 600	1 580	2 291.00	240	110

[1]	Guoning QI, Baohai WU, Jiangfeng FU. Comparative analysis on relief grooves of high-speed and high-pressure aeroengine fuel gear pumps [J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(5): 529666-529666.
[2]	Minghui HU, Jinji GAO, Zhinong JIANG, Weimin WANG, Limin ZOU, Tao ZHOU, Yunfeng FAN, Yue WANG, Jiaxin FENG, Chenyang LI. Research progress on vibration monitoring and fault diagnosis for aero-engine [J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(4): 630194-630194.
[3]	Xiangdong GE, Fayong WU, Yongquan LIU, Zhongyan AN, Baodong QIAO, Qiang GAO, Tianlong QIN, Xiaoyang ZHOU. Research methods for whole aeroengine vibration and their engineering application [J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(4): 628353-628353.
[4]	Xinqian ZHENG, Junying WANG, Weina HUANG, Yu FU, Ronghui CHENG, Hongyang XIONG. Uncertainty⁃based design system for aeroengines [J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(7): 27099-027099.
[5]	Zhihao LI, Biao ZHANG, Jian LI, Chuanlong XU, Zhaolong SONG. Reconstruction of three-dimensional refractive index field of premixed swirl combustion flame [J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(4): 126480-126480.
[6]	Jian ZHANG, Min ZHANG, Juan DU, Weiliang HUANG, Chaoqun NIE. Experimental investigation into adaptive Coanda jet control in highly loaded compressor [J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(22): 128883-128883.
[7]	Deli ZHANG, Zheng QIN, Zhe LIU, Ming LI, Kai HE. Intelligent clamping system for machining composite blades of aeroengines [J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(20): 428987-428987.
[8]	Jie HANG, Yunhua LI, Liman YANG. Active fault tolerant control of fuel control system of aeroengine afterburner [J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(14): 328063-328063.
[9]	NIU Guangyue, DUAN Fajie, ZHOU Qi, LIU Zhibo. A dynamic measurement method of blade tip clearance based on microwave phase difference ranging [J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2022, 43(9): 625396-625396.
[10]	YANG Xiaowei, GE Yaowen, DENG Wenxiang, YAO Jianyong, ZHOU Ning. Active fault-tolerant control for hydraulic actuating cylinders of aeroengine guide vane control mechanisms [J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2022, 43(9): 625464-625464.
[11]	DUAN Fajie, NIU Guangyue, ZHOU Qi, FU Xiao, JIANG Jiajia. A review of online blade tip clearance measurement technologies for aeroengines [J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2022, 43(9): 626014-626014.
[12]	SHI Lei, YANG Guang, DING Guanghua, LIN Wenjun. Fine maintenance of an eroded fan rotor and related flow characteristics analysis [J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2020, 41(9): 423446-423446.
[13]	ZHU Donglei, CHEN Guoding, LI Yanjun, ZHANG Chaoyang. Inner ring oil flow and lubrication efficiency analysis of intershaft bearing [J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2019, 40(11): 423022-423022.
[14]	SHI Lei, YANG Guang, LIN Wenjun. Influence mechanism of leading-edge erosion on aerodynamic performance of fan rotor blade [J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2019, 40(10): 123007-123007.
[15]	WANG Jing, LUO Ming, WU Baohai, ZHANG Dinghua. A trochoidal path planning method for rough machining of aeroengine casing parts [J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2018, 39(6): 421814-421814.

Fan rotor local balancing method based on real data inversion

RichHTML

PDF (PC)

Knowledge

Abstract

Cite this article

share this article

Figures/Tables 21

References 27

Related Articles 15

Recommended Articles

Metrics

Comments